Os perfis de aço formados a frio apresentam, em geral, maior esbeltez local (relação largura-espessura dos elementos) em relação aos clássicos perfis laminados, acentuando a instabilidade local. Além disso, em se tratando de seções abertas com paredes muito delgadas, a rigidez à torção resulta muito pequena, o que torna os modos globais de torção e flexo-torção muitas vezes dominantes em relação aos modos de flexão. Outro modo de instabilidade que pode se manifestar é o modo distorcional, característico nos perfis com enrijecedores de borda. Com relação à análise do modo global, as normas para cálculo de perfis formados a frio têm adotado as mesmas curvas de resistência à compressão desenvolvidas para os perfis laminados e soldados, como a curva do SSRC (Structural Stability Research Council), adotada pela NAS (North American Specification), e as curvas européias, adotadas pela norma brasileira. Embora alguns estudos indiquem que as citadas curvas sejam aceitáveis para os perfis formados a frio, há também referências explícitas quanto à necessidade de um maior aprofundamento na investigação sobre o comportamento estrutural destes perfis, uma vez que apresentam particularidades quanto às tensões residuais, imperfeições geométricas e interação entre modos de instabilidade. Nesse trabalho é apresentada uma análise experimental em perfis usualmente empregados no Brasil (perfis U, U enrijecidos e cantoneiras simples e duplas), e uma estratégia de análise numérica não-linear, considerando os efeitos das imperfeições geométricas globais e localizadas (de chapa e distorcional), bem como das tensões residuais, de modo a se obter teoricamente um valor confiável da força normal de compressão resistente da barra. Os resultados permitiram constatar a viabilidade do emprego das atuais curvas de resistência à compressão para os perfis formados a frio. Complementando, foi analisada a aplicação do método da resistência direta (MRD) a todos os perfis estudados, confirmando bons resultados. Especial atenção foi dada ao estudo da estabilidade elástica de cantoneiras, com foco principal na coincidência entre o modo local-chapa e o modo global-torsional, o que tem gerado controvérsias na aplicação dos métodos de cálculo. Além disso, como as cantoneiras não são pré-qualificadas para aplicação do MRD, foram analisadas várias opções para emprego do método, onde pode-se concluir que desconsiderar a torção na análise do modo global conduz a resultados contra a segurança / Cold-formed steel members present, in general, higher local slenderness than classical hot- rolled ones, which make them more prone to local buckling. Besides, thin-walled open sections have small torsional stiffness, and hence global torsional and flexural-torsional instability modes are many times more critical than global flexural ones. Also, distortional mode can happen in sections with lips (edge stiffener). Concerning on global buckling for members under compression, curves used in cold-formed steel design are based on hot-rolled and welded members. For example, the SSRC (Structural Stability Research Council) buckling curve, adopted by NAS (North American Specification), and Eurocode buckling curves, adopted by brazilian codes. Although some papers indicate these curves are acceptable for cold-formed steel members, others claim for a deeper analysis on their unique structural behavior, specially on residual stress, geometric imperfections and coupled buckling modes. It is presented in this thesis an experimental analysis of sections usually used in Brazil (simple and lipped channels, and also single and built-up angles). Moreover, it is developed a strategy for numerical non-linear analysis, considering the effects of global and local (also distortional) geometric imperfections and residual stress as well, in order to obtain a trustable theoretical value for the axial member stength. Results show the viability of the current buckling curves for cold-formed steel members. Finally, direct strength method (DSM) was analysed for all studied members, showing good results. Special attention to angle’s elastic stability, focusing on the coincidence between local-plate and global-torsional mode, which still causes confusion in design methods. Also, due to the fact angles are not pre- qualified sections for using DSM, many options on its application were studied, where it was concluded that negleting torsion in global analysis leeds to unconservative results

Submitted by Johnny Rodrigues (johnnyrodrigues@ufcg.edu.br) on 2018-04-27T17:30:21Z No. of bitstreams: 1 JAILSON ALVES DA NÓBREGA - DISSERTAÇÃO PPGEM 2014..pdf: 8059019 bytes, checksum: 3342c79a6597e27674ae52970211493c (MD5) / Made available in DSpace on 2018-04-27T17:30:21Z (GMT). No. of bitstreams: 1 JAILSON ALVES DA NÓBREGA - DISSERTAÇÃO PPGEM 2014..pdf: 8059019 bytes, checksum: 3342c79a6597e27674ae52970211493c (MD5) Previous issue date: 2014-12-03 / Capes / Muitas são as variações metalúrgicas sofridas pelo material quando o mesmo é submetido a um ciclo térmico de soldagem, exercendo uma considerável influência sobre as suas propriedades mecânicas e mais especificamente sobre os níveis de tensões residuais. Na fase de projeto, uma dessas alternativas para a avaliação dos ciclos térmicos e tensões residuais de soldagem é o emprego de simulação via métodos computacionais. A partir disto, neste trabalho foi desenvolvida uma metodologia numérica para determinar o campo de temperatura e tensões residuais transversais em juntas soldadas. As simulações numéricas foram realizadas por meio de um software comercial, ABAQUS®, baseado no Método de Elementos Finitos (MEF). Foram considerados fenômenos que fazem a modelagem matemática do processo de soldagem de forma a torná-la mais robusta. Foi utilizada a fonte de calor analítica proposta por Goldak, capaz de modelar a entrada de calor. Foram avaliados os parâmetros de entrada, tais como: Corrente, voltagem, velocidade de soldagem e temperatura inicial da chapa virtual. Para validação dos resultados térmicos, foi utilizada uma chapa virtual do aço API 5L X70 soldada pelo processo FCAW. Nas demais simulações térmicas e mecânicas foram utilizadas uma chapa virtual do aço API 5L X80 soldadas pelos processos GTAW e SMAW. Foi possível observar neste estudo a influência da temperatura de pré-aquecimento e de interpasse sobre os gradientes térmicos e ciclos térmicos na junta soldada, além das mudanças nos valores das temperaturas de pico e do tempo de resfriamento entre 800 e 500 °C (∆t8/5) quando avaliados em diferentes regiões da junta soldada. Com relação às tensões residuais transversais, verificaram-se mudanças no perfil destas tensões quando aplicado mais de um passe da soldagem virtual podendo o modelo servir de base para trabalhos futuros. / Many are the metallurgical variations suffered by the material when it is subjected to a weld thermal cycle, which promote a considerable influence on mechanical properties, and specifically on the welded joint residual stresses. In the project phase, one of these alternatives is the use of computational methods via simulation. So, in this work a numerical methodology to determine the temperature field and transverse residual stresses was developed. The numerical simulations were implemented using a commercial software ABAQUS® based on finite element method (FEM). In addition, a source of heat proposed by Goldak, able to model the heat input value was used. Input parameters, such as: Current, voltage, speed and initial temperature of the virtual plate were also evaluated. To validate the thermal results and the other thermal and mechanical simulations a virtual plate of API 5L X70 and API 5L X-80 steel welded by the FCAW and GTAW and SMAW processes respectively was used. The results showed that it was possible to evaluate the influence of preheat and interpass temperature on the weld thermal gradients and thermal cycling, as well as the change in peak temperature and cooling time between 800 and 500 (∆t8/5) values in different regions of the welded joint. In relation to the transverse residual stresses, it was showed that there were changes in its profile when it was applied more than one weld pass which can serve as base model for future work in this area.

FAPEMIG - Fundação de Amparo a Pesquisa do Estado de Minas Gerais / A fragilização por hidrogênio tem sido um problema constante em diferentes setores da indústria. Por ser o menor átomo existente, o hidrogênio difunde-se na microestrutura dos materiais metálicos, inserindo tensões mecânicas internas que podem, eventualmente, levar a uma falha catastrófica. Atualmente, os métodos mais comuns existentes para analisar este fenômeno são lentos e caros, configurando-se assim a necessidade de desenvolver um método de ensaio que não possua tais desvantagens. No presente trabalho, apresenta-se o desenvolvimento de um equipamento cuja função é avaliar de forma rápida a susceptibilidade à fragilização por hidrogênio (SFH) dos materiais metálicos através de ensaios de carregamento progressivo em meio assistido (RSL). Este equipamento apresenta uma grande vantagem em relação aos outros métodos avaliação da SFH, que é o menor tempo de ensaio para se ter resultados representativos. Na presente dissertação foram realizadas a concepção, projeto, simulação em elementos finitos, construção e validação do equipamento. Sua validação foi realizada ensaiando-se uma amostra sem entalhe,cuja tensão mecânica medida foi comparada com aquela retornada pelo software do RSL. Além disso, foi calculada a incerteza de medição relacionada ao cálculo da tensão mecânica na amostra. Os ensaios de verificação do desempenho do RSL foram realizados em amostras de aço AISI 4140 beneficiado com dureza de 40HRC, onde foi avaliada a relação entre o nível de potencial catódico aplicado e a SFH do material das amostras. Os resultados obtidos na validação do equipamento mostraram erros inferiores a 1%. Os resultados mostraram um aumento da SFH com o aumento da dureza indicando que há uma elevada sensibilidade da SFH em relação à dureza da amostra. Os ensaios com variação do potencial catódico mostraram uma relação direta entre esse parâmetro e a SFH da amostra, havendo uma saturação na SFH a partir de -1,1 VAg/AgCl. / Hydrogen embrittlement of metallic materials has been a frequent problem in different industry sectors. Because it is the smallest existing atom, hydrogen diffuses into the microstructure of metallic materials, resulting in internal mechanical stresses that may eventually lead to a catastrophic failure. The most common methods available to analyze this phenomenon are time consuming and expensive. For this reason, it is desired to develop a test method that does not have such disadvantages. In this work it is presented the development of an equipment to rapidly evaluate the susceptibility to hydrogen embrittlement (SHE) of the metallic materials using the rising step load (RSL) bend testing in assisted environment. This equipment has a great advantage over the other evaluation methods of SHE, which is the shortest test time to have representative results. The validation of the infrastructure was performed by testing bars without notches to, whose measured mechanical stress was compared with that returned by the RSL software. In addition, the measurement uncertainty related to the calculation of the mechanical stress in the sample was calculated. The tests to verify the performance of the RSL equipment were carried out on samples of steel AISI 4140 heat treated to a hardness of 40HRC. The effect of the cathodic potential applied to notched bars of AISI 4140 on the SHE was evaluated. The results obtained in the validation phase of the equipment showed errors lower than 1%. The results showed also an increase in SHE with increasing material hardness indicating that there is a high sensitivity to the SHE with respect to the hardness of the sample. The tests carried out using cathodic potential variation showed a direct relationship between this parameter and the SHE of the sample, with saturation of the SHE at -1.1 VAg/AgCl. / Dissertação (Mestrado)

Os perfis de aço formados a frio apresentam, em geral, maior esbeltez local (relação largura-espessura dos elementos) em relação aos clássicos perfis laminados, acentuando a instabilidade local. Além disso, em se tratando de seções abertas com paredes muito delgadas, a rigidez à torção resulta muito pequena, o que torna os modos globais de torção e flexo-torção muitas vezes dominantes em relação aos modos de flexão. Outro modo de instabilidade que pode se manifestar é o modo distorcional, característico nos perfis com enrijecedores de borda. Com relação à análise do modo global, as normas para cálculo de perfis formados a frio têm adotado as mesmas curvas de resistência à compressão desenvolvidas para os perfis laminados e soldados, como a curva do SSRC (Structural Stability Research Council), adotada pela NAS (North American Specification), e as curvas européias, adotadas pela norma brasileira. Embora alguns estudos indiquem que as citadas curvas sejam aceitáveis para os perfis formados a frio, há também referências explícitas quanto à necessidade de um maior aprofundamento na investigação sobre o comportamento estrutural destes perfis, uma vez que apresentam particularidades quanto às tensões residuais, imperfeições geométricas e interação entre modos de instabilidade. Nesse trabalho é apresentada uma análise experimental em perfis usualmente empregados no Brasil (perfis U, U enrijecidos e cantoneiras simples e duplas), e uma estratégia de análise numérica não-linear, considerando os efeitos das imperfeições geométricas globais e localizadas (de chapa e distorcional), bem como das tensões residuais, de modo a se obter teoricamente um valor confiável da força normal de compressão resistente da barra. Os resultados permitiram constatar a viabilidade do emprego das atuais curvas de resistência à compressão para os perfis formados a frio. Complementando, foi analisada a aplicação do método da resistência direta (MRD) a todos os perfis estudados, confirmando bons resultados. Especial atenção foi dada ao estudo da estabilidade elástica de cantoneiras, com foco principal na coincidência entre o modo local-chapa e o modo global-torsional, o que tem gerado controvérsias na aplicação dos métodos de cálculo. Além disso, como as cantoneiras não são pré-qualificadas para aplicação do MRD, foram analisadas várias opções para emprego do método, onde pode-se concluir que desconsiderar a torção na análise do modo global conduz a resultados contra a segurança / Cold-formed steel members present, in general, higher local slenderness than classical hot- rolled ones, which make them more prone to local buckling. Besides, thin-walled open sections have small torsional stiffness, and hence global torsional and flexural-torsional instability modes are many times more critical than global flexural ones. Also, distortional mode can happen in sections with lips (edge stiffener). Concerning on global buckling for members under compression, curves used in cold-formed steel design are based on hot-rolled and welded members. For example, the SSRC (Structural Stability Research Council) buckling curve, adopted by NAS (North American Specification), and Eurocode buckling curves, adopted by brazilian codes. Although some papers indicate these curves are acceptable for cold-formed steel members, others claim for a deeper analysis on their unique structural behavior, specially on residual stress, geometric imperfections and coupled buckling modes. It is presented in this thesis an experimental analysis of sections usually used in Brazil (simple and lipped channels, and also single and built-up angles). Moreover, it is developed a strategy for numerical non-linear analysis, considering the effects of global and local (also distortional) geometric imperfections and residual stress as well, in order to obtain a trustable theoretical value for the axial member stength. Results show the viability of the current buckling curves for cold-formed steel members. Finally, direct strength method (DSM) was analysed for all studied members, showing good results. Special attention to angle’s elastic stability, focusing on the coincidence between local-plate and global-torsional mode, which still causes confusion in design methods. Also, due to the fact angles are not pre- qualified sections for using DSM, many options on its application were studied, where it was concluded that negleting torsion in global analysis leeds to unconservative results

A presente tese tem por objetivo contribuir para o conhecimento do comportamento dependente do tempo das rochas de anidrita e gipso. O maior interesse é fornecer argumentos convincentes sobre os mecanismos físicos responsáveis pelas deformações lentas observadas em algumas escavações subterrâneas realizadas em maciços dessas rochas na Europa, aspecto este que hoje está bastante confuso e escassamente estudado. A hipótese central desta pesquisa é que o comportamento dependente do tempo das rochas de anidrita e gipso deve-se parcial e/ou totalmente às propriedades reológicas (fluência) e não exclusivamente a expansão decorrente da transformação anidrita – gipso como a maioria dos autores sustenta. Este problema será analisado a partir de uma perspectiva experimental através de ensaios específicos. Os ensaios de expansão axial livre em rochas de anidrita permitiram concluir que quando submersas em água destilada, experimentam diminuição de volume por dissolução. Já as amostras de anidrita em contato com solução saturada em 'CA'SO IND.4' mostram uma relação não linear entre deformação axial e o tempo indicando uma taxa de expansão que decresce com o tempo. As taxas de expansão axial variam entre 0,3 e 2,4%/ano. A novidade é que esta expansão se deve à deposição de uma camada contínua formada por neocristais de gipso e não a expansão por hidratação da anidrita como acontece com os argilominerais. O mecanismo de transformação consiste na dissolução da anidrita e posterior precipitação do gipso em condições de sobre-saturação da solução. A transformação mineralógica acontece, na natureza, em condições propícias de temperatura e saturação da solução com íons 'CA POT.2+' e 'SO IND.4'POT.2-'. Propõe-se uma teoria alternativa sobre deformações lentas de maciços sulfáticos baseada na força de cristalização decorrente da deposição de cristais de gipso nas juntas do maciço rochoso. Propõe-se utilizar as formulações termodinâmicas propostas para expansão de concretos por crescimento de etringita e gipso. Os ensaios de fluência uniaxial sob compressão axial constante mostram que ambos os tipos de rochas sulfáticas apresentam comportamentos elasto-visco-plásticos e taxas de deformação axial e lateral da ordem de '10 POT.-12' a '10 POT.-10' 'S POT.-1'. A deflagração da fluência secundária acontece sob tensões de 4 – 6 MPa para gipsitas e de 25 – 40 MPa para anidritas. As análises sobre os possíveis mecanismos de deformação por fluência foram inconsistentes e nenhuma conclusão definitiva foi atingida. Aparentemente a baixas tensões atuariam mecanismos de difusão e dissolução por pressão. A tensões intermediárias dominariam mecanismos de deslocamentos intra e intercristalinos e a altas tensões as rochas deformariam por propagação de microfissuramento. Ensaios de fluência acoplados a sensores de emissão acústica mostram a manifestação de eventos microssísmicos que usualmente se atribuem à propagação de microfraturas mas que podem dever-se a outros mecanismos. Tanto as taxas de expansão axial como de fluência são compatíveis com as taxas de convergência medidas em algumas obras subterrâneas escavadas em maciços sulfáticos, verificando a hipótese central da pesquisa / The purpose of this thesis is to contribute for the knowledge of time-dependent behavior of sulfatic rocks of anhydrite and gypsum. Emphasis is given to provide straightforward arguments about physical mechanisms responsible for creep observed in some underground excavations in those rocks in Europe. Explanation for this phenomena is not clear yet and studies about them are still scarce. The backbone idea behind this research is that the time-dependent behavior of anhydrite and gypsum is totally or at least partially due to rheological properties, and not exclusively due to swelling resulting from the anhydritegypsum transformation. This problem was investigated experimentally with specific tests. Free swelling tests on anhydrite led to the conclusion that when immersed into distilled water, volume decrease due to dissolution is observed. Anhydrite samples in contact with a saturated solution of 'CA'SO IND.4' present a nonlinear relationship between axial strain and time, indicating swelling rate decreasing with time. Axial swelling rates vary between 0,3% and 2,4%/year. The new concept is that this swelling is due to the deposition of a continuous layer of gypsum composed by gypsum neo-crystals, and not due to hydration swelling of anhydrite, a usual with clay minerals. The transformation mechanism consists of anhydrite dissolution and later precipitation of gypsum under over-saturation condition of the solution. The mineralogical transformation takes place in nature under favorable conditions of temperature and solution saturation with 'CA POT.2+' and 'SO IND.4'POT.2-' ions. An alternative theory is proposed about creep of sulfatic rock masses based on crystallization forces resulting from the deposition of gypsum crystals in the rock masses joints. The use of thermodynamic formulations is proposed for concrete swelling due to the growth of ettringite and gypsum. Uniaxial compression creep tests show that both types of sulfatic rocks present elasto-visco-plastic behavior and axial and lateral strain rates of the order of '10 POT.-12' to '10 POT.-10' 'S POT.-1'. Triggering of secondary creep takes places under stresses of the order of 4 – 6 MPa for gypsum and 25 – 40 MPa for anhydrite. The analyses about the possible creep mechanisms were not consistent and no definite conclusion has been reached get. Apparently under low stresses diffusion and pressure dissolution mechanism dominate. Under intermediate stresses, intra- and inter crystalline displacement mechanisms seem to dominate, and under high stresses rock deform due to microcrack propagation. Creep tests monitored with acoustic emission devices show the occurrence of microseismic events attributed to microcrack propagation. Both axial swelling and creep rock are compatible with convergence rocks measured in some underground works excavated in sulfatic rock masses, following the central idea of this thesis