A large-area electronics (LAE) strain sensor, termed soft elastomeric capacitor (SEC), has shown great promise in fatigue crack monitoring. The SEC is capable to monitor strain changes over a large structural surface and undergo large deformations under cracking. Previous tests verified that the SEC can detect and localize fatigue cracks under low-cycle fatigue loading. In this paper, we further investigate the SEC's capability for monitoring high-cycle fatigue cracks, which are commonly seen in steel bridges. The peak-to-peak amplitude (pk-pk amplitude) of the SEC measurement is proposed as an indicator of crack growth. This technique is is robust and insensitive to long-term capacitance drift. To overcome the difficulty of identifying the pk-pk amplitude in time series due to high signal-to-noise ratio, a signal processing method is established. This method converts the measured SEC capacitance and applied load to power spectral densities (PSD) in the frequency domain, such that the pk-pk amplitudes of the measurements can be accurately extracted. Finally, the performance of this method is validated using a fatigue test of a compact steel specimen equipped with a SEC. Results show that the crack growth under high-cycle fatigue loading can be successfully monitored using the proposed signal processing method.

Este trabalho visa o refinamento do procedimento para estimativa dos parâmetros elasto-plásticos de tenacidade à fratura, integral J e CTOD, incorporando o efeito de dissimilaridade mecânica devido à introdução de juntas soldadas utilizando a metodologia eta, tal efeito não é previsto na formulação das atuais normas de avaliação de tenacidade à fratura, porém a dissimilaridade mecânica afeta fortemente a relação entre o carregamento global do espécime e as forças motrizes na ponta da trinca. Para o desenvolvimento das análises foi empregada a geometria normalizada C(T), compacta, pois esta pode apresentar potencias vantagens sobre a geometria SE(B), flexão três pontos, como menor consumo de material para a confecção dos espécimes, menor capacidade do aparato experimental e fácil manipulação na prática dos testes laboratoriais, porém carece de fatores eta quando comparados ao tradicional espécime SE(B). Os principais objetivos deste trabalho são gerar um compêndio de fatores eta e propor uma formulação robusta que incorpore os efeitos de dissimilaridade mecânica para o cálculo de integral J e CTOD. Para tal intento a matriz de análise deste trabalho abrange diferentes comprimentos de trinca, níveis de dissimilaridade mecânica e larguras de cordão de solda, 0.45a/W0.6 e 1M y 1.3, 10 mm2h20 mm respectivamente. As análises numéricas foram realizadas nas condições de estado plano de deformação (2D) e tridimensional (incluindo o efeito acoplado entre os campos de tensões e deformações no plano e fora do plano), os resultados fornecem um bom suporte ao uso da geometria C(T) com trinca central no cordão de solda para avaliação de tenacidade à fratura em juntas soldadas de materiais comumente aplicados na construção de dutos e vasos de pressão. / This work focuses on the evaluation procedure to determine the elastic-plastic J integral and CTOD fracture toughness based upon the eta-method for C(T) fracture specimens including overmatched weldments. Since fracture toughness test protocols do not address weld strength mismatch effect, this effect strongly alters the relationship between global loads and crack driving forces. The objectives of this investigation are to enlarge plastic eta-factor data base for C(T) specimen and to develop a robust formulation to address weld strength mismatch. The present analyses enable the introduction of a larger set of plastic eta-factors for a wide range of crack sizes (as measured by the a/W-ratio) and material properties, including different levels of weld strength mismatch, applicable to structural, pipeline and pressure vessel steels. Very detailed non-linear finite element analyses for plane-strain and full 3D models of standard C(T) fracture specimens provide the evolution of load with increased crack mouth opening displacement (and LLD) required for the estimation procedure. The results provide a strong support to use the plastic eta-factor in J integral and CTOD estimation procedures for center notch welded C(T) fracture specimen.

Este trabalho visa o refinamento do procedimento para estimativa dos parâmetros elasto-plásticos de tenacidade à fratura, integral J e CTOD, incorporando o efeito de dissimilaridade mecânica devido à introdução de juntas soldadas utilizando a metodologia eta, tal efeito não é previsto na formulação das atuais normas de avaliação de tenacidade à fratura, porém a dissimilaridade mecânica afeta fortemente a relação entre o carregamento global do espécime e as forças motrizes na ponta da trinca. Para o desenvolvimento das análises foi empregada a geometria normalizada C(T), compacta, pois esta pode apresentar potencias vantagens sobre a geometria SE(B), flexão três pontos, como menor consumo de material para a confecção dos espécimes, menor capacidade do aparato experimental e fácil manipulação na prática dos testes laboratoriais, porém carece de fatores eta quando comparados ao tradicional espécime SE(B). Os principais objetivos deste trabalho são gerar um compêndio de fatores eta e propor uma formulação robusta que incorpore os efeitos de dissimilaridade mecânica para o cálculo de integral J e CTOD. Para tal intento a matriz de análise deste trabalho abrange diferentes comprimentos de trinca, níveis de dissimilaridade mecânica e larguras de cordão de solda, 0.45a/W0.6 e 1M y 1.3, 10 mm2h20 mm respectivamente. As análises numéricas foram realizadas nas condições de estado plano de deformação (2D) e tridimensional (incluindo o efeito acoplado entre os campos de tensões e deformações no plano e fora do plano), os resultados fornecem um bom suporte ao uso da geometria C(T) com trinca central no cordão de solda para avaliação de tenacidade à fratura em juntas soldadas de materiais comumente aplicados na construção de dutos e vasos de pressão. / This work focuses on the evaluation procedure to determine the elastic-plastic J integral and CTOD fracture toughness based upon the eta-method for C(T) fracture specimens including overmatched weldments. Since fracture toughness test protocols do not address weld strength mismatch effect, this effect strongly alters the relationship between global loads and crack driving forces. The objectives of this investigation are to enlarge plastic eta-factor data base for C(T) specimen and to develop a robust formulation to address weld strength mismatch. The present analyses enable the introduction of a larger set of plastic eta-factors for a wide range of crack sizes (as measured by the a/W-ratio) and material properties, including different levels of weld strength mismatch, applicable to structural, pipeline and pressure vessel steels. Very detailed non-linear finite element analyses for plane-strain and full 3D models of standard C(T) fracture specimens provide the evolution of load with increased crack mouth opening displacement (and LLD) required for the estimation procedure. The results provide a strong support to use the plastic eta-factor in J integral and CTOD estimation procedures for center notch welded C(T) fracture specimen.