O presente trabalho foi desenvolvido em várias etapas envolvendo desde o estudo do desempenho em fadiga de tubos utilizados em risers rígidos até a avaliação do comportamento em fratura dos mesmos. Inicialmente foi desenvolvido um sistema de ensaios de fadiga de tubos por ressonância. Este sistema constava de cabeças de apoio, sendo o tubo submetido a carregamento cíclico por uma massa excêntrica acionada por um motor elétrico. Com este sistema foram realizados ensaios de fadiga em tubos que continham uma emenda produzida por solda helicoidal. Foram testadas duas séries de tubos, sendo uma sem simulação de bobinamento e outra com simulação de bobinamento. Devido ao fato de que os ensaios de fadiga nestes tubos eram interrompidos quando a trinca se tornava passante, alguns tubos foram submetidos a um carregamento em tração até a ruptura. Assim foi possível avaliar a resistência remanescente e com estes dados comparar com aqueles utilizando-se os ensaios a partir da previsão do comportamento em fratura obtida com corpos de prova da mecânica da fratura. Foram, também, ensaiados por tração tubos com defeitos produzidos por usinagem para comparação do comportamento na fratura com aqueles que possuíam defeitos gerados por fadiga. Com o objetivo de avaliar a possibilidade de utilização de corpos de prova normalizados do tipo SE(B), foram realizados em laboratório, ensaios de tenacidade à fratura em corpos de prova retirados dos tubos. No intuito de avaliar a correspondência de técnicas de simulação numérica foram utilizadas técnicas analíticas por método de elementos finitos para simular o comportamento de trincas em tubos. Estes resultados foram comparados com os obtidos nos ensaios de tração. Também foi realizada a simulação do corpo de prova testado em laboratório com o mesmo objetivo. Foi verificado que o sistema de ensaio sob carregamento cíclico permite a execução de testes de fadiga em tubos. Os tubos testados apresentaram ótimo desempenho em fadiga, sendo os resultados superiores àqueles especificados em norma. Os ensaios de tração nos tubos trincados por fadiga mostram que estes apresentam resistência próxima das do tubo íntegro, mesmo possuindo trinca da ordem de 60 mm de comprimento. Entretanto, os ensaios de laboratório revelaram que os corpos de prova de dimensões reduzidas utilizados para avaliação do comportamento em fratura destes componentes são inadequados. A simulação numérica mostrou-se eficiente na reprodução do comportamento de tubos com trinca não passante e para os corpos de prova de laboratório,não tendo, entretanto, o mesmo sucesso na previsão do comportamento de tubos com trincas passantes. / This work was developed in multiple steps, from the fatigue behavior to fracture evaluation of rigid risers’ pipes. First was developed a resonant fatigue test rig, which consisted of two support heads, with the pipe being submitted to cyclic load by a rotating eccentric mass that was driven by an electric motor. With this rig full-scale fatigue tests were carried out in two sets of middle bias weld pipes. One set was subjected to plastic deformation simulating reeling operation, while the other was not. Since the tests were interrupted when there was a trough the wall crack, some pipes were tested in tension to fracture to evaluate the load capacity of the remaining pipe sections. Pipes with machined defects were also tested, in order to compare their behavior to that of the pipes that had fatigue defects. With the goal of evaluating the possibility of using standard SE(B) specimens, some fracture toughness tests were done in laboratory with specimens extracted from the pipes. In order to evaluate the correspondence of numeric simulation methods to reality, a commercial software was used to simulate the load capacity of the fractured pipe segments and the results were compared with those obtained in the tension to fracture tests. A simulation of the laboratory tested specimen was also done with the same objective. It was evidenced that the resonance fatigue test rig was capable of executing fatigue tests in full-scale pipes. The tested pipes presented good performance under fatigue, being superior to the specified by the standard. The tension to fracture tests done on the cracked pipe segments showed that they have a resistance that is close to that of the non-cracked pipes, even with cracks with lengths of around 60 mm. The laboratory tests proved that the small standard specimens are inadequate to measure the fracture properties of the pipe's material. The numeric simulation showed itself to be efficient in the reproduction of the behavior of pipes with non-trough the wall cracks and of standard specimens, but showed poor agreement with the behavior presented by the pipes with trough-wall cracks.

Dissertação (Mestrado em Engenharia Mecânica) - Centro Universitário FEI, São Bernardo do Campo, 2016.

Dissertação (mestrado)—Universidade de Brasília, Faculdade de Tecnologia, Departamento de Engenharia Civil e Ambiental, 2015. / Comumente, os sistemas estruturais são projetados com modelos determinísticos, desprezando a natureza incerta dos diversos parâmetros determinantes do comportamento estrutural. Além disso, boa parte dos modelos de falha estrutural utilizados nos projetos de dimensionamento não considera o racional mecânico, oriundo da mecânica da fratura na predição do colapso estrutural de sistemas e membros estruturais. Este trabalho estuda o risco estrutural das predições com modelos da Mecânica da Fratura Não-Linear Elástica para materiais e estruturas quasi-frágeis, especialmente para os materiais cimentícios com e sem adição de reciclados. Esta pesquisa implementa um algoritmo para realizar a análise de funções de estado limite não lineares que descrevem o estado limite de ruptura de vigas por propagação instável de trincas. Parâmetros de fratura de materiais cimentícios são extraídos de ensaios de laboratório como especificados nos métodos clássicos: efeito de escala de Bazant (EEB) e modelo de dois parâmetros (MDP). Os resultados quantificam a predição da falha estrutural e probabilidade de fraturamento instável incorporando a influência da variabilidade estatística dos parâmetros dos materiais obtidos em ensaios de laboratório. Os principais parâmetros de fratura investigados são a energia de fratura crítica ( ) e o tamanho equivalente da zona de processo (C). O trabalho faze comparações para medir a confiabilidade entre matérias tais concreto convencional (CONC) e concreto reciclado (FRAP). / Commonly, structural systems are designed with deterministic models, disregarding the uncertain nature of the various relevant parameters of structural behavior. In addition, many of the structural failure models used in design do not consider the fracture mechanics to predict the structural failure or collapse of systems and structural members. This dissertation studies the structural risk predictions considering models of Non-Linear Elastic Fracture for quasi-brittle materials and structures, especially for cement and recycled materials. A algorithm is proposed and implemented to perform the analysis of nonlinear limit state functions that describe the failure state for three-point bending beams for unstable crack propagation. Cementitious materials fracture parameters are extracted from laboratory tests as specified in the classical methods Bazant’s size effect model (EEB) and two-parameter fracture model (MDP). The results quantify the prediction of structural failure and unstable fracture probability incorporating the influence of statistical variability of the parameters of the materials obtained in laboratory tests. The main investigated fracture parameters are the critical fracture energy (Gf) and the equivalent size of the process zone (C). This work also compares the reliability index for beams of conventional concrete (CONC) and recycled concrete (FRAP).

Este trabalho apresenta uma abordagem numérica da fratura baseada no Método dos Elementos Finitos na qual são considerados materiais frágeis como objeto de estudo. As simulações realizadas são possíveis através de um algoritmo computacional que consiste na implementação de molas entre as faces dos elementos finitos. Esta composição constitui o método denominado Interfaces Coesivas. As molas fornecem o efeito de coesão e é representado por leis constitutivas do tipo bi-linear. Sua descrição é apresentada, bem como sua implementação na análise. Tanto o modo I como o modo II de ruptura são considerados. Com o objetivo de verificar o presente modelo com outros resultados e soluções, são analisados exemplos numéricos e experimentais extraídos da literatura. Tais exemplos tratam da nucleação, propagação e eventuais paradas de trincas em peças estruturais submetidas aos mais diversos carregamentos e condições de contorno. É ainda discutido como os parâmetros de fratura do material interferem no processo de ruptura. Uma tentativa é feita de determinar estes parâmetros, em especial no caso de concreto.

O objetivo deste trabalho foi estudar o comportamento de trilhos ferroviários, avaliando parâmetros como o desempenho frente à propagação de trincas e a tenacidade à fratura que são fundamentais para sua utilização mais segura. Neste trabalho foram realizados ensaios de qualificação (caracterização mecânica e metalúrgica) de dois trilhos utilizados em ferrovias brasileiras que consistiram em análises química, macro e microestrutural, ensaios de dureza, determinação de tenacidade à fratura (KIC) e determinação de curvas da/dN x ∆K. Uma vez determinadas as características mecânicometalúrgicas dos trilhos, foram analisados o crescimento de defeitos transversais internos através de fórmulas da mecânica da fratura aplicada à fadiga, desenvolvidas por Orringer e outros, que permitem determinar: o tamanho do defeito no qual a falha no trilho pode ser esperada (quando o trem viaja sobre o mesmo) e o tempo para que o defeito cresça de um certo tamanho até um tamanho crítico (vida remanescente) no qual a falha é esperada. Também foi levada em conta a influência do nível de desgaste no boleto. Dentre os fatores que apresentaram maior influencia, destacam-se a temperatura de trabalho, o tamanho inicial do defeito e a tensão residual. Além disso, os resultados obtidos podem ser aplicados para desenvolver intervalos estratégicos de inspeção de tolerância ao dano.

Neste trabalho, aplicando-se metodologia da mecânica da fratura dependente do tempo, analisa-se o comportamento de corpos de prova pré-trincados do aço API P22 de tubulação petroquímica, na forma usada (1 20.000 horas de trabalho a 538OC e a 115 Kgf/cm2 de pressão de vapor), e nova (sem uso), em testes de fadiga, fadiga-fluência em ondas trapezoidais de carregamento, e fluência com carga constante, aplicada por meio de pesos mortos, todos realizados a 538OC. Nas diversas condições de ensaio planejadas, pôde-se comparar o desempenho do material novo com o usado. Concluiu-se que o material usado tem melhor desempenho nas condições de fadiga testadas. Nas condições de fluência o material novo mostrou-se com melhor desempenho. E nas condições de fadigafluência, dependendo do tempo de espera (ou de aplicação do carregamento) observou-se a existência de um tempo de transição além do qual as condições de fadiga-fluência aumentam o tempo de ruptura, tornando a fluência simples mais prejudicial. Conclui-se então que numa situação de análise de integridade estrutural, das três situações de carregamento analisadas (fadiga, fadiga-fluência e fluência), fadiga pura é mais danosa, sendo o fator limitante de vida (em tempos de espera curtos ou altas frequências). E, dependendo do tempo de espera, ou de aplicação de carga, a interação entre a fadiga e a fluência pode ser o fator limitante, sendo mais perigosa que a fluência simples. / In this work the time dependent fracture mechanics methodology is applied to the analysis of the behavior of pre-cracked specimens of API P22 steel pipe used in a petrochemical industry. Samples of new material and specimens extracted from a pipe in service for 120000 hours at a pressure of 115 Kgf/cm2 of steam at 538OC, were tested. Fatigue tests, fatigue-creep interaction tests with trapezoidal loading, and creep tests at constant load were performed at 538OC. The results showed that for all the conditions of the fatigue test, the used material had the best performance. However, the creep resistance of the new material was superior. In the fatigue-creep tests it was observed the existence of a hold time transition above which the time for rupture grows rapidly a simple creep for the same load is more critical. Overall we conclude that for the structural integrity analysis, for short hold times, fatigue is the most important factor and should be considered for the lifetime evaluation. When comparing creep with fatigue-creep behavior a threshold was observed, for long hold times simple creep was dominant, while the interaction fatigue-creep was more important for shorter periods.

O presente trabalho tem como objetivo avaliar o limite de instabilidade à fratura para dutos submarinos instalados pelo método de bobinamento (Reeling Method), determinando o estiramento máximo admissível para uso em análises de integridade estrutural através de correlações com corpos de prova SENT (Single Edge Notched Tension). A Norma DNV-RP-F108, que orienta testes e análises para controle de fratura em linhas de dutos sujeitas a ciclos de deformação plástica, recomenda 1 mm como limite para crescimento estável de trinca durante toda a etapa de instalação. Este limite tem sido questionado, visto que é apenas uma recomendação e um aumento nesse limite pode resultar em um critério de soldagem menos restritivo, evitando-se assim reparos desnecessários. Para verificar as implicações do uso de estiramentos maiores que o recomendado, foi realizado uma análise de integridade (ECA – Engineering Critical Assessment) segundo o nível 3B da BS 7910:2005 com as modificações propostas pela DNV. Para esse nível de avaliação é necessário o levantamento de curvas de resistência à fratura (J-R) do material para avaliação dos pontos de interesse, bem como curvas tensãodeformação para a confecção do diagrama FAD (Failure Assessment Diagram). Com base nas análises realizadas, foi proposto o uso de Jm (Integral J no ponto de máximo carregamento) como critério para determinação dos estiramentos máximos admissíveis, levando em consideração a profundidade do defeito e a curva de resistência a propagação de trinca J-R. / This study aims to evaluate the limit of the fracture instability for submarine pipelines installed by the Reeling Method, determining the maximum allowable ductile tearing for use in analysis of structural integrity through correlations with SENT specimens (Single Edge Notched Tension). The Standard DNV-RP-F108, which gives guidance to testing and analysis of fracture of pipelines subject to cycles of plastic deformation, recommends 1 mm as threshold for stable crack growth during the installation phase. This limit has been questioned, since it is only a recommendation and an increase in that limit can result in a less restrictive criterion for welding, thus avoiding unnecessary repairs. To check the implications of the use of tearing bigger than that, was conducted an analysis of integrity (ECA - Engineering Critical Assessment) according to the level 3B of BS 7910:2005 with the amendments proposed by DNV. For this level of assessment is needed to evaluate curves of the fracture resistance (J-R) of the material for assessment of the interest points as well the stress-strain curves for the construction of the FAD (Failure Assessment Diagram). Based on the analysis undertaken, it was proposed the use of Jm (J Integral at the maximum loading point) as a criterion for determining the maximum stable crack growth, taking into account the depth of the flaw and the crack growth resistance curve J-R.

O presente trabalho tem como objetivo determinar a pressão de colapso de tubos API 5L X56 de parede fina com trincas longitudinais internas e externas submetidas a pressão interna. Foi utilizado o método R6 conforme a norma BS7910:1999 e a Análise por Elementos Finitos. Foram feitos ensaios de tração e de caracterização da tenacidade do material utilizado por integral J, assim como o modelamento por Elementos Finitos do tubo e a aplicação dos “Failure Assessment Diagram” FAD para determinar a pressão de colapso. Verificou-se que para trincas internas a pressão de colapso é levemente maior que em trincas externas. Isto é mais acentuado para trincas com uma profundidade maior que a metade da parede do tubo. As predições da pressão de colapso em função do tamanho da trinca do método R6 em comparação com alguns resultados experimentais mostraram uma precisão satisfatória, porem em alguns casos não conservadora.

O presente trabalho foi desenvolvido em várias etapas envolvendo desde o estudo do desempenho em fadiga de tubos utilizados em risers rígidos até a avaliação do comportamento em fratura dos mesmos. Inicialmente foi desenvolvido um sistema de ensaios de fadiga de tubos por ressonância. Este sistema constava de cabeças de apoio, sendo o tubo submetido a carregamento cíclico por uma massa excêntrica acionada por um motor elétrico. Com este sistema foram realizados ensaios de fadiga em tubos que continham uma emenda produzida por solda helicoidal. Foram testadas duas séries de tubos, sendo uma sem simulação de bobinamento e outra com simulação de bobinamento. Devido ao fato de que os ensaios de fadiga nestes tubos eram interrompidos quando a trinca se tornava passante, alguns tubos foram submetidos a um carregamento em tração até a ruptura. Assim foi possível avaliar a resistência remanescente e com estes dados comparar com aqueles utilizando-se os ensaios a partir da previsão do comportamento em fratura obtida com corpos de prova da mecânica da fratura. Foram, também, ensaiados por tração tubos com defeitos produzidos por usinagem para comparação do comportamento na fratura com aqueles que possuíam defeitos gerados por fadiga. Com o objetivo de avaliar a possibilidade de utilização de corpos de prova normalizados do tipo SE(B), foram realizados em laboratório, ensaios de tenacidade à fratura em corpos de prova retirados dos tubos. No intuito de avaliar a correspondência de técnicas de simulação numérica foram utilizadas técnicas analíticas por método de elementos finitos para simular o comportamento de trincas em tubos. Estes resultados foram comparados com os obtidos nos ensaios de tração. Também foi realizada a simulação do corpo de prova testado em laboratório com o mesmo objetivo. Foi verificado que o sistema de ensaio sob carregamento cíclico permite a execução de testes de fadiga em tubos. Os tubos testados apresentaram ótimo desempenho em fadiga, sendo os resultados superiores àqueles especificados em norma. Os ensaios de tração nos tubos trincados por fadiga mostram que estes apresentam resistência próxima das do tubo íntegro, mesmo possuindo trinca da ordem de 60 mm de comprimento. Entretanto, os ensaios de laboratório revelaram que os corpos de prova de dimensões reduzidas utilizados para avaliação do comportamento em fratura destes componentes são inadequados. A simulação numérica mostrou-se eficiente na reprodução do comportamento de tubos com trinca não passante e para os corpos de prova de laboratório,não tendo, entretanto, o mesmo sucesso na previsão do comportamento de tubos com trincas passantes. / This work was developed in multiple steps, from the fatigue behavior to fracture evaluation of rigid risers’ pipes. First was developed a resonant fatigue test rig, which consisted of two support heads, with the pipe being submitted to cyclic load by a rotating eccentric mass that was driven by an electric motor. With this rig full-scale fatigue tests were carried out in two sets of middle bias weld pipes. One set was subjected to plastic deformation simulating reeling operation, while the other was not. Since the tests were interrupted when there was a trough the wall crack, some pipes were tested in tension to fracture to evaluate the load capacity of the remaining pipe sections. Pipes with machined defects were also tested, in order to compare their behavior to that of the pipes that had fatigue defects. With the goal of evaluating the possibility of using standard SE(B) specimens, some fracture toughness tests were done in laboratory with specimens extracted from the pipes. In order to evaluate the correspondence of numeric simulation methods to reality, a commercial software was used to simulate the load capacity of the fractured pipe segments and the results were compared with those obtained in the tension to fracture tests. A simulation of the laboratory tested specimen was also done with the same objective. It was evidenced that the resonance fatigue test rig was capable of executing fatigue tests in full-scale pipes. The tested pipes presented good performance under fatigue, being superior to the specified by the standard. The tension to fracture tests done on the cracked pipe segments showed that they have a resistance that is close to that of the non-cracked pipes, even with cracks with lengths of around 60 mm. The laboratory tests proved that the small standard specimens are inadequate to measure the fracture properties of the pipe's material. The numeric simulation showed itself to be efficient in the reproduction of the behavior of pipes with non-trough the wall cracks and of standard specimens, but showed poor agreement with the behavior presented by the pipes with trough-wall cracks.

O presente trabalho tem como objetivo determinar a pressão de colapso de tubos API 5L X56 de parede fina com trincas longitudinais internas e externas submetidas a pressão interna. Foi utilizado o método R6 conforme a norma BS7910:1999 e a Análise por Elementos Finitos. Foram feitos ensaios de tração e de caracterização da tenacidade do material utilizado por integral J, assim como o modelamento por Elementos Finitos do tubo e a aplicação dos “Failure Assessment Diagram” FAD para determinar a pressão de colapso. Verificou-se que para trincas internas a pressão de colapso é levemente maior que em trincas externas. Isto é mais acentuado para trincas com uma profundidade maior que a metade da parede do tubo. As predições da pressão de colapso em função do tamanho da trinca do método R6 em comparação com alguns resultados experimentais mostraram uma precisão satisfatória, porem em alguns casos não conservadora.