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.

Alvenaria estrutural é um sistema construtivo em que paredes exercem tanto função estrutural como de vedação. Apesar de ser largamente utilizada no Brasil atualmente, não há uma norma nacional com procedimentos para o dimensionamento deste sistema em situação de incêndio. Muito se deve pelo fato de as pesquisas nesta área serem substancialmente escassas se comparadas com os sistemas construtivos em concreto armado ou aço. Neste contexto, este trabalho tem por objetivo realizar ensaios experimentais para avaliar a resistência residual de compressão da alvenaria estrutural com blocos de concreto. Foram avaliadas duas variações de blocos de concreto, com resistências características de 4,0 e de 10,0 MPa, ambos com espessura nominal de 140 mm e os corpos de prova estudados foram os prismas e as pequenas paredes. Realizou-se a caracterização física, geométrica e mecânica da alvenaria em temperatura ambiente e na sequência os corpos de prova foram submetidos a uma simulação de incêndio-padrão normalizado pela ISO 834-1:1999, durante 120 minutos que é o TRRF máximo recomendado pela ABNT NBR 14432:2001. Na primeira fornada foram avaliados os elementos de 140 mm sem revestimento e segunda fornada todos os elementos revestidos com uma camada de 5 mm de gesso. Após o resfriamento lento até a temperatura ambiente, os corpos de prova foram submetidos ao ensaio de compressão simples para avaliar a resistência residual de compressão dos blocos, prismas e pequenas paredes. Em todos os casos as resistências encontradas ficaram abaixo do suficiente para garantir a segurança durante a ação de um incêndio, uma vez que o máximo de resistência residual encontrado foi de 22%. A influência da compartimentação na resistência residual das pequenas paredes, foi brevemente avaliada, para isso três pequenas paredes de 4,0 MPa e 140 mm com o interior isolado dos gases externos foram submetidas ao incêndio-padrão e compressão pós resfriamento, verificou-se que a perda de resistência neste caso foi de 54% enquanto nas pequenas paredes com fogo em todas as faces e expostas ao fogo pelo mesmo período a perda foi de 86%. Estas pequenas paredes compartimentadas foram instrumentadas com a finalidade de avaliar a transferência de calor ao longo da sessão transversal e verificar o tempo de atendimento do critério de isolamento, que neste caso foi de 62 minutos, abaixo do TRRF máximo de 120 minutos. / Structural masonry is a building system that walls work as structure and has sealing function too. Even though it is widely used in Brazil nowadays, there is no national standardization for the masonry design in fire situation. One of the reasons is that researches in this area are substantially sparse if compared with other building systems like reinforced concrete and steel. In this context, the purpose of this work is to evaluate the residual compressive strength of concrete structural masonry by experimentally tests. Two concrete block variations were evaluated, with strengths of 4,0 and 10,0 MPa, both with 140 mm nominal thickness, the elements studied were prisms and walls, beyond blocks. In the first stage, the masonry was characterized in ambient temperature and in the second stage, the elements were submitted to fire simulation standardized by ISO 834-1: 1999 for 120 minutes, which is the maximum TRRF recommended by ABNT NBR 14432: 2001. In the first fire simulation the 140 mm elements were evaluated without covering and in the second one, all the elements were covered with 5 mm layer of plaster. Then, after slow cooling until ambient temperature, the residual compressive strength of the blocks, prisms and walls was evaluated by compression test. In all cases the resistances were not enough to ensure safety during the fire, since the maximum residual resistance found was 22%. Still in this stage, the influence of the compartmentation on the residual resistance of the walls was briefly evaluated. Three walls of 4.0 MPa and 140 mm were placed in a triangle that was thermally insulated inside, and after the fire simulation were subjected in a post-cooling compression test. The loss of resistance found in this case was 54% while in the walls with fire on all faces and exposed to fire for the same period the loss was 86%. These compartmentalized walls were instrumented with the purpose of evaluating the heat transfer along the cross section and to check the time of the isolation criterion attendance, which in this case was 62 minutes, below the 120-minute established as maximum TRRF.

O presente trabalho, inicialmente, apresenta uma revisão a cerca de vários métodos de análise de fadiga e tolerância ao dano em materiais compósitos e, em particular, o conceito de elemento crítico e o método da resistência residual é estudado e aplicado à análise de materiais compósitos poliméricos, reforçados por fibras contínuas, sob cargas cíclicas. Casos de laminados com concentradores de tensão são também abordados, principalmente, devido ao crescente emprego de materiais compósitos. Diante do contexto apresentado, o presente trabalho buscou desenvolver uma ferramenta computacional, que fosse capaz de prever de forma consistente tanto a vida em fadiga de estruturas em material compósito como a resistência residual dessas estruturas sob a ação de carregamentos cíclicos. Dessa forma, um modelo baseado na resistência residual, que envolve integração numérica, é implementado em um programa computacional denominado SAFECom (Sistema de Análise de Fadiga de Estruturas em Compósito), o qual é aplicado a alguns estudos de casos. O SAFECom foi, então, avaliado, comparando resultados obtidos com dados da literatura. Verifica-se uma boa convergência entre os resultados nessa fase de avaliação. Por fim, são listadas possibilidades de aprimoramento do programa, que podem torná-lo aplicável a outros estudos de casos não abordados no presente trabalho, além da avaliação do mesmo através de ensaios experimentais. / This work firstly presents an overview about various methods of analysis of fatigue and damage tolerance of composite materials and, in particular, the concept of critical element and the method of residual strength are studied and applied to the analysis of polymer composites reinforced by continuous fibers under cyclic loading. Cases of laminates with stress concentrators are also addressed, mainly due to increasing use of composite materials. In this context, this work aimed to develop a computational tool that was able to consistently predict both the fatigue life of structures in composite material and the residual strength of these structures under the action of cyclic loads. Thus, a model based on residual strength, which involves numerical integration, is implemented in a computer program called SAFECom (System of Analysis of Fatigue for Composites), which is applied to some case studies. The SAFECom is evaluated by comparing results obtained from literature data. There is a good convergence between the results of this assessment. Finally, possibilities for improvement are listed on the program that can make it applicable to other case studies, which were not covered in this study, in addition to its evaluation by experimental tests.

Advanced aerospace materials, including fibre reinforced polymer and ceramic matrix composites, are increasingly being used in critical and demanding applications, challenging not only the current damage prediction, detection, and quantification methodologies, but also the residual life of the structure. The main objective of this work consists of developing theoretical and experimental studies about residual strength for composite structures, which are damaged by impact loading, aided by a SHM system, which combines different methods. For this, it is necessary: to identify, and to localize damage, as well as to calculate the severity of the damage and to predict the residual strength of the composite structure. To achieve these goals, the research methodology should consider three methods: (1) Vibration Based Method (VBM); (2) Shearography Speckle (SS) and (3) Flexural After Impact (FAI). Composite plates, made of epoxy resin reinforced by carbon or glass fibre, are evaluated. Firstly, VBM provide Frequency Response Functions to be analysed by suitable metrics (including a new metric), which are compared in terms of their capability for damage identification and global location. Afterwards, the extension of impact damage is determined by using shearography speckle. This technique has demonstrated great potential for damage detection in composite laminated structures. The identification of the damage from the measurements performed with the SS technique is based on the analysis of disturbances in the speed field caused because of the different properties of the material. These abnormal deformations can be verified as typical strains in damaged structures. SS is a laser interferometry method sensitive to displacement gradient in a surface direction out of the plane. Under the action of a smaller load, the structure is deformed and the presence of damage is shown through local peculiarities of surface deformation observed field. Finally, a flexure after impact (FAI) test is used to evaluate its limitations and potentialities as a damage tolerance technique. The residual flexural strength of damaged specimens is evaluated by quasi-static four-point bending test. A new criterion based on a relationship between damage metric from VBM and FAI analysis is presented and discussed. Thus, these results are normalized by using the maximum load and the metrics for damage analyses, i.e. if there is no damage in the structure, then the metric returns zero value. If the structure is partially damaged then the metric returns a number between one and zero. In addition, if the structure is totally damaged (i.e. residual strength is lower than specified in design), then the metric returns a value equal one. Finally, it is discussed the advantages and limitations of this combination into the context of SHM system (Structural Health Monitoring System). / Materiais compósitos estão cada vez mais sendo usados em aplicações críticas e exigentes, desafiando não apenas as metodologias atuais de previsão de dano, detecção, quantificação, mas também da vida residual da estrutura. O principal objetivo deste trabalho consiste no desenvolvimento de estudos teóricos e experimentais sobre a resistência residual de estruturas de compósito, que são danificadas pelo carregamento de impacto, auxiliado por um sistema SHM, que combina diferentes métodos. Para isso, é necessário: identificar, localizar danos, bem como determinar a severidade dos danos e estimar a resistência residual da estrutura. Para atingir esses objetivos, a metodologia de pesquisa considerou três métodos: (1) Método baseado em vibração; (2) Shearography Speckle (SS) e (3) Flexão após Impacto (FAI). Placas de compósito, fabricadas em resina epóxi reforçada por fibra de carbono ou de vidro, são avaliadas. Em primeiro lugar, o método baseado em vibração produz Funções de Resposta em Frequência, que são analisadas através de métricas adequadas (incluindo uma nova métrica), que são comparadas em termos de sua capacidade de identificação de danos e de localização global. Depois disso, a extensão de danos causados pelo impacto é determinada empregando SS. Esta técnica tem demonstrado grande potencial na detecção de dano em estruturas laminadas compósito. A identificação do dano a partir das medidas realizadas com a técnica SS tem por base a análise das perturbações no campo de curvaturas causada devido à heterogeneidade das propriedades do material. Estas deformações anormais podem ser verificadas como deformações típicas de estruturas danificadas. A SS é um método de interferometria laser sensível ao gradiente de deslocamento de uma superfície na direção fora do plano. Sob a ação de um pequeno carregamento, a estrutura é deformada e a presença de danos é revelada através de singularidades locais do campo de deformação observado na superfície. Finalmente, teste de flexão após o impacto (FAI) é usado para avaliar suas limitações e potencialidades como uma técnica de tolerância ao dano. A resistência à flexão das amostras intactas e danificadas é avaliada por ensaio de flexão em quatro-pontos quase-estático. Um novo critério baseado em uma relação entre a métrica de dano prevista pelos métodos de vibração e a análise via FAI é apresentado e discutido. Assim, estes resultados são normalizados utilizando a carga máxima e as métricas de dano, ou seja, se não houver nenhum dano na estrutura, a métrica retorna valor igual a zero. Se a estrutura é parcialmente danificada, a métrica retorna um valor entre um e zero. Além disso, se a estrutura está totalmente danificada (ou seja, a resistência residual está abaixo do especificado em projeto), a métrica retorna um valor igual a um. Por fim, discutem-se as vantagens e limitações desta combinação para o contexto de sistema SHM (Sistema de Monitoramento da Integridade Estrutural).

O uso de fibra de aço como reforço no concreto tem sido objeto de várias pesquisas recentes. Com o surgimento do concreto autoadensável reforçado com fibras, a fluidez do concreto aumenta a possibilidade de orientação das fibras na etapa de concretagem, o que pode trazer alterações significativas no comportamento mecânico do concreto endurecido. O objetivo deste trabalho foi verificar a influência das condições de moldagem sobre a resistência residual pós-fissuração de elementos planos moldados com concreto autoadensável reforçados com fibra de aço. Também foi objetivo deste trabalho verificar previamente a combinação de ensaios reológicos com métodos convencionais para controle e caracterização do concreto autoadensável no estado fresco. A caracterização do concreto foi feita com reometria rotacional, caixa-L e espalhamento. Os resultados apontam que o estudo da reologia do concreto é desejável e a combinação dos ensaios de reologia com ensaios convencionais pode trazer mais informações sobre o efeito da adição de fibras. Foram realizados ensaios de punção de placas para avaliar o comportamento mecânico de elementos planos produzidos com concreto lançado em posições distintas. A confirmação da orientação preferencial das fibras como causa da diferença de comportamento foi realizada através de informações obtidas com os ensaios indutivo e Double Edge Wedge Splitting (DEWS) realizados em testemunhos extraídos de placas moldadas sob as mesmas condições. Além disso, comprovou-se que a orientação preferencial gerada pelas condições de lançamento do concreto pode influenciar significativamente na resistência pós-fissuração de elementos estruturais planos. / The use of steel fiber as reinforcement in concrete has been the subject of several recent studies. With the development of self-compacting fiber reinforced concrete, the fluidity of the material could increase the possibility of orientation of fibers during the casting process. That condition could bring significant changes in the mechanical behavior of hardened fiber reinforced concrete. The aim of this study was to investigate the influence of the conditions of casting on the post-cracking residual strength of flat elements molded with self-compacting concrete reinforced with steel fibers. It was also an objective of this work verify previously the combination of rheological tests with conventional methods in order to control and characterize the self-compacting concrete in the fresh state. The characterization of the concrete in fresh state was made with rotational rheometer, L-box and spreading tests. The results showed that the study of the concrete rheology is desirable and combination of rheological tests with conventional testing can provide more information about the effect of fiber addition. The evaluation of the mechanical behavior of flat elements produced under different positions of casting was conducted through test panels submitted to punching loading. The confirmation of the orientation of the fibers as a cause of the difference in the behavior was accomplished through information obtained from the inductive and DEWS tests performed on extracted cores of panels molded under the same conditions. Furthermore, the preferred orientation caused by the concrete flow significant influence on the post-cracking strength of the structural flat elements was shown. The tests carried out with extracted cores endorsed the conclusion that the cause of performance variation is fundamentally linked to the preferred orientation, which is a result of the casting procedure.

Advanced aerospace materials, including fibre reinforced polymer and ceramic matrix composites, are increasingly being used in critical and demanding applications, challenging not only the current damage prediction, detection, and quantification methodologies, but also the residual life of the structure. The main objective of this work consists of developing theoretical and experimental studies about residual strength for composite structures, which are damaged by impact loading, aided by a SHM system, which combines different methods. For this, it is necessary: to identify, and to localize damage, as well as to calculate the severity of the damage and to predict the residual strength of the composite structure. To achieve these goals, the research methodology should consider three methods: (1) Vibration Based Method (VBM); (2) Shearography Speckle (SS) and (3) Flexural After Impact (FAI). Composite plates, made of epoxy resin reinforced by carbon or glass fibre, are evaluated. Firstly, VBM provide Frequency Response Functions to be analysed by suitable metrics (including a new metric), which are compared in terms of their capability for damage identification and global location. Afterwards, the extension of impact damage is determined by using shearography speckle. This technique has demonstrated great potential for damage detection in composite laminated structures. The identification of the damage from the measurements performed with the SS technique is based on the analysis of disturbances in the speed field caused because of the different properties of the material. These abnormal deformations can be verified as typical strains in damaged structures. SS is a laser interferometry method sensitive to displacement gradient in a surface direction out of the plane. Under the action of a smaller load, the structure is deformed and the presence of damage is shown through local peculiarities of surface deformation observed field. Finally, a flexure after impact (FAI) test is used to evaluate its limitations and potentialities as a damage tolerance technique. The residual flexural strength of damaged specimens is evaluated by quasi-static four-point bending test. A new criterion based on a relationship between damage metric from VBM and FAI analysis is presented and discussed. Thus, these results are normalized by using the maximum load and the metrics for damage analyses, i.e. if there is no damage in the structure, then the metric returns zero value. If the structure is partially damaged then the metric returns a number between one and zero. In addition, if the structure is totally damaged (i.e. residual strength is lower than specified in design), then the metric returns a value equal one. Finally, it is discussed the advantages and limitations of this combination into the context of SHM system (Structural Health Monitoring System). / Materiais compósitos estão cada vez mais sendo usados em aplicações críticas e exigentes, desafiando não apenas as metodologias atuais de previsão de dano, detecção, quantificação, mas também da vida residual da estrutura. O principal objetivo deste trabalho consiste no desenvolvimento de estudos teóricos e experimentais sobre a resistência residual de estruturas de compósito, que são danificadas pelo carregamento de impacto, auxiliado por um sistema SHM, que combina diferentes métodos. Para isso, é necessário: identificar, localizar danos, bem como determinar a severidade dos danos e estimar a resistência residual da estrutura. Para atingir esses objetivos, a metodologia de pesquisa considerou três métodos: (1) Método baseado em vibração; (2) Shearography Speckle (SS) e (3) Flexão após Impacto (FAI). Placas de compósito, fabricadas em resina epóxi reforçada por fibra de carbono ou de vidro, são avaliadas. Em primeiro lugar, o método baseado em vibração produz Funções de Resposta em Frequência, que são analisadas através de métricas adequadas (incluindo uma nova métrica), que são comparadas em termos de sua capacidade de identificação de danos e de localização global. Depois disso, a extensão de danos causados pelo impacto é determinada empregando SS. Esta técnica tem demonstrado grande potencial na detecção de dano em estruturas laminadas compósito. A identificação do dano a partir das medidas realizadas com a técnica SS tem por base a análise das perturbações no campo de curvaturas causada devido à heterogeneidade das propriedades do material. Estas deformações anormais podem ser verificadas como deformações típicas de estruturas danificadas. A SS é um método de interferometria laser sensível ao gradiente de deslocamento de uma superfície na direção fora do plano. Sob a ação de um pequeno carregamento, a estrutura é deformada e a presença de danos é revelada através de singularidades locais do campo de deformação observado na superfície. Finalmente, teste de flexão após o impacto (FAI) é usado para avaliar suas limitações e potencialidades como uma técnica de tolerância ao dano. A resistência à flexão das amostras intactas e danificadas é avaliada por ensaio de flexão em quatro-pontos quase-estático. Um novo critério baseado em uma relação entre a métrica de dano prevista pelos métodos de vibração e a análise via FAI é apresentado e discutido. Assim, estes resultados são normalizados utilizando a carga máxima e as métricas de dano, ou seja, se não houver nenhum dano na estrutura, a métrica retorna valor igual a zero. Se a estrutura é parcialmente danificada, a métrica retorna um valor entre um e zero. Além disso, se a estrutura está totalmente danificada (ou seja, a resistência residual está abaixo do especificado em projeto), a métrica retorna um valor igual a um. Por fim, discutem-se as vantagens e limitações desta combinação para o contexto de sistema SHM (Sistema de Monitoramento da Integridade Estrutural).

O presente trabalho, inicialmente, apresenta uma revisão a cerca de vários métodos de análise de fadiga e tolerância ao dano em materiais compósitos e, em particular, o conceito de elemento crítico e o método da resistência residual é estudado e aplicado à análise de materiais compósitos poliméricos, reforçados por fibras contínuas, sob cargas cíclicas. Casos de laminados com concentradores de tensão são também abordados, principalmente, devido ao crescente emprego de materiais compósitos. Diante do contexto apresentado, o presente trabalho buscou desenvolver uma ferramenta computacional, que fosse capaz de prever de forma consistente tanto a vida em fadiga de estruturas em material compósito como a resistência residual dessas estruturas sob a ação de carregamentos cíclicos. Dessa forma, um modelo baseado na resistência residual, que envolve integração numérica, é implementado em um programa computacional denominado SAFECom (Sistema de Análise de Fadiga de Estruturas em Compósito), o qual é aplicado a alguns estudos de casos. O SAFECom foi, então, avaliado, comparando resultados obtidos com dados da literatura. Verifica-se uma boa convergência entre os resultados nessa fase de avaliação. Por fim, são listadas possibilidades de aprimoramento do programa, que podem torná-lo aplicável a outros estudos de casos não abordados no presente trabalho, além da avaliação do mesmo através de ensaios experimentais. / This work firstly presents an overview about various methods of analysis of fatigue and damage tolerance of composite materials and, in particular, the concept of critical element and the method of residual strength are studied and applied to the analysis of polymer composites reinforced by continuous fibers under cyclic loading. Cases of laminates with stress concentrators are also addressed, mainly due to increasing use of composite materials. In this context, this work aimed to develop a computational tool that was able to consistently predict both the fatigue life of structures in composite material and the residual strength of these structures under the action of cyclic loads. Thus, a model based on residual strength, which involves numerical integration, is implemented in a computer program called SAFECom (System of Analysis of Fatigue for Composites), which is applied to some case studies. The SAFECom is evaluated by comparing results obtained from literature data. There is a good convergence between the results of this assessment. Finally, possibilities for improvement are listed on the program that can make it applicable to other case studies, which were not covered in this study, in addition to its evaluation by experimental tests.

O uso de fibra de aço como reforço no concreto tem sido objeto de várias pesquisas recentes. Com o surgimento do concreto autoadensável reforçado com fibras, a fluidez do concreto aumenta a possibilidade de orientação das fibras na etapa de concretagem, o que pode trazer alterações significativas no comportamento mecânico do concreto endurecido. O objetivo deste trabalho foi verificar a influência das condições de moldagem sobre a resistência residual pós-fissuração de elementos planos moldados com concreto autoadensável reforçados com fibra de aço. Também foi objetivo deste trabalho verificar previamente a combinação de ensaios reológicos com métodos convencionais para controle e caracterização do concreto autoadensável no estado fresco. A caracterização do concreto foi feita com reometria rotacional, caixa-L e espalhamento. Os resultados apontam que o estudo da reologia do concreto é desejável e a combinação dos ensaios de reologia com ensaios convencionais pode trazer mais informações sobre o efeito da adição de fibras. Foram realizados ensaios de punção de placas para avaliar o comportamento mecânico de elementos planos produzidos com concreto lançado em posições distintas. A confirmação da orientação preferencial das fibras como causa da diferença de comportamento foi realizada através de informações obtidas com os ensaios indutivo e Double Edge Wedge Splitting (DEWS) realizados em testemunhos extraídos de placas moldadas sob as mesmas condições. Além disso, comprovou-se que a orientação preferencial gerada pelas condições de lançamento do concreto pode influenciar significativamente na resistência pós-fissuração de elementos estruturais planos. / The use of steel fiber as reinforcement in concrete has been the subject of several recent studies. With the development of self-compacting fiber reinforced concrete, the fluidity of the material could increase the possibility of orientation of fibers during the casting process. That condition could bring significant changes in the mechanical behavior of hardened fiber reinforced concrete. The aim of this study was to investigate the influence of the conditions of casting on the post-cracking residual strength of flat elements molded with self-compacting concrete reinforced with steel fibers. It was also an objective of this work verify previously the combination of rheological tests with conventional methods in order to control and characterize the self-compacting concrete in the fresh state. The characterization of the concrete in fresh state was made with rotational rheometer, L-box and spreading tests. The results showed that the study of the concrete rheology is desirable and combination of rheological tests with conventional testing can provide more information about the effect of fiber addition. The evaluation of the mechanical behavior of flat elements produced under different positions of casting was conducted through test panels submitted to punching loading. The confirmation of the orientation of the fibers as a cause of the difference in the behavior was accomplished through information obtained from the inductive and DEWS tests performed on extracted cores of panels molded under the same conditions. Furthermore, the preferred orientation caused by the concrete flow significant influence on the post-cracking strength of the structural flat elements was shown. The tests carried out with extracted cores endorsed the conclusion that the cause of performance variation is fundamentally linked to the preferred orientation, which is a result of the casting procedure.