O Método dos Elementos Finitos Generalizados (MEFG) tem se mostrado uma ferramenta bastante eficaz para a obtenção de soluções dos problemas da Mecânica da Fratura. O MEFG/MEFX permite que trincas estejam imersas na malha de elementos, o que contribui para a redução do custo computacional. Particularmente, ao se tratar da modelagem do processo de propagação, a combinação do método geométrico denominado level-set com o MEFG/MEFX traz a vantagem de permitir descrever mais claramente o posicionamento e o caminho de propagação da trinca. A previsão das soluções dos problemas de fratura obtidas com o MEFG/MEFX o indicam como ferramenta importante para a simulação de processos que envolvem carregamento repetido e previsão de resposta em fadiga. Nesse contexto, a vida em fadiga é um dos principais fatores determinantes na análise de integridade estrutural. Esta pesquisa tem por objetivo avaliar, mediante simulações numéricas, a representatividade e as dificuldades da aplicação do MEFG/MEFX, combinado ao método level-set, para a estimativa de vida em fadiga de elementos estruturais aeronáuticos. Consideram-se abordagens estática e cinemática, de um modo geral e em particular para as análises em fadiga. A abordagem estática requer precisão na determinação dos fatores de intensidade de tensão. A abordagem cinemática inclui a propagação da trinca. Os exemplos considerados consistem em problemas planos e tridimensionais. As ferramentas empregadas são códigos computacionais para o MEFG/MEFX: MXFEM e ABAQUS. Conclui-se que o MEFG/MEFX pode se constituir em instrumento de grande interesse para a indústria aeronáutica, ao permitir análises de integridade estrutural que viabilizam a definição de um plano de inspeção personalizado para os operadores. Além disso, o uso do MEFG/MEFX no campo de definição e projeto de reparos estruturais também é algo promissor, dadas suas características e vantagens demonstradas neste trabalho. / The Generalized Finite Element Method (GFEM) has proved to be a very effective tool for obtaining solutions to the problems of Fracture Mechanics. The GFEM/XFEM allows cracks to be immersed in a finite the element mesh, which contributes to the reduction of the computational cost. Particularly, regarding modeling the propagation process, the combination of the geometric method called \'level-set\' with the GFEM/XFEM has the advantage of being able to describe more clearly the positioning and propagation path of the crack. The prediction of solutions of the fracture problems obtained with the GFEM/XFEM indicate it as an important tool for the simulation of processes involving repeated loading and prediction of fatigue response. In this context, life in fatigue is one of the main determining factors in the structural integrity analysis. The aim of this research was to evaluate the representativeness and difficulties of the application of the GFEM/XFEM, combined with the \'level-set\' method, to estimate fatigue life of aeronautical structural elements using numerical simulations. Static and kinematic approaches were considered, and in particular for fatigue analysis. The static approach requires precision in the determination of the stress intensity factors. The kinematic approach includes the propagation of the crack. The considered examples consist of plane and three-dimensional problems. The tools used are computational codes for the GFEM/XFEM: MXFEM and ABAQUS. As a conclusion, the GFEM/XFEM can be an instrument of great interest for the aeronautical industry, allowing structural integrity analyzes that allow the definition of a personalized inspection plan for the operators. In addition, the use of GFEM/XFEM in the field of definition and design of structural repairs is also promising, given its characteristics and advantages demonstrated in this work.

Este trabalho apresenta o desenvolvimento de procedimentos para a medição de curvas de resistência J-R em espécimes SE(T) usando os métodos de flexibilidade elástica e método n. Uma descrição da metodologia sobre a qual J e o crescimento de trinca são medidos estabelece o contexto para determinar dados de resistência ao rasgamento dúctil com o emprego de curvas carga vs. deslocamento obtidas experimentalmente. A extensiva matriz de análises em estado plano de deformações de espécimes SE(T) complementada, em algumas geometrias selecionadas, com análises 3D permite a determinação numérica da flexibilidade adimensional, u, e fatores nJ e Y para uma grande faixa de proporções geométricas e propriedades de material características de aços estruturais e para dutos. Ensaios laboratoriais de um aço API 5L X60 à temperatura ambiente usando espécimes SE(T) carregados por pinos com entalhes laterais (side-grooves) fornecem os dados de carga e deslocamento necessários para validar o procedimento para determinar curvas de resistência do material. Os resultados apresentados nesta tese fornecem uma base de soluções para o futuro estabelecimento de norma padronizada para a medição experimental de curvas J-R em corpos de prova SE(T) mecanicamente similares a dutos com defeitos bidimensionais. / This work provides an estimation procedure to determine J-resistance curves for pinloaded and clamped SE(T) fracture specimens using the unloading compliance technique and the n-method. A summary of the methodology upon which J and crack extension are derived sets the necessary framework to determine crack resistance data from the measured load vs. displacement curves. The extensive plane-strain analyses and key 3D results enable numerical estimates of the nondimensional compliance, u , and parameters n and Y for a wide range of specimen geometries and material properties characteristic of structural and pipeline steels. Laboratory testings of an API 5L X60 steel at room temperature using pin-loaded SE(T) specimens with side-grooves provide the load-displacement data needed to validate the estimation procedure for measuring the crack growth resistance curve for the material. The results presented in the this thesis produce a representative set of solutions which lend further support to develop standard test procedures for constraint-designed SE(T) specimens applicable in measurements of crack growth resistance for pipelines.

O polietileno de média densidade (PEMD) é um polímero termoplástico parcialmente cristalino, cujo uso tem crescido bastante em aplicações de engenharia, como em tubos plásticos para sistemas de distribuição de água e de gás. Sob carga constante, entretanto, este material pode eventualmente apresentar fratura por fluência, por meio de um mecanismo de crescimento lento de trincas, provocando acentuadas perdas por vazamento nos sistemas. Os métodos atuais empregados pela indústria para estimar a durabilidade dos tubos são caros, demorados, pouco práticos e imprecisos. Busca-se o desenvolvimento de técnicas mais eficientes, sendo que os métodos da mecânica da fratura são promissores no sentido de descrever a etapa de propagação da trinca. Ensaios de mecânica da fratura, entretanto, requerem a introdução de pré-trincas nos corpos de prova. Sabe-se que as técnicas artificiais de introdução de pré-trincas causam algum tipo de dano na matriz polimérica, que pode ou não afetar os resultados dos ensaios, dependendo dos eventos que ocorrerem após o carregamento inicial. A principal propriedade requerida de um método de introdução de pré-trinca, portanto, é reprodutibilidade. Neste estudo foram aplicados três importantes métodos de mecânica da fratura ao PEMD e investigados os efeitos de diferentes técnicas de introdução de pré-trincas sobre os resultados dos ensaios e sobre as estruturas de deformação na matriz do material na ponta da trinca. Os ensaios de tenacidade à fratura no estado plano de deformação - KIc - foram realizados em condições criogênicas, em vista do comportamento dúctil do material à temperatura ambiente, sendo que a estratégia mostrou-se satisfatória. Os resultados dos ensaios de Integral-J sugerem que o método pode não ser aplicável ao PEMD, devido ao peculiar mecanismo de fratura do material. O método do trabalho essencial de fratura - EWF - se aplica bem ao PEMD. Os resultados dos ensaios de KIc e EWF demonstraram que diferentes técnicas de introdução de pré-trincas provocam diferentes estruturas de deformação no material na ponta da trinca e afetam os resultados de ensaios de fratura no PEMD. Os resultados de EWF demonstraram ainda que o processamento também afeta as propriedades de fratura do material. É proposta uma nova técnica para a introdução de pré-trincas, com características mais naturais, a qual requer estudos complementares para seu aperfeiçoamento. / Medium density polyethylene (MDPE) is a semicrystalline thermoplastic polymer that has been increasingly used in engineering applications, as plastic pipes for water and gas distribution systems. Under constant load, however, this material may occasionally present creep failure, by means of a mechanism of slow crack growth, leading to leakage losses in the systems. Current methods used by industry to estimate durability of pipes are expensive, time consuming, non practical and inaccurate. The development of more efficient methods is a common target and fracture mechanics methods are promising in describing the crack propagation stage. Fracture mechanics testing methods, however, require the introduction of pre-cracks into the specimens. It is known that artificial methods of introducing pre-cracks produce some damage on the polymeric matrix, which may or not affect the results of tests, depending on the events that occur after the initial loading. Main propriety required of a pre-crack introducing method, therefore, is reproducibility. In this study three important fracture mechanics methods were applied to MDPE and the effects of different methods of pre-cracking over test results and over deformation structures of material matrix at the crack tip were investigated. Plane-strain fracture toughness - KIc tests were performed under cryogenic conditions, in view of the ductile behavior of material at room temperature and this strategy was well succeed. Results of Integral-J tests suggest that this method may not be applicable to MDPE, due to the peculiar fracture mechanism of the material. The essential work of fracture method EWF is well suited to study MDPE. The results of KIc and EWF tests showed that different pre-cracking methods cause different deformation structures in the material at the crack tip and affect the fracture tests with MDPE. EWF results showed also that the processing affect the fracture properties of materials too. It is proposed a new method for introducing pre-cracks, with more natural characteristics that requires complementary studies for its improving.

Este trabalho apresenta dois métodos para a determinação da resistência residual e da tensão de ligamento em elementos estruturais que possuem trincas em mútiplas regiões. Este assunto, que ganhou notoriedade após o acidente com o Boeing 737 da Aloha Airlines (em 1988), é comumente referenciado pela abreviatura MSD (Multiple Site Damage) e, atualmente, é objeto de numerosas pesquisas financiadas pela indústria aeronáutica e por autoridades de aeronavegabilidade.O primeiro método é conhecido por método do ligamento da seção remanescente. A sua hipótese básica admite que a união entre duas trincas vizinhas ocorre quando as suas zonas plásticas se tocam. O método é bastante intuitivo e ganhou popularidade devido à sua simplicidade e razoável precisão, adequadas a fases preliminares de projeto. O segundo método é especialmente indicado para estruturas de materiais dúcteis, que apresentam significativa plastificação anterior à falha. Um exemplo típico dessas estruturas são os revestimentos das fuselagens de aviões, usualmente feitos de ligas dúcteis de alumínio. Este método é baseado no conceito do CTOA (crack tip opening angle), que foi introduzido em 1963, e tem recebido atenção, no estudo de MSD, desde o começo da década de 90. Recentemente, foi a abordagem escolhida pela NASA para avaliar, do ponto de vista da mecânica da fratura, um módulo da Estação Espacial Internacional. Os dois métodos são aplicados na investigação de MSD em diferentes corpos de prova padronizados, bem como em estruturas aeronáuticas mais representativas, tais como painéis reforçados. Os resultados obtidos por ambos os métodos são comparados com dados experimentais encontrados na literatura. As comparações mostram que o método do ligamento pode ser excessivamente conservativo em diversas situações, enquanto que o método do CTOA conduz a resultados que possuem excelente correlação com os dados experimentais para todos os exemplos estudados.

Durante os processos de inspeções e avaliações de integridade, cabe ao engenheiro decidir sobre a rejeição ou aprovação de defeitos encontrados em uma estrutura.Nestas circunstâncias, a padronização de procedimentos vinculados à mecânica da fratura tende a aumentar a disponibilidade operacional, reduzir o número de intervenções e garantir alto grau de segurança. Desta forma, apresentamos neste texto dois procedimentos para determinação do fator de intensidade de tensões. Primeiramente, será utilizado o procedimento inglês BS-7910 posteriormente, o fator de intensidade de tensões será obtido através do método de elementos finitos. Os resultados são comparados e discutidos possibilitando assim, razoável contribuição nas avaliações pela mecânica da fratura.

Este trabalho trata da aplicação do conceito de elemento singular híbrido na determinação dos fatores de intensidade de tensão e da tensão T em sólidos isotrópicos, sujeitos a um estado plano de tensões ou a um estado plano de deformações. Inicialmente é feita uma breve revisão da aplicação do método de elementos finitos na mecânica da fratura, ressaltando a necessidade da utilização dos elementos finitos singulares. Todas as etapas envolvidas na formulação do superelemento singular híbrido de equilíbrio, introduzido por Tong et al. (85), são detalhadamente desenvolvidas. A formulação abrange superelementos com funções de interpolação lineares, bilineares e quadráticas, possibilitando a sua utilização com vários elementos convencionais formulados pelo método dos deslocamentos. Um código computacional foi implementado e o método aplicado na análise de várias configurações típicas de placas retangulares com trincas, inclusive um painel com reforçadores. Os resultados obtidos apresentam boa concordância com dados da literatura. Por último, é realizada uma comparação com métodos que utilizam os elementos finitos distorcidos ("quarter-point elements"), confirmando a maior precisão dos resultados obtidos com o uso dos elementos singulares híbridos.

Embora os materiais compósitos possuam diversas vantagens em relação aos metálicos, uma de suas desvantagens é a baixa resistência à delaminação, um dos modos mais comuns de falha de estruturas em materiais compósitos. O objetivo deste trabalho é obter valores de resistência à fratura interlaminar, para um laminado com camadas de carbono-epoxi a 0 pré-impregnadas, à temperatura ambiente. Foram realizados os ensaios DCB (Double Cantilever Beam) para o modo I (abertura), 4ENF (Four Point End Notched Flexure) para modo II (cisalhamento) e MMB (Mixed Mode Bending) para o modo misto. Os ensaios DCB e MMB seguiram normas ASTM, enquando o 4ENF foi realizado seguindo procedimentos desenvolvidos pelo MERL (Materials Engineering Research Laboratory). O ensaio MMB foi realizado com as razões de mixidade de 25, 50 e 75%. Além disso, foi avaliado o método de redução de dados CBBM (Compliance Based Beam Method) para o ensaio DCB, no qual não é necessário medir o comprimento de delaminação durante o ensaio. Finalmente, foi discutida a correlação entre e através do envelope de falha do material e a influência do uso de tecido de fibra de carbono nos resultados de tenacidade à fratura interlaminar.

Determinação do fator intensidade de tensões numa casca cilíndrica com trinca longitudinal, considerando a Mecânica da fratura linear elástica e utilizando o método de Elementos Finitos. Na extremidade da trinca foi utilizado um elemento distorcido (quarter-point element) retangular.

Nesse trabalho desenvolve-se um procedimento analítico aplicado à análise de integridade estrutural. As condições estudadas e avaliadas são aquelas em que predomina um processo de instabilidade dúctil. O trabalho é desenvolvido a partir do modelo ETM (Engineering Treatment Model), e as formulações desenvolvidas descrevem o comportamento das curvas de força motriz em termos da Integral-J. Modificações são introduzidas considerando-se que as propriedades do material são bem representadas pela expressão constitutiva de Swift: s = A (e0 + e)n. Sendo assim, o encruamento inicial (e0) torna-se um parâmetro adicional de análise de integridade de estruturas trincadas. Além disso, a tensão efetiva é dada em função da anisotropia normal R do material, possibilitando assim, incorporar esse efeito na análise. Um procedimento alternativo simplificado via Diagrama de Análise de Falhas (FAD) também é apresentado. A avaliação do desempenho do modelo apresentado é feita através da comparação entre os valores previstos com aqueles obtidos experimentalmente para a liga de alumínio 5083F, utilizando CDP's do tipo compacto (CT) e comprimentos relativos de trincas: a/W = 0,51 e a/W = 0,55. Avalia-se as condições de instabilidade através das metodologias EPRI e ETM, comparando-as com a proposta no presente trabalho. A partir das simulações e dos resultados obtidos comprova-se a validade da metodologia proposta.

A pesquisa contribui na estruturação de um modelo que possa ser aplicado ao projeto de restauração de pavimentos severamente trincados com o uso de sistemas anti-reflexão de trincas. Foram considerados dois sistemas usuais: camada de desvio de trincas com membrana intermediária de geotêxtil impregnado por asfalto, e camada intermediária de absorção de tensões através de grelha polimérica. A quantificação do desempenho obtido com a inserção dessas camadas intermediárias em relação ao desempenho da técnica convencional de recapeamento simples em concreto asfáltico foi feita de duas formas. Na primeira, ensaios de fadiga dinâmicos foram executados em vigotas prismáticas concebidas de modo a simular um pavimento trincado que tenha sido restaurado através de uma das técnicas aqui avaliadas, com aplicação de carga em duas posições críticas em relação à trinca subjacente: flexão e cisalhamento. Na segunda, um trecho experimental foi implantado em uma rodovia para estudo do desempenho relativo de seções restauradas com e sem o uso de membrana intermediária de geotêxtil. Os ensaios de laboratório mostraram que os principais fatores estruturais envolvidos (carga aplicada, abertura da trinca subjacente) não afetaram significativamente o Fator de Efetividade (incremento da vida de fadiga em relação ao recapeamento simples), sendo possível atribuir um fator igual a 5 para a grelha polimérica e um fator por volta de 2 para o geotêxtil. Enquanto o efeito do geotêxtil na posição cisalhante de carregamento foi pequeno (fator entre 1,3 e 1,6), o efeito da grelha foi significativo (fator entre 4,45 e 6,14). A grelha é mais recomendável, portanto, para situações onde a atividade das trincas seja elevada e a camada trincada seja mais espessa. O desempenho do trecho experimental confirmou o fator de efetividade de laboratório para as seções restauradas com o uso de geotêxtil, no que diz respeito ao trincamento por reflexão da camada asfáltica de recapeamento. Com relação aos mecanismos envolvidos na ação das camadas intermediárias aqui avaliadas, foram confirmadas observações de outros estudos com relação ao redirecionamento para a horizontal da trinca de reflexão no caso do geotêxtil. A ação da grelha foi no sentido de impedir a formação de uma única trinca de reflexão que monopolizasse a dissipação de energia em sua extremidade, forçando, ao contrário, o surgimento de muitas microfissuras distribuídas sobre um volume maior dentro da camada, com padrão errático de propagação, menores velocidades de crescimento e menor severidade. A simulação do ensaio através do Método dos Elementos Finitos explica o mecanismo observado em laboratório.