L'enjeu de cette thèse était de proposer un modèle de prévision de la fissuration (trajet et vitesse) par fatigue sous chargement complexe, afin de définir les pas d’inspection de structures industrielles. Dans le cas des métaux, il est reconnu que la plasticité au voisinage de l'extrémité de la fissure a des effets majeurs sur la vitesse et la direction de fissuration. La simulation par éléments finis non-linéaire permet de comprendre et de modéliser ces effets, mais le traitement de problèmes industriels par cette méthode (fissures tridimensionnelles se propageant pendant plusieurs millions de cycles en non-linéaire) reste toujours hors de portée. Pour réduire les temps de calcul, une démarche de changement d'échelle a été mise en place, afin d'identifier un modèle de comportement élasto-plastique en mode mixte non-proportionnel, non pas local, mais relatif à la région en pointe de fissure. Ce modèle, qui condense tous les effets liés à la plasticité confinée en pointe de fissure, peut alors être utilisé dans un calcul de structure linéaire pour simuler la fissuration par fatigue en mode mixte, à amplitude variable, sous des millions de cycles en quelques minutes. La méthode et les hypothèses de changement d'échelle, d'abord appliquées à des simulations numériques, ont ensuite été validées expérimentalement sur des éprouvettes cruciformes fissurées en s’appuyant sur la mesure optique du champ de déplacement à l’extrémité de la fissure. Enfin, une campagne d’essais, visant à caractériser le comportement en fissuration de l’acier S355NL en fatigue, a été réalisée. Les résultats expérimentaux et de simulation sont en bon accord en mode I et en mode mixte. / Predicting the growth of fatigue cracks under multi-axial loading conditions still remains very difficult because of the complexity of the crack path and because of history effects induced by plasticity. This thesis is devoted to the modeling of the effect of mixed mode plasticity on fatigue crack growth. A model was developed using a multi-scale approach from elastic-plastic finite element computations, it was validated using experimental measurements of the velocity field at crack tip by digital image correlation in I+II mixed mode loading conditions. The mode I and mode II components of the velocity field (experimental or from FE simulations) were extracted using symmetry and partitioned into elastic and plastic parts. With this approach, the velocity field is described using only four degrees of freedom, 2 for elasticity and 2 for plasticity. A criterion was proposed to determine the yield surface, and it was shown that the experimental yield surface agrees well with the theoretical one. The plastic flow direction was also measured in non-proportional loading conditions are consistent with the hypotheses of the model. The crack growth rate and direction is then calculated as function of the plasticity rate, which makes possible the use of this simplified model in a linear finite element code to predict 3D fatigue crack growth in mixed mode non-proportional conditions. In mode I, the model was successfully compared with a set of fatigue crack growth experiment under variable amplitude conditions. In mixed mode conditions, the crack growth direction is correctly predicted.

Die bruchmechanische Analyse des Bruches einer Königswelle zeigt, dass der Ermüdungsriss von einer Fehlstelle ausging und durch die Betriebsbeanspruchung gewachsen ist. Die errechneten Lebensdauerwerte decken sich mit den tatsächlich erreichten. / The fracture mechanics analysis of the rupture of an upright shaft shows that the fatigue crack originated from a defect was able to grow with the operational stress. The calculated and actual lifetime are the same.

Call number: LD2668 .T4 1986 S53 / Master of Science / Civil Engineering

Call number: LD2668 .T4 1986 Y362 / Master of Science / Civil Engineering

[pt] As estimativas do tamanho e forma da zona plástica, tradicionalmente usada na Mecânica da Fratura Linear Elástica (MFLE), são baseadas na suposição que o fator de intensidade de tensões KI (ou KII ou KIII) é o único parâmetro necessário para descrevê-las. Quando as zonas plásticas são obtidas a partir da solução de Inglis para o campo de tensões em volta de um furo elíptico, ou da solução completa de Westergaard para uma placa com uma trinca central, pode-se observar que as estimativas tradicionais subestimam a localização da fronteira elastoplástica. Isto acontece devido às estimativas tradicionais da zona plástica que não levam em consideração a influencia da tensão nominal no campo de tensões. Como na maioria dos casos a tensão nominal atinge 80% da tensão de escoamento do material é muito importante gerar estimativas melhoradas da zona plástica em volta da ponta da trinca, as quais são apresentadas neste trabalho. / [en] The estimates of the size and shape of the plastic zones, traditionally used in Linear Elastic Fracture Mechanics (LEFM), are based on the supposition that the stress intensity factor (SIF) KI (or KII or KIII) is the only necessary parameter to describe them. However, when the linear elastic stress analysis problem is solved in an Inglis plate, or the cracked infinite plate is analyzed using the stresses generated by the complete Westergaard function, it is verified that those traditional estimates significantly underestimate the position of the elastoplastic border. This happens because those solutions ignore the influence of the nominal stress on the stress field. However, as in most of the practical cases nominal stresses of up to 80% of the yielding strength are used, it is worthwhile to generate better estimates ahead for the plastic zones of the cracks, which are presented in this work.

This paper presents the comparison of shrinkage and corrosion characteristics of optimized hybrid Rice Husk Ash (RHA)/Fly Ash (FA)-modified Concrete, with those of normal concrete in the marine environment. Uses of both FA and RHA have numerous environmental benefits. Shrinkage performance was determined by subjecting the mixes to restrained shrinkage testing per ASTM C1581. The time to cracking of the specimens improved an average of 18% with the hybrid mixes. Corrosion testing of reinforced columns was performed in a simulated tidal cycle Marine Environment. Corrosion potential improved by as much as 35% for the mix with the highest FA/RHA replacement, and corrosion activity as measured with potentiostat equipment improved by an average of 34% . These results indicate a clear performance improvement of the modified concrete that is proportional to the percent replacement of cement. / by Diana Arboleda. / Thesis (M.S.C.S.)--Florida Atlantic University, 2010 / Includes bibliography. / Electronic reproduction. Boca Raton, Fla., 2010. Mode of access: World Wide Web.

Este trabalho apresenta um conjunto extenso de análises 3-D administrado em espécimes de fratura padronizados, incluindo espécimes SE(T) carregados por pino e por garra, e dutos com defeitos longitudinais com tamanhos de trinca variados. O objetivo é examinar os efeitos 3-D na correlação de comportamento de fratura para as configurações de trinca analisadas usando a metodologia J-Q. Uma medida de restrição por sobre a frente de trinca, dado por um parâmetro hidrostático médio, Qs, é empregada para substituir a medida de restrição de estado plano de deformação, Q. Alternativamente, uma medida local de restrição que avalia a região da camada central do espécime, Qm, também é utilizada. As extensas análises numéricas tridimensionais aqui apresentadas providenciam um conjunto representativo de soluções que provêem apoio adicional ao uso de espécimes SE(T) especialmente projetados para avaliação de defeitos em dutos e vasos de pressão. / This study describes an extensive set of 3-D analyses conducted on conventional fracture specimens, including pin-load and clamped SE(T) specimens, and axially cracked pipes with varying crack configurations. The primary objective is to examine 3-D effects on the correlation of fracture behavior for the analyzed crack configurations using the J-Q methodology. An average measure of constraint over the crack front, as given by an average hydrostatic parameter, denoted Qs, is employed to replace the plain-strain measure of constraint, Q. Alternatively, a local measure of constraint evaluated at the midthickness region of the specimen, denoted Qm, is also utilized. The extensive 3-D numerical analyses presented here provide a representative set of solutions which provide further support for using constraint-designed SE(T) specimens in fracture assessments of pressurized pipes and cylindrical vessels.

The main goal of this work is to develop an estimation procedure for the and CTOD driving forces for circumferential surface cracks in pipelines under combined bending and internal pressure loading. It is intended that the methodology proposed here will be applicable to a significant range of pipe and crack geometries, material yielding and strain hardening characteristics as well as loading biaxiality levels. In particular, pipelines currently employed in the offshore oil and gas production industry constitute an important class of potential application for this kind of procedure, and thus the current structural integrity concerns involving the reeling of pressurized pipelines have served as a motivating theme and bridge with real-world application throughout this research. The central theoretical framework upon which the developments presented here are based is the driving force estimation scheme known as EPRI methodology. This traditional approach for estimating and CTOD relies on splitting the driving forces into elastic and plastic components. The elastic part is calculated directly from widely available stress intensity factor solutions, while the plastic part is determined using fully plastic solutions derived from power-law descriptions of material behaviour. In the first part of this work the EPRI methodology in its more conventional form is extended to cover the cases of interest, allowing the calculation of and CTOD for circumferential surface cracks in pipelines subjected to combined internal pressure and bending loadings. This is done by carrying out detailed finite element simulations of bending of pressurized cracked pipes, the results of which then allow the direct determination of non-dimensional functions that correlate (CTOD) with applied loading, consistent with the form of the original EPRI fully plastic solutions. In the second part of the work attention is given to certain drawbacks and limitations of the procedure developed in the first part. A new, alternative procedure is then proposed which aims to overcome these problems by combining the main ideas behind the EPRI methodology with concepts from strain based design. The theoretical framework underlying this development is laid out and the analytical derivation of the new driving force estimation scheme is presented. Finally, results are given in a form similar to that employed in the first part, and the two procedures are compared. While they are shown to be conceptually equivalent, the strain based methodology is argued to be more readily applicable to some important classes of real world problems. The work concludes with comments on the effects of load biaxiality over crack driving forces and with discussions on the quality, accuracy and physical meaningfulness of the non-dimensional scaling functions obtained which correlate crack driving forces to loads or strains. / O objetivo principal deste trabalho é o desenvolvimento de um procedimento para estimação das forças motrizes e CTOD para trincas circumferenciais superficiais em dutos submetidos a carregamento combinado de flexão e pressão interna. Pretende-se que a metodologia aqui proposta seja aplicável a uma ampla faixa de geometrias de duto e trinca, características de escoamento e encruamento de material e níveis de biaxialidade de carregamento. Em particular, dutos atualmente empregados na exploração submarina de óleo e gás constituem uma classe importante de aplicações em potencial para procedimentos dessa natureza. Por essa razão, a avaliação de integridade estrutural de dutos pressurizados submetidos a enrolamento em carretel serve como tema motivador e ponto de conexão com a aplicação real ao longo deste trabalho. A base teórica fundamental sobre a qual se assentam os desenvolvimentos aqui propostos é o procedimento de estimação de forças motrizes de trinca conhecido como metodologia EPRI. Este método tradicional de cálculo de e CTOD separa as forças motrizes em componentes elástica e plástica. A component elástica é calculada diretamente a partir de soluções para o fator de intensidade de tensões, que se encontram amplamente disponíveis. A componente plástica, por sua vez, é determinada a partir de soluções totalmente plásticas derivadas de um modelo de lei de potência para o comportamento do material. Na primeira parte deste trabalho a metodologia EPRI em sua forma tradicional é estendida para abranger os casos de interesse, permitindo assim a determinação de e CTOD para trincas circumferenciais superficiais em dutos carregados por flexão e pressão interna. Para isto empregam-se simulações computacionais por elementos finitos, os resultados das quais permitem a determinação direta de fatores adimensionais que correlacionam (CTOD) com o carregamento aplicado de maneira consistente com as soluções totalmente plásticas da metodologia EPRI original. Na segunda parte do trabalho a atenção se volta para algumas deficiências e limitações da metodologia desenvolvida na primeira parte. Um procedimento novo é proposto como alternativa, tendo por objetivo superar estas dificuldades a partir da combinação dos principais conceitos da metodologia EPRI com ideias derivadas do projeto baseado em deformações. Apresentam-se a base teórica subjacente à estes conceitos e a derivação analítica do novo procedimento de estimação de forças motrizes. Finalmente, resultados semelhantes aos obtidos na primeira parte são calculados e os dois procedimentos são comparados. Embora ambos sejam conceitualmente equivalentes, argumenta-se que o procedimento baseado em deformações é mais imediata e convenientemente aplicado a algumas classes importantes de problemas práticos. O trabalho encerra com comentários acerca dos efeitos de biaxialidade de carregamento sobre as forças motrizes de trinca e com discussões sobre a acurácia, relevância, e significância física das funções adimensionais que escalam as forças motrizes com cargas ou deformações.

A demanda crescente por energia tem motivado a procura por petróleo e gás natural em ambientes com condições extremas, como operações em águas profundas e o transporte de fluídos corrosivos. Avanços tecnológicos recentes favorecem o uso de tubos de aço contendo uma camada interna resistente a corrosão (comumente chamados de Lined ou Clad Pipes) para o transporte de tais fluidos agressivos. Além disso, as tubulações submarinas são sujeitas a condições de instalação muito severas e, um caso de interesse, é o procedimento de reeling que permite com que a fabricação e inspeção da tubulação seja feita em terra. Apesar de possuir vantagens econômicas, a avaliação da integridade estrutural e especificação dos tamanhos toleráveis de trinca em juntas soldadas, nestas condições, torna-se uma tarefa complexa, devido a natureza dissimilar dos materiais e ao grande nível de deformação plástica no processo. Dessa maneira, este trabalho tem por objetivo o desenvolvimento de um procedimento de avaliação de forças motrizes elasto-plásticas em tubos contendo juntas soldadas circunferenciais sujeitos a flexão, para uma extensa gama de configurações geométricas. Dois métodos distintos foram desenvolvidos e analisados: a metodologia EPRI e o procedimento que utiliza a curva de tensão vs. deformação equivalente. As análises numéricas 3D fornecem os parâmetros de fratura necessários para a resolução do problema e a acurácia dos procedimentos é verificada a partir de estudos de casos e análises paramétricas. / The increasing demand for energy has motivated the oil and natural gas exploration in very hostile environments, including very deep water operation and the transport of corrosive fluids. Technological advances favor the use of high strength steel pipelines either clad or mechanically lined with a corrosion resistant alloy (CRA), such as Alloy 625, for the transport of corrosive hydrocarbons. Moreover, these pipelines are subjected to severe installation conditions and a case of interest is the pipe reeling process, which allows pipe welding and inspection to be conducted at onshore facilities. While cost effective, fracture assessments and specification of critical flaw sizes for the girth welds of lined/clad pipes are more complex due to the dissimilar nature of these materials and the high levels of plastic strain imposed during installation. In particular, effective analyses of crack driving forces in undermatched or partially mismatched pipe girth welds remain essential to determine more accurate acceptable flaw sizes for the piping system based upon conventional ECA procedures. This work focuses on the development of a procedure to determine the elastic-plastic crack driving forces for pipe girth welds with circumferential surface cracks subjected to bending load for a wide range of geometries and weld mismatch levels based upon based methodologies: the GE-EPRI framework and the equivalente stress vs. strain curve. The study also addresses the potential effects of an undermatching girth weld on critical flaw sizes. The extensive nonlinear, 3-D numerical analysis provide the fracture parameters for cracked pipes and cylinders with mismatched girth welds which will be applied in case studies and parametric analyses in order to verify the accuracy of the methods.

Este trabalho busca avaliar o efeito da sobrepressão interna na avaliação crítica de engenharia (ECA) de dutos submersos sujeitos a flambagem lateral controlada, que essencialmente consiste na análise de carregamentos combinados associados a grandes deformações longitudinais. O objetivo principal é avaliar a viabilidade da adoção de corpos-de-prova SENT na avaliação da resistência à fratura em dutos sujeitos a esforços combinados utilizando procedimentos analíticos que incorporam do aumento das forças motrizes devido à sobrepressão interna. Este estudo apresenta uma revisão sobre os procedimentos de ECA utilizados em dutos submersos e sobre o efeito da pressão interna na capacidade de deformação de dutos. Os procedimentos adotados atualmente e procedimentos alternativos são discutidos e implementados em um problema prático envolvendo diferentes razões de diâmetros por espessuras, expoentes de encruamento, níveis de sobrepressão e deformação longitudinal. Alguns casos selecionados são comparados com soluções elasto-plásticas de J, e.g. EPRI. Os resultados apresentados fornecem uma boa compreensão sobre as vantagens e limitações de cada procedimento, incluindo a possibilidade de estender sua aplicação além do limite normativo de 0,4% de deformação longitudinal. / This work aims to evaluate the effect of internal overpressure on the engineering critical assessment (ECA) of submarine pipelines subjected to controlled lateral buckling, which essentially consists of the analysis of combined loading with large longitudinal strains at the buckle crown. The main goal is to evaluate the feasibility of using SENT specimens to characterize the fracture resistance in the assessments of pipelines subjected to combined loadings using analytical procedures that takes into account the increase of crack driving force due to internal overpressure. This study presents a revision about ECA procedures used in submarine pipelines and about the effect of biaxial stresses their tensile strain capacity. Both standard and alternative procedures are discussed and implemented in a practical problem involving different diameter to thickness ratios, hardening exponents, levels of internal pressure and longitudinal strain. Some selected cases are compared with full elastic-plastic J solutions, e.g. EPRI. The results provide useful insights regarding the advantage and limitations of each procedure, including the possibilities to extend their applicability beyond the standard limit of 0,4% of longitudinal strain.