Neste trabalho está apresentada uma alternativa para o cálculo do fator de concentração de tensões (FCT) em juntas tubulares soldadas do tipo Y. Redes Neurais Artificiais (RNA) foram utilizadas para representar a distribuição de tensões ao longo da junta tubular para os casos de carregamento força axial no plano e momento fletor no plano. As RNA podem aprender a partir de um conjunto de dados sem a necessidade de uma expressão matemática entre as variáveis dependentes e independentes; representa uma vantagem sobre o procedimento normalmente utilizado, ou seja, as equações paramétricas. O modelo proposto representa um avanço no projeto de juntas tubulares, uma vez que evita a necessidade de se conhecer uma expressão matemática para representar a distribuição de tensões na junta e fornece um método mais preciso para avaliar a distribuição de tensões ao longo da junta soldada. O conjunto de dados utilizado foi formado a partir de simulações numéricas das juntas soldadas através do MEF, nas quais foi considerada a geometria do cordão de solda. / An alternative approach to calculate stress concentration factors (SCF) in Y-type welded tubular joints is presented. Artificial Neural Networks (ANN) were used to represent the stress distribution along the tubular joints in both in-plane axial force and in-plane bending moment load cases. ANN can learn from a database without establishing a mathematical expression between dependent and independent variables, which is an advantage over the usual parametric equations approach. The proposed model represents an improvement in the tubular joints design, since it avoids the previous knowing of a mathematical expression to represent the stress distribution in the joint and provides an accurate method to evaluate the stress distribution along the welded fillet joint. The database herein used was completed with FE simulations of tubular joints which consider the geometry of the weld fillet.

Neste trabalho foi realizado um estudo comparativo entre juntas dissimilares produzidas pelo processo FSpW sem e com a utilização de Zn como metal intermediário tendo a finalidade de investigar a eficácia da adição deste metal no comportamento mecânico das juntas, bem como avaliar sua influência nas características microestruturais das juntas soldadas. As juntas foram produzidas com ligas de Al AA5754-H24 e Mg AZ31-O, de particular interesse do setor automotivo. Nas condições de soldagem com metal intermediário, chapas de Al revestido com Zn por galvanização foram usadas. As propriedades mecânicas das juntas foram avaliadas através de ensaios com carregamento quasi-estáticos e dinâmicos, sendo então correlacionados com as características microestruturais. Através das análises constatou-se que a aplicação de Zn como metal intermediário mostrou-se efetiva na redução do volume de compostos intermetálicos formados na interface da solda e consequentemente, obteve-se um aumento do desempenho mecânico de cerca de 48 % no ensaio de cisalhamento por tração, 230% no ensaio de tração cruzada e de 35,31 % no ensaio de fadiga quando em comparação a juntas soldadas diretamente entre as chapas de AA5754-H24 e AZ31-O. / In this research was carried out a comparative study between dissimilar joints produced by means of the process FSpW without and with applying Zn as an intermediary metal with the purpose of investigating the effectiveness of the addition of this metal in the mechanical behavior of joints, as well as to assess its influence on the microstructural characteristics of the welded joints. The joints were produced with the AA5754-H24 Al alloy and the AZ31-O Mg alloy, materials of particular interest to the automotive industry. For the welding conditions with the Zn interlayer Al sheets coated by hot deep galvanizing were used. The mechanical properties of the welded joints were evaluated in terms of quasi-static and dynamic load and then correlated with the microstructural features. Through the analyzes it has been verified that the addition of Zn as an intermediary metal proved to be effective in reducing the amount of the intermetallic compound formed at the weld interface and consequently the mechanical performance increased about 48 % in the lap shear strength test, 230 % in the cross tensile strength test and 35,31 % in the fatigue test when compared to the welded joints produced by the direct contact among the AA5754-H24 and the AZ31-O sheets.

Um modelo de elementos finitos de casca capaz de representar estruturas soldadas, sem adicionar erros significativos em termos da rigidez estrutural, poderia ser amplamente empregado em problemas dinâmicos em que o método da tensão estrutural (hot spot) é aplicado para análises de vida em fadiga. O âmbito deste trabalho é formular uma técnica de modelagem capaz de fazê-lo. Para alcançar esse objetivo, uma otimização paramétrica para a representação de estruturas soldadas através de elementos de casca foi realizada. As variáveis de projeto propostas na formulação empregada foram definidas como o comprimento do tamanho de perna e a espessura do elemento de casca representando o filete de solda. O foco da otimização foi encontrar uma faixa de espessura/tamanho de perna que não modificasse significativamente as primeiras frequências naturais e conseguisse entregar resultados similares aos obtidos por um modelo sólido. Programação linear sequencial foi empregada na otimização. A estrutura analisada foi do tipo T, com seção constante e espessura e profundidade diversas, sob diferentes modos de carregamento. Uma vez que os parâmetros ótimos foram encontrados, duas diferentes metodologias de modelagem foram propostas e comparadas com outras três bem estabelecidas e apresentadas em normas e na literatura. Os resultados foram comparados quanto às primeiras frequências naturais, massa total, tensão estrutural e vida em fadiga. / A finite element shell model capable of representing a welded structure without any significantly error on its stiffness could be widely applied to dynamic problems in which the structural stress method (hot-spot approach) is employed for fatigue analysis. The scope of the present work is to formulate a modeling technique capable of doing so. In order to accomplish it, a parametric optimization for simulating welded structures using shell elements is made, the design variables in the proposed formulation are defined as the weld leg length and thickness of the shell element representing the weld fillet. The main goal of the optimization was to find a range of thickness/leg length which would not change significantly the first natural frequencies, and still deliver results similar to the ones obtained by a solid model. Sequential linear programming optimizations are performed in a T-shaped structure under different loading scenarios, with constant section and different plate thicknesses and depths. Once the optimal parameters are found, two different modeling techniques are presented and compared with three well established methodologies presented in standards and the literature. The differences in the results are compared for first natural frequencies, total mass, hot spot stress and fatigue life.

Aços resistentes à abrasão possuem uma dureza elevada, sendo amplamente utilizados em aplicações em que o componente ou estrutura é submetido a situações em que é exigida alta resistência mecânica e resistência ao desgaste. Este tipo de aço pode ser aplicado para fabricação de implementos rodoviários, implementos agrícolas, montagem de altos fornos e na indústria de mineração. O presente trabalho visa analisar a influência da baixa temperatura na tenacidade de uma junta de aço resistente à abrasão da série 450HB soldado através do processo ao arco elétrico com arame tubular (Flux-Cored Arc Welding- FCAW). Para tanto foram realizados ensaios de tenacidade ao impacto (Charpy-V) no metal base, metal de solda e ZAC nas temperaturas de 25ºC, 0ºC, -20ºC, -60ºC, -80ºC e -100ºC com o objetivo de levantar a curva de transição dúctil-frágil para cada uma dessas regiões. Também foram realizados ensaios para medição da tenacidade à fratura pelo parâmetro CTOD (Crack Tip Opening Displacement) nas regiões do metal base, metal de solda e ZAC nas temperaturas 25ºC, 0ºC, -20ºC. Adicionalmente foram realizados perfis de microdureza Vickers, dureza Brinell, análise química do metal de base e do metal de solda, caracterização metalográfica (macrografia e micrografias) e análises fractográficas a fim de complementar o estudo da junta soldada. Os resultados mostram melhor desempenho do metal base em relação ao ensaio de impacto, entretanto, o metal de solda apresentou melhores resultados de tenacidade à fratura. A região da ZAC apresentou o pior desempenho entre as regiões em ambos os ensaios de tenacidade realizados. / Abrasion resistant steels have a high hardness, being widely used in applications where the component or structure is subjected to situations where high strength and wear resistance is required. This type of steel can be applied to the production of road equipment, agricultural implements, mounting blast furnaces and in the mining industry. The present work analyzes the influence of low temperature on the toughness of an abrasion resistant steel joint of 450HB series welded through the FCAW (Flux Cored Arc Welding-FCAW) process. It was performed tests of impact toughness (Charpy-V) in the base metal, weld metal and HAZ in the temperatures of 25ºC, 0ºC, -20ºC, -60ºC, -80ºC e -100ºC with the objective to raise the ductile-fragile transition curve for each one of these regions. Tests for measurement of fracture toughness by CTOD (Crack Tip Opening Displacement) parameter in the regions of the base metal, weld metal and HAZ in the temperatures of 25 º C, 0 º C, -20 º C were also performed. In addition, Vickers microhardness profile, Brinell hardness, chemical analysis of the base metal and weld metal, metallographic characterization (macrograph and micrographs) and fractography analysis were performed to complement the study of the welded joint. The results show better performance of the base metal in relation to the impact test, however, the weld metal showed a better fracture toughness. The region of the HAZ showed the worst performance among regions in both toughness tests performed.

O processo de soldagem por fricção com pino consumível possui como campo de aplicação a área de reparo e manutenção de estruturas. Por ser uma técnica desenvolvida recentemente, o conhecimento relativo à sua aplicação ainda não está completamente fundamentado. Dessa forma é necessário que se entenda o comportamento das juntas soldadas para determinar a viabilidade de sua utilização. Atualmente uma das ferramentas existentes para isso é o emprego dos conceitos de mecânica da fratura, que possibilitam a determinação de valores quantitativos de tenacidade. A partir disso objetiva-se identificar qual é a resposta frente à tenacidade à fratura que diferentes materiais desempenham quando soldados por fricção com pino consumível. No presente trabalho foi utilizada cpmo parâmetro de análise a medição de tenacidade à fratura pelo método de CTOD (Crack Tip Opening Displacement) em juntas soldadas com diferentes materiais de pino consumível e metal base. Essas medições concentraram-se nos materiais originais do pino, do metal de base e na região adjacente à interface lateral das juntas. Os materiais estudados foram o aço BS EN10025, os inoxidáveis austeníticos AISI 316L e ASTM F138, e o duplex UNS S31803. Adicionalmente foram realizadas análises fractográfica, macro e microestrutural, bem como ensaios de microdureza visando o entendimento do comportamento das juntas soldadas. Os resultados de CTOD indicaram que as microestruturas originadas com a soldagem, bem como a presença de inclusões de MnS, influenciam significativamente a tenacidade. / The Friction Hydro Pillar Processing has as a field of application in the area of repair and maintenance of structures. However as it is a technique developed recently, knowledge on its application is not fully established. Thus, it is necessary to understand the behavior of the joints in order to determine the feasibility of use. Nowadays one of the existing tools for this is the use of the concepts of fracture mechanics that allow the determination of quantitative values of toughness. From that this work aims to analyse fracture toughness in different materials welded by Friction Hydro Pillar Process. The analysis of fracture toughness was performed by the method CTOD (Crack Tip Opening Displacement) in samples welded with different materials of stud and base material. These measurements were concentrated in the original materials of and the interface zone of the welds. The materials investigated were BS EN10025, austenitic stainless steels AISI 316L and ASTM F138, the duplex stainless steel UNS S31803. Additionally were performed macro and microstructural characterization and microhardness tests aimed to understanding the behavior of joints. The CTOD results indicated that the microstructures as well as the presence of MnS inclusions significantly influence the toughness.

Aços ferríticos ligados ao cromo e molibdênio, como o ASTM A335 P22, são largamente utilizados nos geradores de vapor em plantas termoelétricas ao redor do mundo e podem apresentar trincas por fadiga durante sua operação. A montagem dos componentes dos geradores de vapor em campo é realizada através de técnicas manuais de soldagem e tem sido apontada como um fator crítico para a qualidade destes equipamentos quando algum parâmetro de soldagem é negligenciado durante o processo. A região soldada de um aço ligado sofre grande influência do ciclo térmico durante a soldagem, cujos elementos de liga mesmo em pequenas quantidades presentes no aço e metal da solda aumentam a temperabilidade, e que dessa forma favorece a formação de microestruturas bainíticas ou martensíticas na região soldada. Neste estudo, uma solda realizada de acordo com o procedimento qualificado, com pré-aquecimento e alivio de tensões pós-soldagem, foi comparada com uma solda realizada sem os tratamentos de pré-aquecimento e alivio de tensões, e foi comparada ainda com uma solda realizada sem os tratamentos térmicos de pré-aquecimento e alivio de tensões e com aporte de calor acima do determinado pelo procedimento. Para isto, o desempenho de cada solda foi analisado quanto ao desempenho nos ensaios de tração, dobramento lateral (requisitos de qualificação de procedimento pelo código ASME IX), e nos ensaios complementares de resistência ao impacto charpy e tenacidade à fratura de cada região principal da solda (Material base, ZTA e Metal de adição). A tenacidade à fratura de cada uma das regiões foi determinada através da técnica da mecânica da fratura elasto-plástica do Deslocamento da Abertura da ponta da trinca, \"Crack Tip Open Displacement\" (CTOD), aplicada a materiais dúcteis. O resultado deste estudo comparativo mostra que mesmo negligenciando os limites dos parâmetros do procedimento de soldagem especificado para o aço ASTM A335 P22, com espessura de 21mm e 304,8mm de diâmetro, o procedimento teria sido aprovado nos ensaios de qualificação estabelecidos pela norma (tração e dobramento lateral). Contudo, os resultados dos ensaios de Impacto charpy e CTOD realizados nas regiões da solda, mostraram que o metal de adição apresentou tenacidade bem a baixo do que foi observado para a ZTA e para o material base. Desta forma a realização do pré-aquecimento e tratamento de alívio pós-soldagem produziu microestruturas de menor dureza, mas que não refletiu em um aumento da tenacidade do metal de adição. / Ferritic alloy steels with chromium and molybdenum, as ASTM A335 P22, are widely used in steam generators in power plants around the world and may have broken fatigue during operation. The assembly of the components of the steam generators in the field is performed by manual welding techniques and has been identified as a critical factor for the quality of these devices when some parameter is ignored during the welding process. The welded region of an alloy is influenced thermal cycle during welding, alloying elements present in the steel and weld metal increases hardenability, and thus favors the formation of bainíticas or martensitic microstructures in the welded region. In this study, a weld made according to the procedure qualified, pre-heating and post-weld relief of stress was compared with a weld treatments performed without preheating and relieving stress, and was further compared with a solder heat treatments performed without preheating and stress relief heat input and determined by the above procedure. For this, the performance of each weld was analyzed for performance in tensile tests, lateral bending (qualification requirements of ASME IX by procedure code), and testing of Charpy impact resistance and toughness of each major region of the fracture weld (base material, HAZ and weld metal). The fracture toughness of each region was determined by fracture mechanics technique of elastic-plastic fracture Crack Tip Open Displacement (CTOD) applied to ductile materials. The result of this comparative study shows that even neglecting the parameters limits of the welding procedure specified for ASTM A335 P22 with thickness of 21mm and diameter of 304.8 mm, the procedure would have passed in qualification tests established by ASME IX (tensile and lateral bending). However, the results of Charpy impact and the CTOD tests performed in weld regions showed that the weld metal had a very low tenacity than was observed in the HAZ and the base material. Thus the realization of pre-heating and post-weld treatment relief produced microstructures with lower hardness but that was not reflected in an increase in the toughness of weld metal.

El presente proyecto de tesis consiste en la simulación numérica de un proceso de soldadura, para tal fin se desarrolla un modelo termo-mecánico tridimensional con prescripción de temperatura basado en la hipótesis de desacople del proceso de soldadura en tres grandes campos (campo de temperaturas, campo de esfuerzos y deformaciones y campo de estado microestructural) y la influencia mutua que existe entre ellos. Se llevan a cabo dos estudios, primero un estudio térmico transitorio con el fin de obtener la historia térmica, la misma que luego servirá como carga externa (información de entrada) para el estudio mecánico no lineal, con el fin de alcanzar el principal objetivo que es conocer la historia de esfuerzos a lo largo del proceso y la magnitud de los esfuerzos residuales.

En el presente trabajo se estudió la soldabilidad de una unión disimilar formada por el acero estructural ASTM A36 y la aleación de aluminio AA5052-H34. Las uniones disimilares obtenidas no lograron alcanzar la resistencia mecánica mínima indicada en el código AWS B 2.1 que establece que este tipo de uniones como mínimo deben alcanzar 170 MPa de resistencia a la tracción. En esta investigación los mejores resultados obtenidos alcanzaron los 86 MPa de resistencia a la tracción, representando el 50,6% de lo requerido por el código. De los resultados se determinó que no es posible obtener uniones, entre el acero estructural ASTM A36 y la aleación de aluminio AA5052-H34, empleando un solo metal de aporte, pues se presentan problemas de soldabilidad básicamente entre el aporte y el acero. Se hace necesario realizar el proceso de enmantequillado o buttering en el lado del acero mediante el electrodo Cu-8Al. Luego de realizado el buttering, para la elaboración de los cupones de soldadura disimilares se emplearon diversos materiales de aporte y procesos de soldadura en la búsqueda de un procedimiento de soldadura que cumpla con lo estipulado en el código AWS B2.1. Para el desarrollo de este trabajo, se emplearon los procesos de soldadura más comunes en el medio como SMAW, GMAW y GTAW. El procedimiento de soldadura con el que se obtuvieron las mejores propiedades mecánicas fue el realizado mediante el buttering a cinco pasadas mediante el proceso SMAW (62 A, 25 V) y realizando la unión con el proceso GMAW usando un aporte de Al-5Si (15.4 V, 105 A). Estas uniones no cumplieron lo requerido por el código en resistencia mecánica, ni en el ensayo de doblado, pues durante ambos ensayos se produce desprendimiento del buttering y el metal de aporte. En el barrido de durezas realizado a la sección transversal del cordón, en las uniones mencionadas, se apreció que no existe mayor variación en los valores de dureza encontrados en las ZAC de ambos metales, lo que demuestra que se evitó la formación de zonas duras.

Steel structures have an ubiquitous presence in several industries due to their availability and low price. Bus super-structures are typically built using structural steel hollow shapes and serve a major role during crashes and rollovers, as they protect the passengers by absorbing the kinetic energy of impacts and dissipating it as plastic deformations. In recent years, composite materials have gained protagonism in numerous applications due to their high specific strength and stiffness. However, costs and manufacturing complexity have made all-composite automotive structures economically unfeasible. Thus, the current tendency is the use of multimaterial structures: using composites only in the zones where they are needed, while keeping an inexpensive material, like steel, elsewhere. Hollow structural shapes, used in bus structures, are susceptible to bending collapse failure during rollover and crashes, which must be precisely predicted and calculated. Existing theoretical models for this failure mechanism have certain limitations to account for larger thickness, plastic hardening, and composite reinforcements. The present work aims to address these limitations through the development of new theoretical models for the so-called medium-thin-walled hollow shapes, as well as for reinforced CFRP-Steel hollow shapes. Both materials are joined using structural adhesives due to their ease-of-use and relatively low price. Experimental test results have shown the validity and accuracy of the proposed models. These proposed models are then implemented in a concept model of a bus structure to address its crashworthiness and the effectiveness of the reinforced shapes.

As lajes dos tabuleiros de pontes de concreto armado, sejam elas maciças ou executadas com pré-lajes, são elementos estruturais suscetíveis à fadiga, devido às ações a que são submetidas. As pré-lajes, pelo fato de serem resultantes da junção de dois concretos diferentes, torna-se ainda mais suscetível à fadiga. Este trabalho apresenta estudos, ensaios e análise de resultados a respeito do comportamento à fadiga das lajes de pontes de concreto, sejam as maciças ou as executadas com pré-laje, armadas com barras ou telas soldadas. Foram realizados ensaios de fadiga de barra ao ar CA50 f10 mm isoladas e em telas para a construção da Curva de Wöhler nas condições brasileiras. Além disso, foram ensaiadas 23 lajes de concreto, sendo 6 lajes maciças e 17 executadas com prélajes, montadas com diversas configurações de armadura, submetidas a ensaios estáticos e dinâmicos. As configurações de armaduras adotadas nas lajes da pesquisa foram baseadas nas utilizadas com freqüência neste tipo de elemento das pontes, escala ½. Um dos principais motivos que levaram ao desenvolvimento desta pesquisa de caráter experimental foi a escassez de dados sobre o comportamento de lajes armadas com barras ou telas soldadas de fabricação brasileira, submetidas a ações cíclicas. Outro motivo foi a carência de estudos a respeito da iteração prélaje x capa. Foi verificado que não houve ruptura nessa região da estrutura devido aos carregamentos cíclicos aplicados no meio do vão. Ficou evidenciado também que as soldas das telas afetam sua resistência à fadiga. / Concrete bridge slabs, massive or pre-slabs, are structural elements susceptible to fatigue, due to loading applied to them. Pre-slabs, result of two different concretes, become even more susceptible to fatigue. This research presents the studies, tests and analysis of the results about the behavior of concrete bridge massive slabs or pre-slabs reinforced with steel bars and welded steel meshes due to fatigue loading. Axial testing in air of CA50 f10 mm in continuous bars and steel meshes were made in order to build the Wöhler Curve to the Brazilian conditions. Besides that, tests were made in 23 concrete slabs, 6 massive slabs and 17 preslabs, with several reinforcements arrangements, submitted to static and dynamic loading. The reinforcement configurations adopted in the slabs were based on the commonly used in these bridge elements in scale ½. One of main reasons that lead this experimental research development was the scarcity of data about the behavior of concrete slabs reinforced with rebars and welded mesh made in Brazil, submitted to cycle loading. Another reason was the lack of studies about the iteration between pre-slab and concrete cover. It was verified that no rupture was found in this region of the structure due to midspan cycle loading. The welding process caused loss of fatigue resistance.