Dissertação (mestrado)—Universidade de Brasília, Faculdade de Tecnologia, Departamento de Engenharia Mecânica, 2018. / Submitted by Raquel Almeida (raquel.df13@gmail.com) on 2018-05-21T18:19:52Z No. of bitstreams: 1 2018_PauloGuilhermeMarquesFlávio.pdf: 10971780 bytes, checksum: 75c027107fde3dc95e7d601a288bc59d (MD5) / Approved for entry into archive by Raquel Viana (raquelviana@bce.unb.br) on 2018-05-29T18:31:34Z (GMT) No. of bitstreams: 1 2018_PauloGuilhermeMarquesFlávio.pdf: 10971780 bytes, checksum: 75c027107fde3dc95e7d601a288bc59d (MD5) / Made available in DSpace on 2018-05-29T18:31:34Z (GMT). No. of bitstreams: 1 2018_PauloGuilhermeMarquesFlávio.pdf: 10971780 bytes, checksum: 75c027107fde3dc95e7d601a288bc59d (MD5) Previous issue date: 2018-05-29 / O banco veicular é um componente de segurança passiva que desempenha um papel de suma importância no posicionamento e restrição dos passageiros, tanto em uso habitual quanto em situações fortuitas, como na ocorrência de colisões. A falha neste componente pode colocar em risco a condução do veículo e, consequentemente, a segurança dos seus ocupantes. Com o objetivo de regulamentá-los, as normas ECE 17, FMVSS 207 e NBR 15283 apresentam os requisitos dos elementos que os constitui, em especial daqueles que asseguram a ancoragem do banco ao assoalho do veículo: trilho, mecanismo de trava e parafusos de fixação, a fim de minimizar a possibilidade de falha por forças provenientes de uma colisão inesperada. A definição da norma ECE 17 permitiu estabelecer os procedimentos numéricos, realizados, prioritariamente, por meio de softwares comerciais em Elementos Finitos, onde uma curva de aceleração pré-determinada foi imposta ao banco veicular, simulando impactos frontais e traseiros. A aplicação de tal esforço externo permitiu realizar um conjunto de análises lineares, não-lineares, quasi-estáticas e dinâmicas no sistema de fixação do banco, o que possibilitou a obtenção de dados referentes aos deslocamentos, deformações e tensões que tais elementos estão submetidos. Diante de tais resultados, uma melhor compreensão do comportamento do sistema de fixação do banco foi alcançada, permitindo, por exemplo, uma definição de metodologia de verificação numérica de bancos veiculares. Não menos importante, diante dos dados de tensões e deformações, análises de previsão de vida à fadiga foram realizados, a fim de avaliar questões que tangem o projeto do banco averiguado. / The safety of vehicle seats plays an important role in positioning and restraining passengers during usual travel and fortuitous events, such as collisions. ECE 17, FMVSS 207 and NBR 15283 regulates their elements' requirements, in particular those that ensure the anchorage of the seat to the vehicle’s floor (seat track, locking mechanism and fixing screws), aiming to minimize the likelihood of failure by forces of an unexpected collision. The definition of the ECE 17 allowed to establish the numerical procedures, in which a predetermined acceleration curve was imposed on the car seat, simulating frontal and rear impacts. The application of such external force led to the realization of a set of linear, non-linear, quasi-static and dynamic analyzes in fastening components, making it possible to obtain data regarding displacements, strains and stresses to which such element are submitted. In view of these results, a better understanding of the behavior of fastening components was achieved, defining a numerical methodology for car seats. Lastly, face to the stress and strain data, fatigue life prediction analyzes were performed in order to evaluate issues related to car seats. For the numerical procedures, commercial software in Finite Elements Method was applied.

[pt] Esta pesquisa teve como objetivo avaliar o efeito do jateamento de partículas (shot-peening) sobre a vida-fadiga do aço estrutural R4, largamente adotado na fabricação de componentes estruturais para sistemas de ancoragem de unidades flutuantes. Inicialmente, amostras cilíndricas do material foram retiradas das seções retas de elos tipo Kenter. Em seqüência, algumas amostras foram temperadas e revenidas em diferentes tempos de tratamento, com o objetivo de se promover uma homogeneidade microestrutural, bem como propriedades mecânicas similares àquelas dos elos tratados industrialmente. As amostras foram submetidas a ensaios de dureza e tração e, com base nos resultados, providenciou-se o tratamento térmico de todas as amostras. Dando continuidade a etapa experimental, corpos de prova para ensaios de fadiga foram usinados das amostras tratadas e submetidos a jateamento com microesferas de aço temperado sob pressões de 20 psi, 30 psi e 40 psi. Finalmente, corpos de prova nas condições sem jateamento e após jateamento foram submetidos a ensaios de fadiga por flexão rotativa, com o objetivo de se levantar a curva tensão versus número de ciclos para a falha (curva S-N) do aço estrutural R4 nas diferentes condições de superfície. A extensão da vida em fadiga do aço estrutural R4 foi relacionada com o jateamento de microesferas. De acordo com os resultados, houve uma influência benéfica do tratamento de superfície sobre a vida-fadiga do material. Tal influência foi caracterizada por um maior número de ciclos para a falha e aumento do limite de resistência à fadiga. Os resultados mostraram que a extensão da vida útil esteve diretamente relacionada com a intensidade do jateamento, significando que uma maior intensidade de jateamento provocou uma maior extensão da vida-fadiga do material. / [en] The objective of the present work was to evaluate the effect of shot peening on the fatigue life of a grade R4 structural steel, largely adopted for fabricating offshore mooring chains. Initially, cylindrical samples of the material were cut of from the straight sections of Kenter links. In the sequence, a number of specimens were austenitized ed and tempered making use of different treatment times, in order to promote a microstructural homogeneity as well as mechanical properties similar to those associated with industrial heat treatments. The specimens were subjected to hardness and tensile tests and on the basis of the results, all samples were heat treated. After that, fatigue specimens were machined from the treated samples and shot peened with quenched steel shots under pressures of 20 psi, 30 psi and 40 psi. Finally, rotating bend fatigue tests were performed with unpeened and shot peened specimens aiming to establish the stress-life curves of the grade R4 structural steel. The fatigue life extension of the grade R4 structural steel was related to the shot peening. Regarding the results, the surface treatments affected the fatigue life of the material beneficially. This influence was characterized by a longer fatigue cycles and a fatigue life improvement. The results showed that the fatigue life extension was directly related to the shot peening intensity, i.e., the fatigue life extension has increased when increasing the shot peening intensity.

[pt] O presente trabalho apresenta um estudo da influência dos tratamentos térmicos de têmpera e revenido sôbre a resistência à fratura do aço estrutural R4, adotado na fabricação de elos para sistemas de ancoragem de unidade offshore e soldados pelo processo de centelhamento. Corpos de prova do tipo CT foram retirados da região da solda dos elos, usinados com orientação L-R e submetidos a diferentes tratamentos térmicos de têmpera (temperaturas de austenitização de 810, 840, 870 e 900ºC) e revenido (640 e 680ºC), num total de quatro condições microestruturais. Após pré-trincamento em fadiga, os corpos de prova foram submetidos a carregamento monotônico em tração, com o objetivo de se determinar a resistência à fratura do material com base no parâmetro CTOD (Crack Tip Opening Displacement). Os resultados do ensaio de CTOD demonstraram que houve uma redução da resistência à fratura do aço estrutural R4 com o aumento da temperatura de austenitização (810, 840 e 870°C) e temperatura de revenido de 640°C. Entretanto, para maiores temperaturas de austenitização (900°C) e revenido (680°C), houve um aumento do parâmetro CTOD. Modificações microestruturais no material causadas pelos tratamentos térmicos foram associadas com as variações da tenacidade. / [en] This study has been made concerning the influence of quenching and tempering heat treatments on the fracture resistance of a grade R4 structural steel, largely used for fabricating offshore mooring chains by flash welding. CT specimens were taken from the welded joints region in L-R and machined following orientation and subjected to different quenching (austenizing temperatures of 810, 840, 870 and 900ºC) and tempering (640 ºC and 680ºC) treatments, in a total of four microstructural conditions. After fatigue precracking, the specimens were monotonically loaded in tension in order to determine the fracture resistance of the material on the basis of the CTOD (Crack Tip Opening Displacement) parameter. The results of the CTOD tests showed that the fracture resistance of the grade R4 structural steel has decreased when increasing the austenitizing temperature (810, 840 and 870°C) and tempering at 640ºC. However, when adopting higher austenitizing (900°C) and tempering (680° C) temperatures, the parameter CTOD has increased. The microstructural modifications caused by the heat treatments were associated with the toughness modifications.

[pt] Este trabalho tem como objetivo estudar a resistência de um sistema de ancoragem composto de pinos com cabeça embutidos no concreto, quando submetidos a cargas de impacto. A variável adotada foi a taxa de carregamento cujos valores mínimo e máximo foram 0,015 kN/s (estático) e 54.885 kN/s, respectivamente. O sistema de ancoragem foi projetado de forma que a ruptura fosse governada pelo arrancamento do cone de ruptura. Foram ensaiados onze blocos de concreto com um pino embutido no concreto, sujeitos a diferentes taxas de aplicação de carga. Foram também ensaiados quinze corpos-de-prova de concreto à compressão diametral e nove pinos à tração, também sujeitos a diferentes taxas de aplicação de carga. O objetivo desses ensaios foi verificar a influência da taxa de carregamento sobre as resistências dos materiais - concreto e aço - que participam do sistema de ancoragem. Os resultados mostraram que a área da superfície e a inclinação do cone de ruptura não sofrem grandes alterações. A carga de ruptura do cone de concreto cresce com a taxa de carregamento, e que esse crescimento pode ser descrito por uma função logarítmica. O mesmo foi observado para a resistência à tração do concreto por compressão diametral e para os pinos. / [en] This work investigates the strength of a concrete anchor system constituted of headed studs embedded in concrete subjected to impact tension load. The main variable was the loading rate which varied from a minimum of 0,015 kN/s (static) to a maximum of 54885 kN/s. The anchor system was designed so that the failure was governed by concrete cone breakout. Eleven concrete blocks with a single headed stud were tested under different loading rates. In addition, fifteen concrete cylinders subjected to compression along a diameter (split cylinder test) and nine headed studs subjected to tension were tested under different loading rates in order to investigate the effects of the loading rate on the strength of concrete and steel separately. The results showed that the area and the angle of the concrete cone were not affected by the loading rate. The failure load of the concrete cone increases as the loading rate increases and this phenomenon can be described by a logarithmic function. The concrete split tensile strength and the steel tensile strength also increase as the loading rate increases.

Submitted by Fabio Sobreira Campos da Costa (fabio.sobreira@ufpe.br) on 2016-07-28T12:37:32Z No. of bitstreams: 2 license_rdf: 1232 bytes, checksum: 66e71c371cc565284e70f40736c94386 (MD5) Tese_Doutorado_EngCivil_FMGF_2016_[digital].pdf: 9767217 bytes, checksum: e33d3971801fd7f7f68b85fc05826ba3 (MD5) / Made available in DSpace on 2016-07-28T12:37:32Z (GMT). No. of bitstreams: 2 license_rdf: 1232 bytes, checksum: 66e71c371cc565284e70f40736c94386 (MD5) Tese_Doutorado_EngCivil_FMGF_2016_[digital].pdf: 9767217 bytes, checksum: e33d3971801fd7f7f68b85fc05826ba3 (MD5) Previous issue date: 2016-01-29 / Ao esgotar as reservas de hidrocarbonetos em terra e águas rasas, a indústria vem explorando e produzindo petróleo em águas profundas e ultraprofundas. No entanto, a verificação hidrodinâmica de novos sistemas flutuantes de produção continua usando as metodologias consagradas, especialmente os ensaios em tanques oceânicos de laboratório. A utilização de modelos em escala reduzida vem sendo adotada desde os primeiros projetos em águas rasas e continua até hoje nos projetos em águas ultraprofundas. No entanto, os ensaios em profundidades superiores a 1.500m necessitam de um fator de escala muito elevado, com diversos problemas associados, dentre eles as dificuldades de acomodar as linhas de ancoragem e as incertezas relacionadas a modelos muito pequenos. Dentre as soluções possíveis, os ensaios híbridos (numérico-experimental) se apresentam como a solução mais viável para verificação experimental em águas ultraprofundas, em especial o ensaio híbrido passivo. Esse tipo de ensaio é organizado em etapas, sendo a primeira delas responsável pela definição do sistema truncado. Se essa etapa não for executada de forma satisfatória, o sucesso do ensaio pode ser comprometido. Assim, a fim de minimizar essa questão, propõe-se nesta tese de doutorado uma forma sistemática para encontrar sistemas truncado equivalentes, considerando os efeitos estáticos e dinâmicos, através da utilização de ferramentas de otimização. Nesse sentido, a abordagem adotada utiliza um simulador para análise estática e dinâmica de estruturas offshore denominado Dynasim e um algoritmo de otimização baseado em gradiente através do sistema Dakota. Também é utilizada a metodologia de planejamento de experimentos para identificar os fatores que influenciam as respostas estática e dinâmica do problema, evitando o uso de variáveis de projeto irrelevantes no estudo da otimização. Ressalta-se que essa metodologia não foi aplicada em outros trabalhos no contexto de sistemas de ancoragem truncado, segundo nosso conhecimento. Além disso, analisa-se o projeto ótimo do sistema truncado em várias condições ambientais, cujo interesse é verificar a concordância dele com o sistema de ancoragem na profundidade completa. Devido ao elevado custo computacional envolvido nessa verificação, utiliza-se a computação de alto desempenho, com processamento paralelo, para viabilizar a realização dessas análises. Como é demonstrado neste trabalho, a metodologia proposta facilita a busca de sistemas de ancoragem truncado equivalente preservando as características estáticas e dinâmicas do sistema de ancoragem completo. São apresentados e discutidos quatro casos, os dois primeiros se referem a casos simplificados, o terceiro é baseado na literatura e o quarto é baseado em um cenário real. Os resultados obtidos nos casos estudados mostram que os sistemas truncados equivalentes encontrados conseguem reproduzir o comportamento dos sistemas completos para as condições verificadas. / With the depletion of onshore and offshore shallow-water reserves, the industry has exploited and produced oil in deep water and ultra-deepwater. However, the hydrodynamic verification of new floating production systems continues using the established methodologies, especially by carrying out tests on ocean basin laboratories. Small-scale model tests have been used since the first projects in shallow water and continue today in the projects in ultra-deepwater. However, tests in depths above 1,500m require a very high scale factor, which poses several complications, among them the difficulties to accommodate the mooring lines and the small models related uncertainties. Among the possible solutions, the hybrid testing (numerical and experimental) are the most feasible solution to experimental verification in ultra-deepwater, especially the hybrid passive systems test. Such test is divided into steps, the first one responsible for the definition of the truncated system. If this step is not performed satisfactorily, the success of the test may be compromised. Thus, in order to minimize this issue, a systematic way to find equivalent truncated systems, considering the static and dynamic effects through the use of the optimization tools is proposed in this doctoral thesis. Accordingly, the approach adopted uses a numerical simulator, called Dynasim, for static and dynamic analysis of offshore structures, and a gradient based optimization algorithm, given in Dakota computational system. Additionally, the design of experiments methodology is used to identify the factors that influence the static and dynamic responses of the problem, avoiding the use of irrelevant design variables in the optimization process. It has to be emphasized that this methodology has not been used in other works in the context of truncated mooring systems, to our knowledge. Furthermore, the optimal design of the truncated system is analyzed for several environmental conditions. The aim is to verify the agreement of the truncated mooring system with system in the full-depth. Due to the high computational cost involved in the verification, we use the high-performance computing, with parallel computation, to perform the analyzes. As shown in this work, the proposed methodology easy the search for equivalent truncated mooring systems preserving the static and dynamic characteristics of full-depth mooring systems. Four case studies are presented and discussed. The first two refer to simplified cases; the third is based on the literature and the fourth is based on a real scenario. The results in each case show that the truncated equivalent system found can reproduce the behavior of full-depth system for the verified conditions.