Neste trabalho propõe-se desenvolver uma metodologia para determinar carregamentos auto-equilibrados equivalentes aos casos de carga aos quais a estrutura está submetida. Com estes carregamentos pode-se realizar análises estáticas ou análises de flambagem. Estes carregamentos auto-equilibrados podem ainda, ser aplicados nos poucos pontos de atuadores de um ensaio estrutural estático ou de fadiga de forma a representar o carregamento real aplicado a estrutura. A aplicação escolhida neste trabalho foi de gerar casos de carga para a otimização da carga de flambagem de painéis reforçados. Estes carregamentos auto-equilibrados aplicados em painéis reforçados são descritos por funções lineares por partes definidas por pontos de controle de carga. Estes podem ser pontos arbitrários em uma aresta ou, em particular, pontos extremos de um painel reforçado. Uma vez determinados os carregamentos auto-equilibrados, que representam os casos de carga reais, faz-se a otimização da carga de flambagem com relação às propriedades geométricas do painel reforçado e com relação a todos os casos auto-equilibrados calculados. O método utilizado na otimização é o minmax que procura maximizar o autovalor em relação às propriedades geométricas e minimizar o mesmo para os casos de carga, determinado assim, as propriedades ótimas e o caso de carregamento crítico. Os resultados da metodologia de determinação de carregamentos auto-equilibrados foram obtidos para um painel plano de arestas retas com dois reforçadores retangulares, que dividem o painel em três segmentos. A espessura de cada segmento, a altura e a largura dos reforçadores são consideradas como variáveis de projeto geométricas. Este painel, localizado entre duas nervuras e duas longarinas consecutivas, está submetido a cinco casos de carregamento reais, que depois de aplicados à metodologia proposta, são representados por vários carregamentos auto-equilibrados.

[pt] Dando continuidade ao trabalho desenvolvido por [1] para a determinação do dano devido à fadiga em estruturas sujeitas à carregamentos estocásticos, este trabalho procura desenvolver o mesmo método, acoplando-o a uma rotina de FFT, para a determinação do espectro de potências, e ao método epsilon x N, associado à regra de acúmulo linear de dano de Palmgren-Miner, para a determinação do tempo de vida deste tipo de estrutura mecânica. Dois pacotes computacionais foram desenvolvidos para a aplicação deste método. O primeiro foi desenvolvido para a realização de três tarefas básicas? Coleta de Dados: Através da simulação de um gravador, que por interfaceamento com uma placa analógica-digital, permite a utilização de computadores para a aquisição de sinais dinâmicos. Análise de Sinais: Visando a determinação das propriedades estatísticas e/ou espectrais dos históricos de carregamento. Simulação de Histórias de Carregamento: Utilizando a teoria desenvolvida por Rice e Shinozuka [2]. No segundo pacote estão presentes todas as rotinas necessárias para a estimativa do tempo de vida de fadiga segundo o método epsilon x N, ou seja: contagem de picos e vales, contagem Rain-flow, determinação do incremento de dano e acumulação do dano de fadiga considerando a regra de Miner. Os processos computacionais foram testados utilizando-se históricos típicos propostos em trabalhos correlatos, sendo seus resultados comparados com os respectivos resultados experimentiais. Por fim, procurou-se estudar a influência da resolução espectral e do número de iteração sobre o comportamento das histórias simuladas quanto a sua capacidade de reproduzir o nível de dano observado nas respectivas histórias reais, com a intenção de encontrar parâmetros ótimos que permitam uma estimativa não tendenciosa do dano de fadiga. / [en] Extending Yang s [1] studies of fatigue damage determination in structures under stochastic loading, this study was developed using the same philosophy, besides incorporate a FFT routine to the power spectral determination, the Coffin-Manson method and Miner s rule, to structure damage determination. Two software were developed to apply this method. The first one realizes three basics functions: Data Acquisition: Recording real loading processes Analysis: Determination the statistical and spectral properties of the loading processes Random loading Process Simulation: Using Gaussian simulation method. The second software contain the routines necessary to life estimation using the Coffin-Manson method: peak and valley counting, rain-flow rule, damage and cumulative damage calculation. A computational processes were applied on loading processes found on correlated studies, and the numerical results were compared with their experimental one. At last, it was objected to studying the influence os spectral resolution and the number of iteration on life prediction, to find the best parameters to a good simulation.

Este trabalho apresenta um modelo para a verificação do trem-tipo de projeto de pontes e viadutos da norma brasileira a partir do tráfego real nas estradas. Inicialmente, apresenta-se a comparação da carga móvel da norma brasileira com o Eurocode e com as normas da AASHTO. Em seguida, apresenta-se o estado da arte no Brasil e no mundo em pesquisas na área de cargas móveis em pontes. Propõe-se um modelo de verificação do trem-tipo baseado em simulações das passagens e cargas de veículos, através do método de Monte Carlo. São utilizados dados de pesagem e de quantidades de veículos provenientes de uma rodovia concedida à iniciativa privada no interior paulista. São efetuadas análises de pontes celulares com diversos vãos, de 30 a 200 metros, sendo estudados os momentos fletores no meio do vão e forças cortantes adjacentes aos apoios, em obras isostáticas, e momentos fletores no apoio central de pontes contínuas de dois vãos. É dada maior ênfase às situações de congestionamento sobre a ponte, e são efetuadas extrapolações estatísticas para a obtenção dos esforços característicos, levando-se em conta as diferentes situações de tráfego possíveis. Por fim, é feita uma extensão ao estudo das grelhas, utilizando-se linhas de influência transversais em ponte com vão de 30 metros, sem transversinas intermediárias. / This work presents a model to verify the design traffic load model of the Brazilian code, based on real traffic at road bridges. First, it compares Brazilian load model with Eurocode 1 and AASHTO Standard and LRFD Specifications. Then, recent development and research on bridge traffic load models are presented, in Brazil and other countries. A verification model of the traffic load is proposed, based on quantity and weight vehicle simulations, using Monte Carlo method. Real traffic data of trucks, used in this work, have been collected at highways of Sao Paulo state. Box-girder bridges from 30 to 200 m spans are investigated, studying the bending moment at midspan and the shear forces near the supports, on simply supported bridges, and the bending moment at center support, on two-span continuous bridges. Traffic jam situations on the bridge are emphasyzed, and statistical extrapolations to the load effects carachteristic values are done. Finally, it presents an extension of this study to multi-beam cross sections, using transverse influence lines, in a 30 m span bridge, without transverse beams.

Um estudo de otimização para a carga de flambagem em placas de materiais compostos sob combinações de carregamentos incertos é apresentada nesse trabalho. No presente estudo, ao contrário da otimização tradicional de flambagem, os casos de carregamentos aplicados não são fixos, as combinações de carregamentos são assumidas como incertas e são incorporadas como variáveis de projeto na formulação do problema de otimização. Utilizando-se a estratégia minimax mostra-se que para finalidades de otimização com funções-objetivo convexas, como por exemplo, a carga de flambagem, é suficiente considerar apenas as cargas que definem os vértices do conjunto de carregamentos aplicáveis. São consideradas placas retangulares de espessura variável sujeitas a carregamentos mecânicos arbitrários, compressões normais e de cisalhamento, definidos nas extremidades das placas, que operam em uma escala de temperatura dada, gerando tensões residuais térmicas. Observa-se que as placas podem ser altamente sensíveis aos carregamentos térmicos. Supõe-se que a distribuição de carregamento mecânico é arbitrariamente linear por partes e que a temperatura de operação está dentro da escala especificada, sendo as combinações de carregamentos auto-equilibrantes. A consideração de um grau de incerteza nos carregamentos mecânicos fornece projetos ótimos que são insensíveis a perturbações e/ou casualidades nos carregamentos aplicados. Os resultados para casos simples de placas demonstram a eficácia da estratégia proposta e o risco de utilizar projetos de estruturas em material composto sensíveis às variações nos carregamentos térmicos e mecânicos.

Esse trabalho apresenta um procedimento de projeto para obtenção de estruturas típicas em aplicações aeronáuticas otimizadas satisfazendo simultaneamente dois critérios: carga de flambagem máxima e freqüência fundamental máxima. As estruturas projetadas estão sujeitas a carregamentos incertos ou não uniformes. Para a representação do carregamento não uniforme utiliza-se uma metodologia de extração de carregamentos auto-equilibrados a partir dos carregamentos físicos que atuam na estrutura. O carregamento auto-equilibrado é definido usando alguns pontos de controle de carga localizados nos contornos da estrutura. O carregamento auto-equilibrado é descrito usando funções lineares por parte. A abordagem matemática do projeto envolve a solução de problemas de otimização "minimax" em dois níveis e simultâneos. Utiliza-se a estratégia minimax com o intuito de se obter o melhor projeto para a pior condição de carregamento. O processo de otimização envolve também o método de Powell e um loop externo de otimização de massa. O loop externo de otimização de massa torna possível ajustar a massa da estrutura de acordo com especificações de projeto e margens de segurança adotadas. As variáveis de projeto da otimização são propriedades geométricas de estruturas e/ou ângulos de orientação das camadas (em estruturas de material compósito). No entanto, em otimizações que utilizam ângulos de orientação das camadas, é necessário utilizar parâmetros de laminação com o intuito de manter a convexidade do problema. Uma nova definição dos parâmetros de laminação foi adotada para aumentar a aplicabilidade do procedimento.

Este trabalho apresenta um modelo para a verificação do trem-tipo de projeto de pontes e viadutos da norma brasileira a partir do tráfego real nas estradas. Inicialmente, apresenta-se a comparação da carga móvel da norma brasileira com o Eurocode e com as normas da AASHTO. Em seguida, apresenta-se o estado da arte no Brasil e no mundo em pesquisas na área de cargas móveis em pontes. Propõe-se um modelo de verificação do trem-tipo baseado em simulações das passagens e cargas de veículos, através do método de Monte Carlo. São utilizados dados de pesagem e de quantidades de veículos provenientes de uma rodovia concedida à iniciativa privada no interior paulista. São efetuadas análises de pontes celulares com diversos vãos, de 30 a 200 metros, sendo estudados os momentos fletores no meio do vão e forças cortantes adjacentes aos apoios, em obras isostáticas, e momentos fletores no apoio central de pontes contínuas de dois vãos. É dada maior ênfase às situações de congestionamento sobre a ponte, e são efetuadas extrapolações estatísticas para a obtenção dos esforços característicos, levando-se em conta as diferentes situações de tráfego possíveis. Por fim, é feita uma extensão ao estudo das grelhas, utilizando-se linhas de influência transversais em ponte com vão de 30 metros, sem transversinas intermediárias. / This work presents a model to verify the design traffic load model of the Brazilian code, based on real traffic at road bridges. First, it compares Brazilian load model with Eurocode 1 and AASHTO Standard and LRFD Specifications. Then, recent development and research on bridge traffic load models are presented, in Brazil and other countries. A verification model of the traffic load is proposed, based on quantity and weight vehicle simulations, using Monte Carlo method. Real traffic data of trucks, used in this work, have been collected at highways of Sao Paulo state. Box-girder bridges from 30 to 200 m spans are investigated, studying the bending moment at midspan and the shear forces near the supports, on simply supported bridges, and the bending moment at center support, on two-span continuous bridges. Traffic jam situations on the bridge are emphasyzed, and statistical extrapolations to the load effects carachteristic values are done. Finally, it presents an extension of this study to multi-beam cross sections, using transverse influence lines, in a 30 m span bridge, without transverse beams.

Esse trabalho propõe uma metodologia de otimização no processo de aprovação de componentes estruturais submetidos a carregamentos cíclicos que já tiveram a primeira rodada de testes físicos e falharam sem atingir os critérios de aprovação previamente estabelecidos. Os estudos de caso utilizados na aplicação do método foram dois componentes de suspensão de veículos comerciais. A metodologia proposta tem em sua base diversos tópicos da engenharia, como o estudo dos materiais dos componentes, análise de tensão e fadiga via elementos finitos, medição e análise de sinal de deformação e força, teste de durabilidade acelerado, além de correlação entre simulação e realidade. No âmbito da fadiga, a análise foi efetuada em ambiente virtual, através de um programa capaz de importar as tensões da simulação numérica e medições estruturais. É utilizada a metodologia S-N (tensão vida), através da criação de curvas S-N locais sintéticas, alteradas da curva original via fatores de influência como gradiente de tensão, tensão média (via diagrama de Haigh), rugosidade superficial e também pela distribuição estatística das propriedades do material. Por se tratar de carregamentos cíclicos aleatórios, uma análise de proporcionalidade do sinal é feita, além da utilização da previsão de vida em fadiga abordando os conceitos da fadiga uniaxial (utilizando tensão principal e von Mises) e também no caso multiaxial (utilizando o método dos planos críticos e tensão normal escalonada). Um grande grau de correlação entre simulação de tensão e testes físicos foi encontrado (pelo menos 90%). A previsão de falha por fadiga para os dois casos teve seus melhores resultados utilizando o método dos planos críticos. Os dois componentes encontram-se homologados por essa metodologia e atualmente são utilizados por veículos comerciais de série sem falhas observadas em campo, mostrando uma tendência de assertividade do método. / This work proposes a methodology to optimize the approval of structural components subjected to cyclic loadings that have had the first round of physical testing and failed to achieve the approval criteria previously established process. The case studies used in the application of the method were two commercial vehicle suspension components. The proposed methodology has its base in various engineering topics such as the study of the component materials, stress analysis and fatigue via finite elements, measurement and signal analysis of deformation and strength, accelerated durability test, and correlation between simulation and reality. Within the fatigue, the analysis was performed in a virtual environment, through a software able to import the stresses of numerical simulation and structural measurements. The S-N method (stress life) is used, through the creation of local synthetic S-N curves. The curve is modified from the original via influence factors such as gradient stress, mean stress (via Haigh diagram), surface roughness and also the statistical distribution of material properties. Because of the random cyclic loading, an analysis of the proportionality sign is made, in addition of the use of the fatigue life prediction by uniaxial fatigue (using principal stress and von Mises) and also in the multiaxial case (using the critical plans method and normal scaled stress). A high degree of correlation between stress and physical simulation tests was found (at least 90%). The prediction of fatigue failure for the two cases had their best results using the critical plans method. The two components are approved by this methodology and are currently used by commercial vehicles series without failures observed in the field, showing an assertiveness trend of the method.

Esse trabalho propõe uma metodologia de otimização no processo de aprovação de componentes estruturais submetidos a carregamentos cíclicos que já tiveram a primeira rodada de testes físicos e falharam sem atingir os critérios de aprovação previamente estabelecidos. Os estudos de caso utilizados na aplicação do método foram dois componentes de suspensão de veículos comerciais. A metodologia proposta tem em sua base diversos tópicos da engenharia, como o estudo dos materiais dos componentes, análise de tensão e fadiga via elementos finitos, medição e análise de sinal de deformação e força, teste de durabilidade acelerado, além de correlação entre simulação e realidade. No âmbito da fadiga, a análise foi efetuada em ambiente virtual, através de um programa capaz de importar as tensões da simulação numérica e medições estruturais. É utilizada a metodologia S-N (tensão vida), através da criação de curvas S-N locais sintéticas, alteradas da curva original via fatores de influência como gradiente de tensão, tensão média (via diagrama de Haigh), rugosidade superficial e também pela distribuição estatística das propriedades do material. Por se tratar de carregamentos cíclicos aleatórios, uma análise de proporcionalidade do sinal é feita, além da utilização da previsão de vida em fadiga abordando os conceitos da fadiga uniaxial (utilizando tensão principal e von Mises) e também no caso multiaxial (utilizando o método dos planos críticos e tensão normal escalonada). Um grande grau de correlação entre simulação de tensão e testes físicos foi encontrado (pelo menos 90%). A previsão de falha por fadiga para os dois casos teve seus melhores resultados utilizando o método dos planos críticos. Os dois componentes encontram-se homologados por essa metodologia e atualmente são utilizados por veículos comerciais de série sem falhas observadas em campo, mostrando uma tendência de assertividade do método. / This work proposes a methodology to optimize the approval of structural components subjected to cyclic loadings that have had the first round of physical testing and failed to achieve the approval criteria previously established process. The case studies used in the application of the method were two commercial vehicle suspension components. The proposed methodology has its base in various engineering topics such as the study of the component materials, stress analysis and fatigue via finite elements, measurement and signal analysis of deformation and strength, accelerated durability test, and correlation between simulation and reality. Within the fatigue, the analysis was performed in a virtual environment, through a software able to import the stresses of numerical simulation and structural measurements. The S-N method (stress life) is used, through the creation of local synthetic S-N curves. The curve is modified from the original via influence factors such as gradient stress, mean stress (via Haigh diagram), surface roughness and also the statistical distribution of material properties. Because of the random cyclic loading, an analysis of the proportionality sign is made, in addition of the use of the fatigue life prediction by uniaxial fatigue (using principal stress and von Mises) and also in the multiaxial case (using the critical plans method and normal scaled stress). A high degree of correlation between stress and physical simulation tests was found (at least 90%). The prediction of fatigue failure for the two cases had their best results using the critical plans method. The two components are approved by this methodology and are currently used by commercial vehicles series without failures observed in the field, showing an assertiveness trend of the method.

Submitted by Irene Nascimento (irene.kessia@ufpe.br) on 2016-06-20T17:29:06Z No. of bitstreams: 2 license_rdf: 1232 bytes, checksum: 66e71c371cc565284e70f40736c94386 (MD5) Dissertação_ElderSilva.pdf: 10947725 bytes, checksum: de00b6e9f2c93bb210ce6ec7e6d47497 (MD5) / Made available in DSpace on 2016-06-20T17:29:06Z (GMT). No. of bitstreams: 2 license_rdf: 1232 bytes, checksum: 66e71c371cc565284e70f40736c94386 (MD5) Dissertação_ElderSilva.pdf: 10947725 bytes, checksum: de00b6e9f2c93bb210ce6ec7e6d47497 (MD5) Previous issue date: 2016-02-29 / Capes / O transporte de petróleo e seus derivados é uma atividade que requer muito cuidado, não somente pelo custo elevado dos produtos, mas também pelo seu potencial de causar graves acidentes. Um dos modos de transporte mais utilizados e seguros para esse tipo de operação são os dutos metálicos, tanto para prospecção quanto para o transporte. Inspeções periódicas em dutovias são fundamentais para detecção de danos físicos e avaliação da corrosão. A corrosão por sua vez, se trata de um processo natural que pode ser controlado e retardado, mas não eliminado. Portanto a inspeção das linhas é fundamental para obter dados sobre os defeitos de corrosão e assim avaliar a resistência dos dutos corroídos, visando uma operação segura das linhas. Para realizar as avaliações de integridade estrutural de dutos, vários métodos podem ser empregados. Os Métodos Analíticos Semi-Empíricos, que embora geralmente fornecem resultados muito conservativos implicando em parada prematura das linhas com defeitos de corrosão, ainda são largamente utilizados pois geram resultados seguros com razoável rapidez. Os Métodos Numéricos, particularmente o Método dos Elementos Finitos (MEF), têm gerado resultados com excelente acurácia em relação aos ensaios experimentais, mas não são tão empregados devido à complexidade de uso, que implica em uma análise demorada e necessidade de profissionais especializados para sua utilização. Na literatura são encontrados vários trabalhos sobre a avaliação da integridade de dutos corroídos com carregamento exclusivo de pressão interna. Em contrapartida, foram desenvolvidos poucos estudos acerca da avaliação de resistência de dutos sob carregamento combinado de pressão interna com outros tipos de carregamento. Com as recentes demandas de produção e exploração onde os dutos podem transportar fluídos de alta temperatura sob pressão, torna-se cada vez mais necessário levar em conta os fenômenos termomecânicos acoplados. Esse trabalho se propõe a estudar dutos com defeitos de corrosão interagentes sob carregamento combinado de pressão interna e cargas térmicas através do MEF para mostrar a importância da consideração das cargas térmicas para avaliar a integridade de dutos corroídos. Ao fim das análises, foi constatado que as cargas térmicas podem reduzir significativamente a pressão de falha de dutos corroídos, com perdas percentuais até 8,86%, quando é aplicado uma temperatura relativa de 100°C. Por fim mostrouse que a consideração das cargas térmicas influencia significativamente a integridade estrutural de dutos corroídos, principalmente para dutos com defeitos de corrosão com comprimento total longo e/ou profundos. / The transport of oil and its derivatives is an activity that requires special attention, not only due to the high costs of the goods, but also for its potential to cause serious accidents. One of the safest modes to realize exploration and transport operations is the use of metallic pipes. Periodic inspections of pipes are critical to detect injury and to evaluate the action of corrosion. Corrosion is a natural process that can be controlled and delayed but not completely avoided. Proper inspection and monitoring of the lines are critical to obtain data of the corrosion defects and assess the structural resistance of corroded pipes, thus allowing safe operation of the lines. To assess the structural integrity of pipes, various methods can be employed. The Semi- Empirical Analytical Methods, which usually provide very conservative results resulting in premature shutdown of the lines with corrosion defects, are still widely used as they generate quickly reliable results. The numerical methods, particularly the Finite Element Method (FEM), have generated results with excellent accuracy compared to experimental tests, but are not very employed yet due to the complexity of use, which involves time-consuming analysis and specialized professionals. On one hand, several papers about the evaluation of the integrity of corroded pipes with internal pressure loading can be found in the literature. On the other hand, few studies have been developed about the integrity of pipes submitted to combined loading, such as internal pressure with other types of loads. With the recent demands of production and exploration, where pipes can transport high temperature fluids under pressure, it becomes increasingly necessary to take into account the coupled thermo-mechanical phenomena. This work aims to study the integrity of pipes with interacting corrosion defects under combined load composed by internal pressure and thermal loads. The MEF is used to perform the numerical analysis and to show the importance of considering the thermal loads to evaluate the integrity of corroded pipes. It was highlighted that the thermal loads can significantly reduce the failure of corroded pipe pressure, by percentage losses up to 8.86% when considering a relative temperature of 100°C. Finally it was shown that the consideration of the thermal loads in the models significantly influences the structural integrity of corroded pipes, particularly for those with long total length and/or deep corrosion defects.

Um dos aspectos fundamentais do projeto estrutural de plataformas flutuantes para produção de petróleo no mar é a determinação dos carregamentos externos globais provenientes da ação das ondas sobre a estrutura da plataforma. A presente dissertação de mestrado apresenta uma proposta de procedimento destinado à determinação experimental, em tanque de provas, dos carregamentos estruturais globais atuantes em uma plataforma de exploração e produção de petróleo do tipo semi-submersível. O procedimento proposto envolve as seguintes etapas: especificação do tipo de esforço que se pretende medir; definição das condições de ensaio; definição da escala dos modelos; escolha do processo construtivo dos modelos; especificação do processo de medida dos esforços; definição dos equipamentos e instrumentos de medida experimental; especificação da matriz de ensaios; definição dos procedimentos de análise de resultados. Como exemplo de aplicação, o procedimento proposto foi empregado na avaliação dos esforços de Momento Fletor no Convés e Força de Separação nos Flutuadores de uma Plataforma Semi-submersível padrão, empregada para validação de resultados em tanques de prova. Os resultados obtidos foram comparados com os da literatura, mostrando uma boa aderência qualitativa e quantitativa. / One of the fundamental aspects in the structural design of floating platforms for oil production in the sea is the determination of the global structural loads induced by the wave-platform structure interaction. This master degree thesis proposes a procedure destined to the experimental determination, in a wave tank, of the global structural loads acting in an exploration and production semi-submersible oil platform. The proposed procedure involve the following stages: Specifying the kind of stress to be measured; definition of the test conditions; model scale definition; choosing the model building process; stress measurement process specification; definition of resources and instrumentation for experimental measurement; test matrix specification; results analysis procedure definition. As an application example, the proposed procedure was used in the bending moment stress evaluation on deck and split force on the pontoons of a standard semi-submersible oil platform, used for the results evaluation in wave tanks. The results obtained were compared with the literature, showing a good qualitative and quantitative adhesion.