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.

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 fundação profunda tem como objetivo realizar a transferência das cargas provenientes da superestrutura ao solo, ou seja, deve-se considerar sempre a interação fundação-solo, para estimativa da capacidade de carga de suporte da estrutura. Segundo Avelino (2006) com o surgimento dos ensaios de carregamento dinâmico, o controle do estaqueamento de fundações profundas desenvolveu-se significativamente nos últimos vinte anos devido à facilidade na execução desses ensaios e seu relativo baixo custo. No Brasil, há um predomínio praticamente absoluto dos métodos CASE e CAPWAP. O trabalho tem por objetivo analisar o método semi-empírico que preveja com maior confiabilidade a capacidade de carga de estacas pré-fabricadas cravadas em região de solo mole. Para atingir este objetivo serão analisadas estacas de concreto protendido com seção transversal quadrada 230mmx230mm, utilizadas como fundação de habitações populares em uma obra promovida pela Companhia de Desenvolvimento Habitacional e Urbano do Estado de São Paulo (CDHU), na cidade de Cubatão, São Paulo. Neste trabalho serão apresentados os resultados de capacidade de carga das estacas determinados através da aplicação de alguns métodos consagrados, como o Decourt-Quaresma (1978) e Aoki-Velloso (1975), que utilizam resultados de sondagens a percussão de simples reconhecimento. Estes valores de capacidade de carga serão comparados aos obtidos através de uma série de ensaios de carregamento dinâmico tendo como foco a capacidade de carga da estaca, através das analises CAPWAP. Estes ensaios são localizados próximos aos respectivos furos de sondagens cujos resultados foram utilizados para previsão da capacidade de carga. / A deep foundation is a structural element that aims to conduct the transfer of loads from the superstructure to the ground, ie, one should always consider the foundation-soil interaction to predict the load capacity of the frame support. According to Avelino (2006) with the emergence of dynamic loading tests, the control staking of deep foundations has developed significantly over the last twenty years due to the ease in performing those tests and their relative low cost. In Brazil, there is an almost absolute predominance of CASE and CAPWAP methods. The work aims to compare the values of load capacity predicted by semi-empirical methods of prefabricated concrete piles driven in to the soft soil with the values obtained through dynamic load tests. For this, pre-stressed concrete piles were analyzed with square cross section 230mmx230mm, used as popular housing foundation in a project promoted by the Company of Housing and Urban Development of the State of São Paulo (CDHU) in the city of Cubatão, São Paulo. The semi-empiric methods used follow the Decourt and Quaresma (1978), Aoki and Velloso (1975), methods, using results of standard penetration test (SPT). These load capacity values will be compared to those obtained through a series of dynamic loading test focusing on the load capacity obtained through the CAPWAP analysis.

A fundação profunda tem como objetivo realizar a transferência das cargas provenientes da superestrutura ao solo, ou seja, deve-se considerar sempre a interação fundação-solo, para estimativa da capacidade de carga de suporte da estrutura. Segundo Avelino (2006) com o surgimento dos ensaios de carregamento dinâmico, o controle do estaqueamento de fundações profundas desenvolveu-se significativamente nos últimos vinte anos devido à facilidade na execução desses ensaios e seu relativo baixo custo. No Brasil, há um predomínio praticamente absoluto dos métodos CASE e CAPWAP. O trabalho tem por objetivo analisar o método semi-empírico que preveja com maior confiabilidade a capacidade de carga de estacas pré-fabricadas cravadas em região de solo mole. Para atingir este objetivo serão analisadas estacas de concreto protendido com seção transversal quadrada 230mmx230mm, utilizadas como fundação de habitações populares em uma obra promovida pela Companhia de Desenvolvimento Habitacional e Urbano do Estado de São Paulo (CDHU), na cidade de Cubatão, São Paulo. Neste trabalho serão apresentados os resultados de capacidade de carga das estacas determinados através da aplicação de alguns métodos consagrados, como o Decourt-Quaresma (1978) e Aoki-Velloso (1975), que utilizam resultados de sondagens a percussão de simples reconhecimento. Estes valores de capacidade de carga serão comparados aos obtidos através de uma série de ensaios de carregamento dinâmico tendo como foco a capacidade de carga da estaca, através das analises CAPWAP. Estes ensaios são localizados próximos aos respectivos furos de sondagens cujos resultados foram utilizados para previsão da capacidade de carga. / A deep foundation is a structural element that aims to conduct the transfer of loads from the superstructure to the ground, ie, one should always consider the foundation-soil interaction to predict the load capacity of the frame support. According to Avelino (2006) with the emergence of dynamic loading tests, the control staking of deep foundations has developed significantly over the last twenty years due to the ease in performing those tests and their relative low cost. In Brazil, there is an almost absolute predominance of CASE and CAPWAP methods. The work aims to compare the values of load capacity predicted by semi-empirical methods of prefabricated concrete piles driven in to the soft soil with the values obtained through dynamic load tests. For this, pre-stressed concrete piles were analyzed with square cross section 230mmx230mm, used as popular housing foundation in a project promoted by the Company of Housing and Urban Development of the State of São Paulo (CDHU) in the city of Cubatão, São Paulo. The semi-empiric methods used follow the Decourt and Quaresma (1978), Aoki and Velloso (1975), methods, using results of standard penetration test (SPT). These load capacity values will be compared to those obtained through a series of dynamic loading test focusing on the load capacity obtained through the CAPWAP analysis.

In Operations Enduring Freedom and Iraqi Freedom, explosions accounted for 81% of all injuries; this is a higher casualty percentage than in any previous wars. Blast wave overpressure has recently been associated with varying levels of traumatic brain injury in soldiers exposed to blast loading. Presently, the injury mechanism behind primary blast brain injury is not well understood due to the complex interactions between the blast wave and the human body. Despite these limitations in the understanding of head injury thresholds, head kinematics are often used to predict the overall potential for head injury. The purpose of this study was to investigate head kinematics, and predict injury from a range of simulated blast loads at varying standoff distances and differing heights of bursts. The validated Generator of body data multi-body human surrogate model allows for numerical kinematic data simulation in explicit finite element method fluid structure interaction blast modeling. Two finite element methods were investigated to simulate blast interaction with humans, an enhanced blast uncoupled method, and an Arbitrary Lagrangian Eularian fully coupled method. The enhanced blast method defines an air blast function through the application of a blast pressure wave, including ground reflections, based on the explosives relative location to a target; the pressures curves are based on the Convention Weapons databases. LBE model is efficient for parametric numerical studies of blast interaction where the target response is the only necessary result. The ALE model, unlike classical Lagrangian methods, has a fixed finite element mesh that allows material to flow through it; this enables simulation of large deformation problems such as blast in an air medium and its subsequent interaction with structures. The ALE model should be used when research into a specific blast scenario is of interest, since this method is more computationally expensive. The ALE method can evaluate a blast scenario in more detail including: explosive detonation, blast wave development and propagation, near-field fireball effects, blast wave reflection, as well as 3D blast wave interaction, reflection and refraction with a target. Both approaches were validated against experimental blast tests performed by Defense Research and Development Valcartier and ConWep databases for peak pressure, arrival time, impulse, and curve shape. The models were in good agreement with one another and follow the experimental data trend showing an exponential reduction in peak acceleration with increasing standoff distance until the Mach stem effect reached head height. The Mach stem phenomenon is a shock front formed by the merging of the incident and reflected shock waves; it increases the applied peak pressure and duration of a blast wave thus expanding the potential head injury zone surrounding a raised explosive. The enhanced blast model was in good agreement with experimental data in the near-field, and mid-field; however, overestimated the peak acceleration, and head injury criteria values in the far-field due to an over predicted pressure impulse force. The ALE model also over predicted the response based on the head injury criteria at an increased standoff distance due to smearing of the blast wave over several finite elements leading to an increased duration loading. According to the Abbreviated Injury Scale, the models predicted a maximal level 6 injury for all explosive sizes in the near-field, with a rapid acceleration of the head over approximately 1 ms. There is a drastic exponential reduction in the insult force and potential injury received with increasing standoff distance outside of the near-field region of an explosive charge.