Tese (doutorado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica, Florianópólis, 2012. / Made available in DSpace on 2013-07-16T04:29:17Z (GMT). No. of bitstreams: 1 317260.pdf: 14388869 bytes, checksum: 05262c3b4e23a11139d74ca351ff3adb (MD5) / Procedimentos de discretização que promovem o enriquecimento de subespaços de aproximação, para a solução de problemas de valor no contorno variacionais, permitem representar características como o contorno do domínio, descontinuidades dos campos incógnitos, singularidades, entre outras, independentemente das entidades da discretização, quer sejam elementos ou nós, em métodos baseados em malhas ou livres de malha. No entanto, funções seccionalmente contínuas, presentes em implementações convencionais, ainda representam um fator limitante na busca por melhores taxas de convergência, mesmo empregando enriquecimento. Questões sobre o padrão de enriquecimento e a transição entre porções do domínio enriquecidas e não enriquecidas foram apontadas como merecedoras de atenção em diversas investigações ao longo dos últimos anos. Neste sentido, o presente trabalho avalia a utilização de funções de aproximação arbitrariamente contínuas, construídas através do método generalizado de elementos finitos, em problemas de elasticidade plana envolvendo singularidade do campo de tensões, característicos da mecânica da fratura elástica linear. Primeiramente, o desempenho de tais funções suaves, tanto utilizando medidas de convergência globais quanto calculando parâmetros de severidade de trincas, é investigado mediante comparação com as respostas fornecidas por discretizações com funções minimamente conformes, ou seja, bases construídas com partições da unidade convencionais de elementos finitos. O método das forças configuracionais, elaborado segundo o formalismo da mecânica Eshelbiana, foi usado para o propósito de cálculo da severidade da trinca. Num estágio de pós-processamento da solução, as forças configuracionais que surgem na frente da trinca podem ser diretamente relacionadas a uma estimativa da integral J. Os resultados evidenciam a importância da continuidade da partição da unidade, na vizinhança de singularidades, à medida que a suavidade evita os saltos dos campos de tensões e permite melhor capturar as características das funções de enriquecimento. A continuidade permite a melhoria da solução tanto em medidas globais quanto em medidas locais mesmo aplicando o enriquecimento à menor quantidade possível de nós. Então, uma adaptação do método residual implícito em subdomínios é proposta. Considerando as próprias nuvens da abordagem em MGEF obtém-se medidas nodais de erro. A metodologia gera problemas, equacionados nas nuvens, com condições de contorno de Neumann triviais em virtude da localização do funcional residual com a partição da unidade. A continuidade dos campos de tensões favorece a determinação da excitação para tais problemas locais diretamente a partir da projeção do campo resíduo, em forma forte, sobre o subespaço gerado por funções de grau superior. O procedimento se mostra bastante adequado para soluções contínuas e, nos casos testados, apresenta efetividade local apropriada mesmo quando se utiliza apenas enriquecimento polinomial, indicando que o estimador é capaz de detectar os pontos onde se necessita de refinamento. Diversos melhoramentos são apontados como propostas de continuidade do trabalho devido à constatação de que as diversas ferramentas matem´aticas consideradas, em separado ou conjuntamente, podem ser aplicáveis em outras situações.<br> / Abstract : Discretization procedures which promote the enrichment of approximation subspaces, for the solution of variational boundary value problems, allow to represent some features as the domain boundary, discontinuities of the unknowns fields, singularities, among other, regardless of discretization entities, either the elements or nodes, in mesh-based or mesh-free methods. However, piecewise continuous functions, commonly used in conventional implementations, still are a hindrance factor in the searching for better convergence rates, even applying enrichments. Issues on enrichment pattern and transition between enriched and non-enriched portions of the domain were pointed as deserving attention by several investigations in the last years. In this sense, the present study assesses the use of arbitrarily continuous functions, built through the generalized finite element method, in plane elasticity problems with singularities in the stress field, typical of linear elastic fracture mechanics. Firstly, the performance of such smooth functions, in terms of both convergence of global values as well as crack severity parameters, is investigated through comparison with responses provided by discretizations using minimally conforming functions, i.e., bases built with conventional partitions of unity defined by finite element shape functions. The configurational forces method, derived following the formalism of Eshelbian mechanics, was used for computation of severity crack parameters. In a post-processing step, the configurational forces that arise at the crack tip are directly related to a J- integral estimate. The results point out the importance of continuity around the singularity since it avoids stress jumps and allows better capturing of the features of enrichment functions. The continuity enables improvements of solution in both global measures and local quantities, even applying singular enrichment to the possible minimum amount of nodes. Thus, an adaptation of the subdomain-based implicit residual method for error estimation is proposed. Considering the clouds as subdomains, it is possible to obtain nodalvalues of estimated error. The methodology produces local problems, formulated over the clouds, with homogeneous Neumann boundary conditions due to the localization of the residual functional using the partition of unity. The inherent continuity of the stress field motivates determining the excitation for such local problems directly from a projection of the residuum field, in strong form, on the subspace spanned by higher order functions. The procedure turns out to be quite appropriate for smooth solutions and, in the studied cases, it showed appropriate local effectivity even when only polynomial enrichment is used, indicating that the estimator is capable of detecting where refinement is necessary. Several improvements are pointed as proposals of future work due to finding that the mathematical tools used, considered separately or grouped, can be applied in other situations.

A utilização de novos materiais sempre vem acompanhada de novos desafios, e com os aços superdúplex não foi exceção. Este material, que apresenta elevada resistência mecânica e tenacidade, mostrou-se susceptível à fragilização pelo hidrogênio. Dentre outros mecanismos, uma forma que torna possível a absorção de hidrogênio pelo aço é através da aplicação de um potencial pela proteção catódica. Isto gerou uma necessidade de se quantificar a nova tenacidade do material quando exposto a esta situação. Esta investigação tem como objetivo avaliar a tenacidade do aço superdúplex em função da concentração de hidrogênio, que varia ao longo da profundidade do componente/peça. Com isso, pretende-se estimar um tamanho crítico de trinca mais "real", já que de fato a concentração de hidrogênio no interior do componente/peça é inferior àquela observada na superfície. Com estes dados é possível avaliar a criticidade de defeitos superficiais em materiais superdúplex fragilizados pelo hidrogênio e a adequação das normas de construção. Para isso utilizou-se o programa Crackwise em uma análise da mecânica da fratura linear elástica de um hardpipe. Os resultados mostraram que mesmo utilizando-se este método e mantendo-se em níveis de tensão abaixo do especificado pelas normas, os tamanhos críticos de trinca apresentaram-se perigosamente pequenos. Adicionalmente, foi simulado um gráfico da concentração de hidrogênio com a profundidade para diferentes concentrações na subsuperfície. A concentração de hidrogênio na subsuperfície representa os diversos potenciais em proteção catódica a que o material pode estar submetido e, com isso, gera uma possibilidade de escolha, quando da definição de um potencial menos prejudicial. / The use of new materials is always accompanied by new challenges, and the superduplex stainless steel is not an exception. This material, which presents high mechanical strength and toughness, has shown susceptibility to hydrogen embrittlement. Among other mechanisms, steel can be charged with hydrogen during cathodic protection, which makes most relevant to evaluate the effect of this hydrogen on the toughness of the material. This research aims to evaluate the toughness of the superduplex stainless steel as a function of the hydrogen concentration, which varies with the depth in the component / part. As a practical result of this work, one may estimate a more realistic critical size of a crack, since in fact the concentration of hydrogen inside the component / part is lower than that observed on the surface. With these data is possible to avail the criticality of defects in superduplex materials weakened by hydrogen and to adapt the building standards. For this, it was used a program named Crackwise in a linear elastic fracture mechanical analysis of a hardpipe. The results showed that even using this method and remain the levels of tension below the standards specified, the critical size of crack proved to be dangerously small. Moreover, we simulated a graphic of hydrogen concentration with depth for different concentrations on the surface. The concentration of hydrogen on the surface is related to the electric potential applied in the cathodic protection, which opens a possibility to better define the less harmful cathodic protection parameters.

Dissertação (mestrado)—Universidade de Brasília, Faculdade de Tecnologia, Departamento de Engenharia Civil e Ambiental, 2017. / Submitted by Raquel Almeida (raquel.df13@gmail.com) on 2017-05-26T19:44:50Z No. of bitstreams: 1 2017_FernandoHipólitoBarrosTrindadedaSilva.pdf: 23709598 bytes, checksum: 40d511f5d4cb85bb5dabfb8e04b2a7dc (MD5) / Approved for entry into archive by Raquel Viana (raquelviana@bce.unb.br) on 2017-05-26T22:44:19Z (GMT) No. of bitstreams: 1 2017_FernandoHipólitoBarrosTrindadedaSilva.pdf: 23709598 bytes, checksum: 40d511f5d4cb85bb5dabfb8e04b2a7dc (MD5) / Made available in DSpace on 2017-05-26T22:44:19Z (GMT). No. of bitstreams: 1 2017_FernandoHipólitoBarrosTrindadedaSilva.pdf: 23709598 bytes, checksum: 40d511f5d4cb85bb5dabfb8e04b2a7dc (MD5) Previous issue date: 2017-05-26 / Devido à composição heterogênea do concreto, esse material apresenta uma grande variedade de comportamentos, dependendo da forma como é carregado, bem como da geometria da peça. Em virtude disso, torna-se importante o desenvolvimento de estudos numéricos com objetivo de complementar a compreensão desse material. O Método dos Elementos Finitos (MEF) possui grande versatilidade para simular fenômenos físicos, sendo por esse motivo, bastante empregado no estudo do comportamento mecânico de estruturas de concreto. Em vista disso, este trabalho objetiva formular e implementar, por meio do MEF, um modelo 2D baseado na plasticidade para simular a fissuração do concreto no modo I e modo misto (I+II). Para tanto, o modelo faz uso dos conceitos da mecânica da fratura para materiais quase frágeis aplicados a elementos de junta interpostos entre os elementos da malha. Tal modelo funciona por meio da “abertura” dos elementos de junta, simulando, assim, a fissuração no concreto. Isso permite a visualização, após a análise, das descontinuidades obtidas pela separação física dos elementos finitos. Isto representa uma vantagem significativa, uma vez que permite a comparação dos padrões de fissuração obtidos com ensaios experimentais. A validação do modelo se deu por meio de comparações com resultados experimentais com diferentes modos de falha. Os resultados numéricos obtidos foram satisfatórios quando comparados com os experimentais. Verificando, assim, que o modelo implementado é capaz de simular adequadamente a fissuração em peças de concreto. / Due to the heterogeneous composition of concrete it presents a wide range of behaviors, depending on how loading are applied, as well as the geometry of the structure. Thus, the development of numerical model to better understand this material becomes important. The Finite Element Method (FEM) has shown great versatility to simulate physical phenomena, for that reason it is often used to model the mechanical behavior of concrete. Due to this fact, this dissertation aims to formulate and implement through the FEM a two-dimensional model based on plasticity in order to simulate concrete cracking in mode I and mixed mode (I + II). The model makes use of concepts of fracture mechanics, for quasi-brittle materials and joint elements placed between finite elements. Such model works through the "opening" of joint elements, thus, simulating concrete cracking. This allows, after analysis, to identify the discontinuities by means of a physical gap between elements. It represents a significant advantage against smeared crack models, since it allows the comparison of numerical and experimental cracking patterns. The model was validated by comparison with experimental results with different failure modes. Data numerical results were in good agreement when compared with experimental data, thus, verifying the proposed model is able to simulate properly cracking in concrete specimens.

Dissertação (mestrado)—Universidade de Brasília, Faculdade de Tecnologia, Departamento de Engenharia Mecânica, 2017. / Submitted by Raquel Almeida (raquel.df13@gmail.com) on 2017-05-25T18:39:22Z No. of bitstreams: 1 2017_MarceloAvelarAntunes.pdf: 6625349 bytes, checksum: be484b2964cfc7af247df155d40aebb2 (MD5) / Approved for entry into archive by Raquel Viana (raquelviana@bce.unb.br) on 2017-06-06T17:41:25Z (GMT) No. of bitstreams: 1 2017_MarceloAvelarAntunes.pdf: 6625349 bytes, checksum: be484b2964cfc7af247df155d40aebb2 (MD5) / Made available in DSpace on 2017-06-06T17:41:25Z (GMT). No. of bitstreams: 1 2017_MarceloAvelarAntunes.pdf: 6625349 bytes, checksum: be484b2964cfc7af247df155d40aebb2 (MD5) Previous issue date: 2017-06-06 / Este trabalho propõe soluções para fadiga por fretting utilizando fatores concentradores de tensão modificados para ligas de aço, alumínio e titânio, os quais são utilizados para se obter fatores de intensidade de tensão na análise com base na Mecânica da Fratura Baseada em Deformação. Primeiramente, um modelo numérico bidimensional com consideração de material elástico, isotrópico e homogêneo foi criado através do método dos elementos finitos. Assumiu-se que a nucleação da trinca ocorreu no ponto de máxima tensão normal na direção da carga remota de fadiga, seguindo uma trajetória retilínea sob tal ponto, da qual se extraíram os campos de tensões atuantes. Uma grande quantidade de campos de tensão foi gerada modificando-se, um de cada vez, parâmetros importantes no estudo de fretting, a saber: o coeficiente de atrito, a carga remota de fadiga, o raio do pad e o material. Todos os modelos propostos seguiram o regime de deslizamento parcial, com bons resultados sido obtidos quando comparados com as soluções analíticas. Através de funções de peso, fatores de intensidade de tensão elásticos sob o modo I foram obtidos, os quais foram então usados para se computar . Uma análise do comportamento de é então apresentada, seguida de sugestões de seu uso para se levarem em conta efeitos de plasticidade, conhecidamente presentes em no fenômeno de fretting. / This study presents modified stress concentration factor solutions for steel, aluminum and titanium materials under fretting fatigue conditions. solutions are used to obtain stress intensity factors in strain-base fracture mechanic analysis. At first, 2D numerical models with elastic, isotropic and homogeneous materials were created using finite element method. It was assumed that under the maximum tangential load in the bulk stress direction, a straight-line crack path was formed and all stress fields in such path were extracted. A vast number of stress fields were obtained by changing - one at a time – important fretting parameters, namely: coefficient of friction, bulk stress intensity, pad radius and material. All configurations respected a partial slip contact condition and the results obtained showed good agreement with the ones obtained analytically. Weight functions were used to obtain stress intensity factors under mode I, which were then used to compute . An analysis of behavior is then presented and discussed, followed by suggestions of its use taking into account plasticity, knowingly involved in fretting fatigue.

Tese (doutorado)—Universidade de Brasília, Faculdade de Tecnologia, Departamento de Engenharia Civil e Ambiental, 2017. / Submitted by Raquel Almeida (raquel.df13@gmail.com) on 2017-08-01T18:45:02Z No. of bitstreams: 1 2017_EduardoMartinsFontesdoRêgo.pdf: 7291379 bytes, checksum: 926fc7bacaecee6dd752d2d7412a3c4c (MD5) / Approved for entry into archive by Raquel Viana (raquelviana@bce.unb.br) on 2017-08-24T16:43:11Z (GMT) No. of bitstreams: 1 2017_EduardoMartinsFontesdoRêgo.pdf: 7291379 bytes, checksum: 926fc7bacaecee6dd752d2d7412a3c4c (MD5) / Made available in DSpace on 2017-08-24T16:43:11Z (GMT). No. of bitstreams: 1 2017_EduardoMartinsFontesdoRêgo.pdf: 7291379 bytes, checksum: 926fc7bacaecee6dd752d2d7412a3c4c (MD5) Previous issue date: 2017-08-24 / No presente trabalho é proposta uma metodologia para estimar a vida útil de componentes sob fadiga por fretting utilizando o modelo da Mecânica da Fratura Baseada em Deformação (MFBD), que é basicamente um modelo da Mecânica da Fratura Linear Elástica (MFLE) desenvolvido para considerar os efeitos da não linearidade do material. Neste modelo não há necessidade de distinguir a vida em iniciação e propagação de trincas, a vida é considerada como sendo apenas de propagação. Considera-se a modelagem de trinca curta, na qual o comportamento do material é não linear, isto é, fora do domínio da MFLE. A propriedade de plasticidade do material é levada em conta pela curva de Ramberg-Osgood em associação com a regra de Neuber. No final do processo de estimativa de vida, a regra de crescimento de trincas de Paris-Erdogan é aplicada para obter o número de ciclos. O fator de intensidade de tensão é obtido pelo método da Função Peso, no qual as distribuições de tensões são obtidas pelo Método dos Elementos Finitos (MEF) por meio do programa comercial ANSYS, onde considera-se o contato entre dois corpos. A análise numérica apresentada aqui para a estimativa da vida de fadiga por fretting é comparada com dados experimentais do alumínio 7050-T7451. / In the present work, a methodology is proposed to estimate the life of components under fretting fatigue using Strain-based Fracture Mechanics (SBFM) models, which is basically a modification of the Linear Elastic Fracture Mechanics (LEFM) to consider the non-linear properties of materials under the aforementioned condition. This model does not require two steps to model fatigue life, being considered only the life propagation. A short crack behavior is applied here, where the material behavior is non-linear, i.e., outside the LEFM domain. The plasticity property of the material is taken into account by the Ramberg-Osgood curve in association with the Neuber rule. At the end of the process, the Paris-Erdogan crack growth rule is applied to estimate the fatigue life N. The Stress Intensity Factor is obtained by Weight Function method, where the stress distribution are computed by Finite Element Method (FEM) through the commercial program ANSYS, taking in consideration the contact between the surfaces. The numerical analysis presented here for estimation of fretting fatigue life is compared with experimental available data from aluminum 7050-T7451.

Dissertação (mestrado)—Universidade de Brasília, Faculdade de Tecnologia, Departamento de Engenharia Civil e Ambiental, 2017. / Submitted by Raquel Almeida (raquel.df13@gmail.com) on 2018-03-09T16:28:07Z No. of bitstreams: 1 2017_GuilhermeFreireVieiralves.pdf: 11866379 bytes, checksum: 4910a3ef1b22e85607c7643776cbcdfb (MD5) / Approved for entry into archive by Raquel Viana (raquelviana@bce.unb.br) on 2018-03-13T20:30:02Z (GMT) No. of bitstreams: 1 2017_GuilhermeFreireVieiralves.pdf: 11866379 bytes, checksum: 4910a3ef1b22e85607c7643776cbcdfb (MD5) / Made available in DSpace on 2018-03-13T20:30:02Z (GMT). No. of bitstreams: 1 2017_GuilhermeFreireVieiralves.pdf: 11866379 bytes, checksum: 4910a3ef1b22e85607c7643776cbcdfb (MD5) Previous issue date: 2018-03-13 / Esse trabalho apresenta uma análise dos comportamentos mecânicos em diferentes tipos de estruturas considerando o efeito da viscoelasticidade, associado com presença de trincas. Além disso, também é feito uma análise de deslocamentos em uma estrutura metálica submetida a altas temperaturas. A pesquisa visa é avaliar a predição da Taxa de Liberação de Energia () dependente do tempo e da temperatura em estruturas viscoelásticas, além de avaliar os deslocamentos apresentados em estruturas metálicas submetidas a altas temperaturas considerando o efeito da fluência. Para tal, é feito uma análise de deslocamentos e de variando no tempo de uma placa viscoelástica fissurada, além de uma análise do comportamento mecânico e da Taxa de Liberação de Energia em um cilindro viscoelástico fissurado submetido à variação de temperatura, analisando ora o comportamento de materiais termo-reologicamente simples, ora o de materiais termo-reologicamente complexos. É feito, ainda, uma análise da predição da Taxa de Liberação de Energia em um pressurizador de um reator de uma usina nuclear do tipo PWR e um estudo do desenvolvimento dos deslocamentos de uma estrutura metálica submetida à situação de incêndio, analisando a influência das parcelas contribuintes para o deslocamento. Os principais resultados apontam que os comportamentos das estruturas viscoelásticas apresentam grande variabilidade ao longo do tempo e que a não consideração de deslocamento de origem viscoelástica (fluência) pode gerar erros considerados na evolução do deslocamento de estruturas metálicas submetidas a altas temperaturas. / This work presents an analysis of the mechanical behavior in different types of structures considering the effect of viscoelasticity, associated with the presence of cracks. Moreover, a displacement analysis was also performed on a steel structure subjected to high temperatures. The main goal of the research is measure the prediction of Energy Release Rate () dependent on time and temperature in viscoelastic structures, as well as the evaluation of displacements in steel structures subjected to high temperatures considering the effect of creep. For this, it’s made an analysis of the displacements and varying in time of a fissured viscoelastic plate, besides an analysis of the mechanical behavior and the Energy Release Rate in a viscoelastic cylinder cracked under temperature variation, analyzing the behavior of simple thermo-rheologically materials, or that of complex thermo-rheologically materials. Moreover, is also made an analysis of the prediction of Energy Release Rate in a reactor pressure vessel of a PWR nuclear power plant and a study of the development of the displacements of a steel structure submitted to a fire situation, analyzing an influence of the contributing portions for the displacement. The main results indicate that the behavior of the viscoelastic structures present great variability over time and that the lack of consideration of viscoelastic displacement (creep) can generate errors considered in the evolution of the displacement of steel structures subjected to high temperatures.

O estudo dos mecanismos de fadiga por contato tem grande relevância para o estudo dos componentes mecânicos que estão sujeitos ao desgaste. O desgaste é um tipo de falha que ocorre na maioria dos componentes que trabalham em contato. Atualmente para prever o desgaste são utilizados métodos experimentais que permitem ajustar curvas semi-empíricas, ou seja, o resultado depende de vários testes que além de caros são demorados. Com o aumento da competitividade na indústria, o tempo se tornou artigo de luxo e com isso o aprimoramento dos modelos de cálculo e das simulações numéricas são muito bem justificados. O estudo aprofundado do mecanismo de fratura por contato sem dúvida pode dar subsídios para um melhor projeto do componente mecânico e assim conseguir predizer com maior precisão quando a falha por desgaste ocorrerá e assim evitar falhas catastróficas e paradas de máquinas não programadas gerando grandes prejuízos e também risco de vidas humanas Este estudo apresenta um modelo numérico utilizando o método dos elementos finitos computacional para a simulação do spalling em componentes mecânicos sujeitos à fadiga de contato. O modelo foi simplificado para duas dimensões e foi considerado estado plano de deformações. Este estudo apresenta uma aproximação na aplicação dos conceitos da Mecânica da Fratura para estimar a vida de componentes mecânicos. O resultado do modelo numérico é confrontado qualitativamente com resultados práticos. A geometria dos pits assim como as relações entre o Fator de intensidade de tensões e o tamanho da trinca é apresentado.

Dissertação (mestrado)—Universidade de Brasília, Faculdade de Tecnologia, Departamento de Engenharia Civil e Ambiental, 2016. / Submitted by Albânia Cézar de Melo (albania@bce.unb.br) on 2016-10-21T12:17:38Z No. of bitstreams: 1 2016_JéssicaFerreiraBorges.pdf: 13452172 bytes, checksum: 4c7642a6faa7b79972e21d537dfbf6e8 (MD5) / Approved for entry into archive by Raquel Viana(raquelviana@bce.unb.br) on 2017-01-05T19:51:27Z (GMT) No. of bitstreams: 1 2016_JéssicaFerreiraBorges.pdf: 13452172 bytes, checksum: 4c7642a6faa7b79972e21d537dfbf6e8 (MD5) / Made available in DSpace on 2017-01-05T19:51:27Z (GMT). No. of bitstreams: 1 2016_JéssicaFerreiraBorges.pdf: 13452172 bytes, checksum: 4c7642a6faa7b79972e21d537dfbf6e8 (MD5) / Essa dissertação tem como objetivo quantificar as incertezas dos parâmetros da mecânica da fratura para materiais quasi-frágeis, que são a energia de fratura, Gf, e o comprimento equivalente de zona de fratura, cf, quando calculadas com o modelo de Efeito de Escala de Bažant (EEB) e com o Modelo de Dois Parâmetros (MDP) a partir de ensaios em materiais cimentícios. A tensão nominal (tensão de fratura), σN, é prevista para vigas entalhadas sob flexão em três pontos considerando as incertezas baseadas no programa experimental e correlações, ρGfcf, entre Gf e cf. Foi proposto um algoritmo do Método de Monte Carlo (MMC) capaz de considerar variáveis não normais e correlacionadas para obtenção das quantificações das incertezas através de funções densidade de probabilidade, f(x), de σN, também a probabilidade de falha de vigas de concreto através do cálculo do índice de confiabilidade, (β), para vigas de diferentes alturas e diferentes taxas de entalhe. Os resultados mostraram que a predição de β comprova o efeito de escala e que vigas mais espessas tem menores índices de confiabilidade, especialmente quando se considera a correlação entre as propriedades da mecânica da fratura. __________________________________________________________________________________________________ ABSTRACT / This dissertation aims to quantify the uncertainties of the parameters of fracture mechanics for quasi-brittle materials, which are the energy release rate, Gf, and the equivalent fracture process zone, cf, when calculated on the Bažant’s size effect model (EEB) and two parameter fracture model (MDP) from experimental results of cementicious materials. The nominal stress (fracture strength), σN, is predicted for three point bending notched beams considering the uncertainties based on the experimental program and correlations ρGfcf between Gf and cf. It is proposed a Monte Carlo method (MMC) algorithm able to simulate non-normal and correlated random variables in order to obtain the uncertainty quantification through the probability density functions of σN, and also the probability of failure of concrete beams through the calculation of the reliability index (β) for beams of different sizes and relative notch depths. The results showed that the predicted β demonstrate a size effect in which thicker beams has lower reliability indexes, specially under consideration of the correlation between the fracture properties.

Dissertação (mestrado)—Universidade de Brasília, Faculdade de Tecnologia, Departamento de Engenharia Civil e Ambiental, 2015. / Submitted by Fernanda Percia França (fernandafranca@bce.unb.br) on 2015-11-20T20:22:45Z No. of bitstreams: 1 2015_EdelRolandoMartínezConcepciòn.pdf: 10300925 bytes, checksum: e5ff98a6cfe6abf46d9e7f83a5b60820 (MD5) / Approved for entry into archive by Raquel Viana(raquelviana@bce.unb.br) on 2016-05-12T18:51:10Z (GMT) No. of bitstreams: 1 2015_EdelRolandoMartínezConcepciòn.pdf: 10300925 bytes, checksum: e5ff98a6cfe6abf46d9e7f83a5b60820 (MD5) / Made available in DSpace on 2016-05-12T18:51:10Z (GMT). No. of bitstreams: 1 2015_EdelRolandoMartínezConcepciòn.pdf: 10300925 bytes, checksum: e5ff98a6cfe6abf46d9e7f83a5b60820 (MD5) / Na presente pesquisa será desenvolvida uma análise numérica de fraturamento hidráulico utilizando o Método dos Elementos Finitos Estendido (XFEM). Com este método, pretende-se simular o mecanismo de início e propagação de trincas induzidas a partir da ponta de uma fratura inicial. O objetivo principal deste trabalho é aperfeiçoar a compreensão do fenômeno de fraturamento hidráulico. Entende-se que o problema de fraturamento hidráulico é um fenômeno que combina vários processos físicos, entre eles, o fluxo de um fluido, a deformação da matriz rochosa e a propagação das fraturas no meio, nesse sentido, as simplificações são imprescindíveis. Utiliza-se o XFEM para realizar a discretização espacial dos modelos. Esse método é considerado uma robusta ferramenta numérica para resolver problemas de descontinuidades. O fundamento do XFEM é o chamado Método de Elementos Finitos, adicionando a este graus de liberdade e funções de enriquecimento, que servem para descrever as descontinuidades locais do modelo. No XFEM, a geometria da fratura se torna independente da malha, permitindo a ela se movimentar livremente através do domínio, sem que haja a necessidade de um passo para adaptar a malha à descontinuidade. Realizou-se a validação do XFEM utilizando dois testes clássicos da Mecânica da Fratura: a viga apoiada em três pontos com carregamento centrado (SEN(B)); e o disco compacto submetido à tração (CDT). Adicionalmente um modelo de fraturamento hidráulico foi utilizado para estudar a influência de diferentes parâmetros do material e da geometria da fratura inicial. A simulação do início e propagação do fraturamento hidráulico realiza-se através de um modelo numérico bidimensional, em que o meio poroso é idealizado como linear elástico e o critério de propagação se baseia na taxa de energia liberada e nos fatores de intensidade de tensão. As soluções fornecidas pelo modelo numérico fundamentado no XFEM nos casos de validação e no caso de investigação são comparadas com os resultados obtidos a partir de dados experimentais e formulações analíticas, observando-se uma ótima concordância. Demostrou-se a capacidade do XFEM para resolver complexos problemas de propagação de fraturas. _______________________________________________________________________________________________ ABSTRACT / This research develops a numerical analysis of hydraulic fracturing using Extended Finite Element Method (XFEM). This method intend to simulate the initiation mechanism and propagation of cracks induced from the tip of an initial fracture. The main objective of this work is to improve the understanding of hydraulic fracturing phenomenon guided by an initial notch. It is understood that the hydraulic fracturing problem is a phenomenon that combines various physical process, including the fluid flow, the rock matrix deformation and the fracture propagation, however simplifications are essential. The XFEM is used to perform spatial discretization of the models. This method is considered to be a robust tool to solve numerical discontinuities problems. XFEM is the basis of the Finite Element Method (FEM), adding degrees of freedom and enrichment functions to describe the local discontinuities of the model. Through XFEM, the geometry of the fracture becomes independent of the mesh, it allows to move freely through the area without a step to adapt the mesh to the discontinuity. The validation of XFEM was performed using two classical tests of Fracture Mechanics: a single edge notched beam (SEN(B)) and the disk shaped compact tension test (CDT). Additionally, a hydraulic fracturing model is used to study the influence of various parameters of the material and geometry of the initial fracture. The simulation of hydraulic fracturing is accomplished by a two-dimensional numerical model, wherein the porous medium is idealized as linear elastic and the propagation criterion is based on the energy released rate and the stress intensity factors (SIF). The solutions provided by the numerical model based on XFEM are compared with experimental data and analytical formulations, giving it very good agreement. It has been shown the capability of the XFEM to solve complex fracture propagation problems.

Dissertação (mestrado)—Universidade de Brasília, Faculdade de Tecnologia, Departamento de Engenharia Mecânica, 2018. / Submitted by Raquel Viana (raquelviana@bce.unb.br) on 2018-07-04T17:06:49Z No. of bitstreams: 1 2018_AndréLuisPinto.pdf: 7347530 bytes, checksum: 8644132d31a82d1dcda301fb3c6b042b (MD5) / Approved for entry into archive by Raquel Viana (raquelviana@bce.unb.br) on 2018-07-09T18:09:39Z (GMT) No. of bitstreams: 1 2018_AndréLuisPinto.pdf: 7347530 bytes, checksum: 8644132d31a82d1dcda301fb3c6b042b (MD5) / Made available in DSpace on 2018-07-09T18:09:39Z (GMT). No. of bitstreams: 1 2018_AndréLuisPinto.pdf: 7347530 bytes, checksum: 8644132d31a82d1dcda301fb3c6b042b (MD5) Previous issue date: 2018-07-04 / Em situações onde a abordagem de tolerância ao dano é utilizada, é necessário prever o crescimento e a trajetória da trinca para que se possa estimar a vida de fadiga utilizando os métodos da Mecânica da Fratura. Quando uma trinca está sujeita a um único modo de abertura, esta trinca se propaga em uma direção linear, porém, em casos onde há a presença de dois ou mais modos de abertura, a trinca possui uma trajetória curva. Deste modo, o presente trabalho propõe uma metodologia para prever a trajetória de uma trinca submetida a modos mistos de carregamento utilizando um software de elementos finitos (Ansys), por meio de uma rotina escrita na linguagem APDL (Ansys parametric desing language). A inclinação incremental da trinca é calculada pelo modelo MTC (máxima tensão circunferencial). Por meio do processo interativo de integração, é possível obter os valores dos fatores de intensidade de tensão em modo misto de carregamento, que são utilizados para a previsão da trajetória da trinca e da vida do componente. A metodologia desenvolvida neste trabalho é validada por meio de ensaios de fadiga com amostras do tipo compact tension specimen, CT. O material utilizado para a fabricação das amostras foi a liga Al 7050-T7451 e os ensaios foram realizados no laboratório de fadiga da Universidade de Brasília. Os corpos de prova foram primeiramente fabricados conforme a norma ASTM E647, porém suas geometrias foram posteriormente modificadas, nos quais furos foram usinados para curvar o caminho de propagação da trinca. O método utilizado mostra excelentes resultados para o CT com a direção da laminação S-L, onde a previsão da vida pelo modelo numérico obteve um erro de −12,04% com relação a vida obtida em laboratório, e a previsão da trajetória da trinca foi muito próxima da trajetória experimental. Entretanto, para o corpo de prova com a orientação T-S não foi possível a obtenção de bons resultados devido a tendência de desvio do plano de propagação durante o crescimento da trinca. / In situations where the damage tolerance approach is used, it is necessary to predict the growth and trajectory of the crack in order to estimate the fatigue life using the methods of Fracture Mechanics. When a crack is subjected to a single opening mode, this crack propagates in a linear direction, but in cases where there are two or more opening modes, the crack has a curved trajectory. Thus, the present work proposes a methodology to predict the trajectory of a crack subjected to mixed modes of loading using a finite element software (Ansys), through a routine written in the language APDL (Ansys parametric desing language). The MCS (Maximum circumferential stress) model calculates the incremental slope of the crack. Through interactive integration process, it is possible to obtain the values of the stress intensity factors for mixed-mode loading, which are used to predict the crack trajectory and the life of the component. The methodology developed in this work is validated through fatigue tests with samples of compact tension specimen, CT. The material used to make the samples was the alloy Al 7050-T7451 and the tests were carried out in the fatigue laboratory of the University of Brasília. The specimens were first manufactured according to ASTM E647, but their geometries were later modified, in which holes were machined to bend the crack propagation path. The method used shows excellent results for the CT with the direction of lamination S-L, where the life prediction by the numerical model obtained a error of −12,04% in relation to the life obtained in the laboratory, and the prediction of the crack trajectory was very close to the experimental trajectory. However, for the specimen with the T-S orientation it was not possible to obtain good results due to deviation tendency of propagating plane during crack growth.