O fraturamento hidráulico é uma das técnicas de estimulação mais utilizadas pela indústria petrolífera. Esta técnica permite o aumento de produtividade de poços com baixo custo. Essa técnica consiste em induzir a propagação de fissuras nas rochas por meio de uma pressão externa. Assim, modelos para a simulação da propagação de fissuras em tais condições tornam-se de grande importância. O presente trabalho apresenta uma contribuição ao estudo da propagação de fissuras durante o fraturamento hidráulico. Um modelo numérico baseado no Método dos Elementos Finitos será apresentado. Teorias da mecânica da fratura elástico linear são aplicadas e a propagação de fissuras durante o faturamento hidráulico é modelada, tendo como processador das análises a ferramenta numérica FRANC 2D. Os resultados obtidos pelo modelo numérico são comparados com respostas apresentadas na literatura. Boa concordância é observada entre os resultados. Em especial, para os valores da pressão de quebra e o raio de reorientação. / Fracking is one of the most used stimulation techniques by the oil and gas industry. This technique allows the increase of productivity of wells with low cost. Consists in inducing the propagation of cracks in the rocks by means of an external pressure. Thus, models for simulating the propagation of cracks in such conditions become of great importance. This work presents a contribution to the study of the propagation of cracks during the fracking. A numerical model based on the Finite Element Method will be presented. Theories of linear elastic fracture mechanics are applied and the propagation of cracks during hydraulic billing is modeled, with the FRANC 2D numerical tool as the analysis processor. The results obtained by the numerical model are compared with answers presented in the literature. Good agreement is observed among the results. In particular, for the values of the breakdown pressure and the reorientation radius.

Este trabalho investiga o comportamento dúctil de aços microligados classe API utilizado em tubulações na indústria do petróleo, e apresenta um estudo exploratório da aplicação da abordagem local e do modelo micromecânico de células computacionais para modelar a extensão estável de trinca em Modo I de abertura em aço ARBL. Ensaios laboratoriais na temperatura ambiente do aço API 5L X70 (utilizando corpos-de-prova normalizados) fornecem a curva de resistência à fratura (curva-R) do material. Esta curva foi utilizada para calibrar os parâmetros micromecânicos de células computacionais empregados no modelo. Este modelo foi utilizado para prever a pressão de colapso de dutos de paredes finas utilizados no transporte de gás, que apresentam defeitos longitudinais de diferentes razões entre profundidade de trinca e espessura de parede (a/t). As análises numéricas realizadas demonstram a capacidade da metodologia de células computacionais 2D em simular o rasgamento dúctil e o crescimento estável de trincas em corpos-de-prova de mecânica da fratura, assim como prever a pressão de colapso de estruturas tubulares contendo defeitos (trincas). / This study presents the experimental investigation of the ductile behaviour of microalloyed pipeline steel. Additionally, it extends the computational cell methodology to model Mode I crack extension in a high strength low alloy HSLA steel. Laboratory testing of an API 5L X70 steel at room temperature using standard, deep crack C(T) specimens provides the crack growth resistance curve to calibrate the micromechanics cell parameters for the material. The cell model incorporating the calibrated material-specific parameters is then applied to predict the burst pressure of a thin-walled gas pipeline containing longitudinal cracks with varying crack depth to thickness ratios (a/t). The numerical analyses demonstrate the capability of the computational cell approach to simulate ductile crack growth in fracture specimens and to predict the burst pressure of thin-walled tubular structures containing crack-like defects.

Este trabalho investiga a possível correlação existente entre os baixos valores de CTOD e a ocorrência de zonas frágeis localizadas (ZFL) presentes na região de grãos grosseiros (RGG) da zona termicamente afetada (ZTA) de uma junta soldada de aço API 5L X80. Para isto, foi necessário obter corpos-de-prova SE(B) a partir de uma chapa de aço API 5L X80 a qual foi soldada numa junta ½V, para facilitar o posicionamento do entalhe na RGG da ZTA. As dimensões dos corpos-de-prova SE(B) utilizados foram espessura B=17mm, largura W=34mm, distância entre os apoios dos roletes S=138mm e uma relação entre o tamanho de trinca (a) e a largura, a/W=0,5. O entalhe posicionado na RGG da ZTA tem por objetivo evidenciar o efeito de ZFL e para tal os ensaios foram conduzidos nas temperaturas de -40ºC, - 50ºC e -70ºC. Os resultados de CTOD crítico obtidos neste estudo sugerem indícios de severa degradação da tenacidade na RGG da ZTA, provavelmente associada à formação de ZFL. / This work evaluates the possible correlation between low fracture toughness (critical CTOD) and local brittle zones (LBZ) occurrences in heat affected zone (HAZ) coarse grain regions. The fracture toughness of a welded API 5L X80 steel was characterized using SE(B) specimens for CTOD determination with notches located in the HAZ. The specimen dimensions are thickness B=17mm, width W=34mm, span S=138mm and crack length to width ratio, a/W=0,5. The effects of LBZ are evaluated through tests carried out in temperatures of -40ºC, -50ºC and -70ºC. The critical CTOD values obtained in this work had presented low fracture toughness and these results can be attributed to local brittle zones formed in the welding process.

Embora sejam reconhecidas diversas vantagens na adição de fibras curtas de aço ao concreto (CRFA), em especial o ganho de tenacidade, pouco se sabe a respeito da fluência desses materiais compostos. Este trabalho teve como objetivo principal investigar o potencial e as dificuldades inerentes de um método de avaliação experimental da fluência pelo ensaio de vigas, como possível alternativa aos ensaios de compressão axial já consagrados. Ao mesmo tempo, considerando a nova tendência de exploração de compósitos híbridos - formados por fibras de diferentes características, de modo a obter respostas adequadas aos processos de micro e macrofissuração - tomou-se como objeto de estudo experimental um conjunto de modelos e corpos-de-prova de CRFA comum e de CRFA híbrido, este formado pela combinação de fibras de aço de diferentes comprimentos, umas mais longas e outras mais curtas. Para caracterização dos materiais, foram efetuados ensaios para determinação das principais propriedades mecânicas de interesse em distintas idades. As proporções da mistura adotada neste programa experimental foram baseadas em dados de estudos anteriores, que suscitaram investigações mais detalhadas. Entretanto, neste particular programa de ensaios, a adição das fibras, principalmente as mais curtas, acarretou maior teor de ar incorporado ao compósito, o que penalizou o seu desempenho em alguns aspectos. Os resultados desses ensaios demonstraram pouca influência das fibras sobre as propriedades de resistência à compressão, módulo de elasticidade e resistência à tração por compressão diametral. Quanto à fluência, o desempenho do CRFA e do compósito híbrido foi inferior ao da matriz. Por outro lado, notou-se maior restrição à retração do concreto com a adição de fibras. Na análise dos resultados experimentais, o estudo das flechas diferidas foi efetuado pelas correspondentes deformações, para interpretação do fenômeno por meio das curvas de fluência específica. O ajuste de resultados experimentais para curvas de fluência específica demonstrou que a fluência em vigas, apesar de apresentar - comparativamente aos modelos teóricos fundamentados em ensaios de compressão - maior taxa inicial, maiores coeficientes de fluência e estabilização aparentemente mais rápida, pode ser representada por modelos teóricos semelhantes aos usuais. As curvas de tendência determinadas para a matriz foram comparadas com aquelas derivadas de expressões dadas por normas técnicas (NBR 6118:2003 e ACI209:1982), assim como com as obtidas em simulações numéricas efetuadas como software DIANA®. A fluência também foi avaliada experimentalmente em vigas entalhadas, submetidas apenas à ação do peso-próprio, sendo estes ensaios também simulados por meio de modelagem numérica e aplicação de conceitos da mecânica da fratura. Os resultados analisados permitem dizer que há possibilidade de avaliar a fluência pela metodologia estudada, o que oferece um método alternativo para avaliação experimental da fluência. Nesta pesquisa, avaliou-se também a alteração de rigidez das vigas ensaiadas em decorrência dos efeitos do tempo, por meio de ensaios dinâmicos de vibração livre, segundo a ASTM C-215:1991a. / Despite of the well known advantages of steel fiber addition to concrete (SFRC), especially the toughness improvement, only a few number of studies has been developed about creep on these composites. The main purpose of this research is to investigate the feasibility and inherent difficulties related to a particular creep evaluation method. This method is based on beam test results and their analysis by fracture mechanics theory. It is intended to become an alternative method instead of the usual creep analysis of axial compression test results. At the same time, looking at the development of hybrid composites - made of distinct kind of fibers to obtain the best responses for micro and macrocracking - an experimental program was performed. Specimens molded with plain concrete, ordinary SFRC and hybrid SFRC were tested in flexure, the last one made of an association of short and large steel fibers. Characterization tests were performed to obtain the main mechanical properties of these materials at several ages. The mixture proportions were based in previous studies, where good performance characteristics were observed in hybrid composites. Nevertheless, in this particular test series, the addition of shorter steel fibers resulted in high air contents, what probably caused the decrease of the composite\'s performance in some aspects. The test results displayed low influence of the fiber addition on mechanical properties such compression strength, modulus of elasticity and tensile strength. Creep performance showed to be worse in the SFRC and hybrid composites than in plain concrete matrix. However, the reinforcement with steel fibers improved the shrinkage restrain. The analysis of the long-term beam deflections was made by finding the corresponding strains in the sections. Afterwards, specific creep functions were obtained by regression methods. The experimental creep functions were compared to the existing ones in literature and design codes. Despite of some differences, such as higher initial creep rate, higher creep coefficients and faster stabilization, it may be concluded that these functions represented quite well the phenomenon. Also experimental functions for plain concrete showed good results when compared to creep prediction model given by design codes, such as the Brazilian NBR 6118:2003 and ACI 209:1982. Comparison with numerical modeling results also gave satisfactory results. Creep in flexure was also evaluated by means of notched beam tests, where the sustained load was performed only by the beam self-weight. The test results were analyzed by numerical modeling and application of fracture mechanic concepts. The overall results showed the feasibility of creep assessing by the beam test method, which can be, after further detailed test series, a good alternative method instead of axial compression tests. Also dynamic free vibration tests were performed, according to ASTM C-215:1991 recommendations, to investigate the beam stiffness loss due to long term loading effects. These tests showed that modal analysis can be a helpful method in the tests, since it does not introduce damages in the test specimens.

Submitted by Edisangela Bastos (edisangela@ufpa.br) on 2018-03-28T16:02:01Z No. of bitstreams: 2 license_rdf: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5) Tese_EfeitosTipoTamanho.pdf: 6130930 bytes, checksum: 6cf79fe54cf5dc4d13c1cb31ff745a78 (MD5) / Approved for entry into archive by Edisangela Bastos (edisangela@ufpa.br) on 2018-04-02T14:53:33Z (GMT) No. of bitstreams: 2 license_rdf: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5) Tese_EfeitosTipoTamanho.pdf: 6130930 bytes, checksum: 6cf79fe54cf5dc4d13c1cb31ff745a78 (MD5) / Made available in DSpace on 2018-04-02T14:53:33Z (GMT). No. of bitstreams: 2 license_rdf: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5) Tese_EfeitosTipoTamanho.pdf: 6130930 bytes, checksum: 6cf79fe54cf5dc4d13c1cb31ff745a78 (MD5) Previous issue date: 2004-09-28 / CAPES - Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / Este trabalho expõe os resultados de um estudo conduzido para avaliar os efeitos do tipo, tamanho e consumo de agregado graúdo no comportamento do concreto de moderada e de alta resistência, e as relações entre a resistência à compressão, resistência à tração, resistência à flexão e a energia de fratura. As misturas de concreto estudadas continham agregados britados de basalto e de granito com dimensões máximas características de 9,5 mm e 19 mm e fração volumétrica no traço entre 0,65 e 0,75. A relação águalaglomerantes variou de 0,35 a 0,50. Nas misturas de alta resistência foi empregado um teor fixo de sílica ativa de dez porcento da massa do cimento de alta resistência inicial e teores adequados de aditivo superplastificante. Foram feitas dezesseis (16) misturas e realizados cento e noventa e dois ensaios mecânicos para medir a resistência à compressão, a resistência à flexão, resistência à tração, módulo de elasticidade e energia de fratura. As propriedades de fratura foram determinadas de acordo com Comitê Técnico 89-FMT e FMC-50 da RILEM. A resistência à compressão do concreto de acordo com os materiais empregados foi de 40 a 60 MPa para os concretos de resistência média e de 70 a 110 MPa, para os concretos de alta resistência. Os resultados mostram que a resistência. à compressão, tração, flexão e a energia de fratura do concreto para uma dada relação águaJaglomerante depende do tipo, dimensões e teor de agregado. Para o concreto de alta resistência o comprimento característico do concreto aumenta com o tamanho do agregado graúdo / This thesis presents the results of the experimental study carried out for considering the effects of the type, size and amount of coarse aggregate on the behavior of normal and high strength concretes, and on relationship among the fracture energy and typical mechanical strength of concrete. The experimental concrete mixtures were made with basalt and granite coarse aggregates having maximum size particle 9.5 mm e 19 mm and volumetrically fraction in the mixture ranging from 0.65 to 0.75. The water to cementation materiais ratio ranged from 0.35 to 0.50. The high strength concrete mixtures contained a fixed amount of 10 percent of silica fume in relation to the weight Portland cement used and a proper addition of superplasticizing agent. Sixteen (16) concrete batching, and one hundred and ninety two tests were carried out to measure the mechanical resistance of concrete (compressive strength, flexure strength, spittling tensile strength, modulus of elasticity) and fracture energy. The fracture properties measured in agreement of the RILEM test methods. The concrete compressive strength ranged from 40 to 60 MPa, and from 70 to 110 MPa, for moderate and high strength concretes, respectively, depending on the type of coarse aggregate utilized. The results showed that the concrete resistance (compressive, flexure, spittling tensile) and fracture energy, at given water to binder ratio, depend on type, particle dimension and content of coarse aggregate. The characteristic length of Hülerborg^ fictitions cracks model increases with the variation in the particle dimension of coarse aggregate.

A técnica caracterizada pela colagem de polímeros reforçados com fibras de carbono (PRFC) em elementos estruturais de concreto vem sendo aplicada com sucesso no reforço de estruturas em todo o mundo. Resistência à corrosão, elevada resistência à tração, baixo peso, facilidade e rapidez de aplicação, são algumas das características interessantes que têm contribuído para a sua disseminação. Nesta pesquisa propõe-se uma inovação construtiva fundamentada no desenvolvimento de um compósito de alto desempenho à base de cimento Portland e fibras de aço (macro + microfibras), destinado a constituir o que está sendo preliminarmente chamado de substrato de transição. A finalidade desse substrato é a de controlar melhor a fissuração do concreto da viga e retardar ou até evitar o desprendimento prematuro do reforço polimérico. Devido à carência de pesquisas semelhantes a aqui proposta, foi realizado um estudo preliminar em vigotas moldadas com fibras de aço e reforçadas externamente com manta de PRFC, onde se verificou que a concepção do substrato de transição é válida. Partiu-se então para a realização de ensaios visando à obtenção de um compósito cimentício com características apropriadas para constituir o substrato de transição. Os resultados e as análises efetuadas mostram que foi possível desenvolver um material de elevado desempenho, traduzido por um comportamento de pseudo-encruamento, com elevados ganhos de resistência e tenacidade ao fraturamento. A aplicação do reforço com manta sobre a superfície do substrato de transição, formado a partir da reconstituição do banzo tracionado da viga com o compósito cimentício, mostrou melhorar significativamente os níveis de desempenho da peça reforçada. Do estudo realizado foi possível comprovar a eficiência da técnica de reforço proposta, além de reunir uma série de informações que podem ser exploradas para se tornarem úteis como critérios de projeto de estruturas recuperadas e reforçadas. / The technique characterized by bond of the carbon fibers reinforced polymer (CFRP) in structural elements of concrete comes being applied successfully in the strengthening of structures in the whole world. Resistance to the corrosion, high tensile strength, low weight, easiness and rapidity of application, is some of interesting characteristics that have contributed for its dissemination. The objective of this research is to develop an innovate strengthening method for RC beams, based on a high performance cement-based composite of steel fibers (macro + microfibers) to be applied in a transition layer. The purpose of this transition layer is to better control the cracking of concrete and to be late or until avoid the premature detachment of strengthening. Due to lack of similar research here the proposal, was carried through a preliminary study in short beams molded with steel fibers and strengthened with CFRP sheet, where if it verified that the conception of the transition layer is valid. Tests were developed to get a cement-based composite with characteristics to constitute the layer transition. The results shown that were possible to develop a material of high performance with a pseudo strain-hardening behavior, high strength and fracture toughness. The application of the strengthened about the layer transition surface showed significantly to improve the levels of performance of the strengthening beam. Of the carried through study it was possible to prove the efficiency of the new strengthened technique and describe various information that can be explored to become useful as criteria of project of repaired and strengthened structures.

O fenômeno de fadiga é uma das principais considerações quando se verifica a integridade de estruturas sujeitas a carregamentos cíclicos. Para analisar o problema, devem-se considerar os efeitos da significativa dispersão observada nos dados estatísticos das variáveis relacionadas à fadiga. Para contemplar tais incertezas, métodos de confiabilidade são particularmente recomendados. Nesse sentido, quando utilizada uma técnica baseada em simulações, procuram-se métodos de análise estrutural que minimizem o tempo de processamento para viabilizar a análise de confiabilidade. Este trabalho apresenta uma formulação geral para a análise de fadiga de pórticos planos baseada na Mecânica do Dano Concentrado (LDM) considerando as incertezas associadas. A abordagem proposta é verificada através da comparação dos resultados obtidos com as curvas S-N disponíveis em diversas normas. Exemplos de estruturas mais complexas são apresentados posteriormente. / Fatigue analysis is one of the main tasks when assessing the integrity of structures under cyclic loading. In order to properly approach the fatigue process, the effects of the great scatter observed in statistical data of fatigue variables must be considered. Facing such uncertainties, reliability methods are particularly recommended. If a sampling-based technique is to be used, one of the critical points is the huge number of analyses required for computing failure probabilities. Consequently, those methods of structural analysis that minimize the processing time are highly convenient to make the analysis feasible without significant loss of accuracy. This work presents a general formulation for probabilistic structural fatigue analysis of frames, based on Lumped Damage Mechanics (LDM). The proposed approach is first validated comparing the number of cycles to failure with the S-N curves found in building codes. Further examples of more complex structures, represented as plane frames, are also presented.

Este trabalho trata da análise de problemas da Mecânica da Fratura Elástica Linear (MFEL) utilizando o Método dos Elementos de Contorno (MEC). Esse método constitui uma poderosa e precisa técnica de análise numérica. A necessidade da discretização somente do contorno do modelo é um dos grandes atrativos do MEC. Na Mecânica da Fratura, o MEC é adequado pela própria natureza de sua formulação, a qual está baseada em soluções fundamentais. Dentre os parâmetros da MFEL, destaca-se o Fator de Intensidade de Tensão (FIT). No presente desenvolvimento, esse parâmetro é analisado numericamente pela técnica da correlação dos deslocamentos e por uma técnica alternativa a qual emprega o campo de tensões presente na extremidade da trinca. A direção do crescimento da trinca é analisada por meio do critério da Máxima Tensão Circunferencial. Os resultados obtidos são comparados à solução analítica e a outros resultados encontrados na literatura. / This work deals with the analysis of Linear Elastic Fracture Mechanics (LEFM) problems using the Boundary Element Method (BEM). This method is a powerful and accurate technique of numerical analysis. The need of discretization only of the boundary of the model is one of the major advantageous features of the BEM. In Fracture Mechanics, the BEM is adequate due to its intrinsic formulation, which is based on fundamental solutions. In the LEFM, the Stress Intensity Factors (SIF) is one of the most important parameters. In the present study, this parameter is numerically analyzed by the correlation displacement technique and by an alternative technique which considers the stress field at the crack tip. The direction of the crack growth is analyzed using the criterion of Maximum Circumferential Stress. The results are compared to the analytical solution and to other results of literature.

Um dos aspectos cruciais do projeto estrutural é a consideração dos efeitos de escala para os materiais que apresentam comportamento quase frágil (quase-brittle). Para tanto se desenvolveu na engenharia o método da curva mestre (upper shelf), aplicável a aços ferríticos operando em temperaturas contidas no intervalo característico da transição dúctil frágil. Este método combina ensaio de impacto e ensaios de tenacidade à fratura em corpos de prova padronizados, propondo-se a descrever o comportamento da tenacidade à fratura em todo o intervalo de temperatura da região de transição dúctil-frágil, para qualquer dimensão característica da estrutura. Este método tem como hipótese básica que a fratura se inicia por clivagem no microconstituinte mais frágil (geralmente a ferrita). Este trabalho se propõe a investigar esta hipótese, comparando análises das superfícies de fratura nas diferentes condições de carregamento dos diferentes ensaios mecânicos (tração, impacto e curva J-R) obtidos no âmbito de um ensaio de determinação da curva mestre em um aço da classe API 5L X80. Os resultados mostram que as superfícies de fratura indicam a ação de diversos micros mecanismos em função das diferentes taxas de carregamento, que levantam questão sobre os fundamentos do ensaio de determinação da curva mestre. / One of the key aspects of structural integrity is the consideration of scale effects characteristic of materials wich present quase-brittle behavior. The Master curve method, designed for ferritic steels operating at temperatures in the materials corresponding to the ductile-brittle transition. This method combine charpy impact testing and a few fracture toughness tests in standard specimens and is supposedly able to reproduce the materials fracture toughness in the whole ductile-to-brittle transition temperature interval for any characteristic size of the structure. This method relies on the basic hypothesis that fracture is initiated by cleavage the most brittle micro constituent (generally ferrite). This work investigates this hypothesis by comparing the fracture surfaces obtained under the loading conditions of the different mechanical tests used in the method (tensile, impact and J.R. curve) for the determination of the master curve of an API 5L X80 steel. The results show that these fracture surfaces indicate the action of different fracture micro mechanisms raising doubts on the applicability of the method.

Neste trabalho desenvolveu-se uma formulação adaptativa do método de elementos de contorno (MEC) para a análise de problemas de fratura elástica linear. Foi utilizado o método da colocação para a formulação das equações integrais de deslocamento e de tensão. Para a discretização das equações integrais foram utilizados elementos lineares que possibilitaram a obtenção das expressões exatas das integrais (integração analítica) sobre elementos de contorno e fratura. Para a montagem do sistema de equações algébricas foram utilizadas apenas equações de deslocamento, apenas equações de forças de superfície, ou as duas escritas para nós opostos da fratura levando, portanto ao método dos elementos de contorno dual usualmente empregado na análise de fratura. Para o processo de crescimento da trinca foi desenvolvido um procedimento especial objetivando a correta determinação da direção de crescimento da trinca. Os fatores de intensidade de tensão são calculados por meio da conhecida técnica de correlação de deslocamentos a qual relaciona os deslocamentos atuantes nas faces da fissura. Após a determinação dos fatores de intensidade de tensão é utilizada a teoria da máxima tensão circunferencial para a determinação do ângulo de propagação. O modelo adaptativo empregado é do tipo h onde apenas a sub-divisão dos elementos é feita com base em erros estimados. O erro a ser considerado foi estimado a partir de normas onde se consideraram: a variação aproximada dos deslocamentos, a variação das forças de superfície e a variação da energia de deformação do sistema, calculada com a sua integração sobre o contorno. São apresentados exemplos numéricos para demonstrar a eficiência dos procedimentos propostos. / In this work, an adaptative formulation of the boundary element method is developed to analyze linear elastic fracture problems. The collocation point method was used to formulate the integral equations for the displacements and stresses (or tractions). To discretize the integral equations, linear elements were used to obtain the exact expressions of the integrals over boundary elements and fracture. To construct the linear system of equations were used only displacement equations, traction equations or both of them written for opposite nodes of the fracture, leading to the dual boundary element formulation usually employed in the fracture analyses. For the process of growth of the crack a special procedure was developed aiming at the correct determination of the direction of growth of the crack. The stress intensity factors, to calculate he crack growth angle, are calculated through of correlation displacements technique which relates the displacements actuants in the faces of the crack. The employed adaptative model is the h-type where only the sub-division of the elements is done based on error estimate. The error estimates considered in this work are based on the following norms: displacement, traction and strain energy variations, this last considered from the integration over the boundary. Numerical examples are presented to demonstrate the efficiency of the proposed procedures.