Como ponto de partida para a formulação da teoria termodinamicamente consistente da fratura, parte-se das cinco equações globais do balanço termomecânico (massa, momentum linear, momentum angular, energia e entropia), aplicadas ao caso de um sólido dentro do qual superfícies internas regulares podem evoluir, continuamente, com o processo de deformação, simulando fissuras. Faz-se a passagem das equações globais às correspondentes equações locais de balanço, inclusive nos pontos das superfícies de avanço das fissuras, e chega-se ao critério termodinâmico geral de fratura. Fazendo-se uso da noção de energia livre de Helmholtz, particulariza-se o critério para o caso isotérmico. Na seqüência, contando-se com o auxílio da Análise de Sensibilidade à variação de forma, da Otimização Estrutural, aplicada ao caso da fratura, obtém-se o parâmetro termodinâmico de fratura, válido para uma parte arbitrária do sólido contendo uma fissura. Assim, o problema fica reduzido à obtenção do valor de uma integral sobre a fronteira da parte do sólido considerada. O Método dos Elementos de Contorno é utilizado para a obtenção de resultados aproximados desse parâmetro, que é alternativo à integral J de Rice. Conclui-se, com uma proposta de experimento de laboratório, acoplado a um experimento numérico, para o caso de um problema bidimensional. A partir da comparação entre resultados do experimento de laboratório e do correspondente experimento numérico, sugere-se que será possível a calibração de parâmetros associados ao comportamento não linear do material nas proximidades da extremidade de uma fissura. / The construction of a thermodynamically consistent theory of fracture, is here proposed assuming that the five global equations of the thermomechanical balance (mass, linear momentum, angular momentum, energy and entropy), of Continuum Mechanics, are valid in the case of a solid containing flaws, simulating initial cracks. Considering the possibility of crack advances, the passage from global equations to local ones conducted to local balance, also for points taken over the crack advancing surfaces. As consequence, a general thermodynamic fracture criterion is obtained. Then, using the concept of Helmholtz Free Energy, this fracture criterion is particularised to the isothermal case. The Shape Sensitivity Analysis, used as a tool of Fracture Mechanics, conducted to a fracture thermodynamic parameter Gt, whose physical meaning is analogous to the Griffith\'s energy release rate (or the Rice\'s J integral) but that parameter is based on the strain energy instead potential total energy. The Boundary Element Method is used in the construction of a strategy of coupling numerical and experimental tests, viewing the construction of a particular fracture criterion, valid to plane problems. In conclusion, one proposes that this numerical and experimental coupling be adopted for calibration of non-linear models of material behaviours, valid in the neighbouring of crack\'s onset.

O presente trabalho foi desenvolvido com o intuito de verificar a influência do efeito escala na variação da forma da curva tensão-deformação e na resistência de duas rochas brasileiras: o arenito silicificado da Formação Botucatu e o basalto da Formação Serra Geral. Para tanto, foram executados ensaios de flexão a três pontos, com controle do processo de fraturamento, em amostras de ambas as rochas. Os ensaios foram conduzidos sobre quatro tamanhos diferentes de corpos de prova. Experimentalmente, não foi observada variação na forma da curva força-deslocamento com o tamanho das amostras. Observou-se também que a variação da resistência em função dos tamanhos das amostras aproxima-se do previsto pela Mecânica da Fratura Elástica Linear. As curvas força-deslocamento obtidas experimentalmente foram comparadas com duas outras curvas obtidas numericamente, uma através de simulações baseadas na Mecânica da Fratura Elástica Linear, e outra com base na teoria do Modelo Coesivo de propagação de fraturas em análise não linear. Os dados obtidos mostram que entre as duas simulações numéricas a que apresenta melhor aproximação à simulação experimental é a do Modelo Coesivo e que ambas subestimam os deslocamentos no trecho pós-ruptura dos ensaios. / This present work has been developed aiming to verify the scale effect influence on the stress-strain curve form as well on the strength of two Brazilian rocks: Botucatu sandstone and basalt from Serra Geral Formation. Using samples of those rocks three point beam bending experiments have been made in with the crack displacement opening mouth was controlled. The experiments have been conducted using four different samples size. In the experiments no variation in the form of the force-displacement curve has been observed considering those chosen samples sizes. The rock strength variation for those samples is approximately the one predicted by the Linear Elastic Fracture Mechanics Theory. The force-displacement curves experimentally achieved were compared with two other curves obtained numerically, one using the Linear Elastic Fracture Mechanics Theory with FEM and other assuming the fictitious Cohesive Crack Model with BEM. It has been verified that among the two numerical procedures the Cohesive Crack Model gives better results and both give smaller displacements after the rupture.

Os programas de desenvolvimento de aços de ultra-alta resistência requerem que cada vez mais se estudem os efeitos de variáveis metalúrgicas na tenacidade à fratura. Dentre os aços de ultra-alta resistência nacionais, dois dos mais promissores são o 300M e o MARAGING 300. Dentre as variáveis metalúrgicas que influem na tenacidade, o esqUema de tratamento térmico talvez seja a de mais fácil utilização.Na parte inicial deste trabalho estudam-se estruturas temperadas e revenidas e estruturas bainíticas de aço 300M, utilizando-se da metodologia da Mecânica da Fratura, e comparam-se os val ores de tenacidade. Na parte final, utilizando-se aços Maraging 300, estuda-se o efeito na tenacidade de envelhecimento a 480C durante períodos de 3 horas, 6 horas e 24 horas. Os estudos, em ambos os casos, são ilustrados por uma completa caracterização fractográfica, e é feita uma correlação baseada no aspecto das microcavidades para o Maraging 300. Os resultados obt idos permitem concluir que os aços Maraging 300 são 30% mais tenazes que os aços 300M e que não há distinção apreciável na tenacidade de uma estrutura bainítica e uma estrutura temperada e reVenida de 300M. Além disso, a proximidade dos valores medidos de tenacidade de 300M e Maraging 300 com os valores teóricos para a mesma classe de materiais, permite a utilizacão do método de avaliação para chapas finas mesmo em condições de deformação plana não total.

O presente trabalho foi desenvolvido em várias etapas envolvendo desde o estudo do desempenho em fadiga de tubos utilizados em risers rígidos até a avaliação do comportamento em fratura dos mesmos. Inicialmente foi desenvolvido um sistema de ensaios de fadiga de tubos por ressonância. Este sistema constava de cabeças de apoio, sendo o tubo submetido a carregamento cíclico por uma massa excêntrica acionada por um motor elétrico. Com este sistema foram realizados ensaios de fadiga em tubos que continham uma emenda produzida por solda helicoidal. Foram testadas duas séries de tubos, sendo uma sem simulação de bobinamento e outra com simulação de bobinamento. Devido ao fato de que os ensaios de fadiga nestes tubos eram interrompidos quando a trinca se tornava passante, alguns tubos foram submetidos a um carregamento em tração até a ruptura. Assim foi possível avaliar a resistência remanescente e com estes dados comparar com aqueles utilizando-se os ensaios a partir da previsão do comportamento em fratura obtida com corpos de prova da mecânica da fratura. Foram, também, ensaiados por tração tubos com defeitos produzidos por usinagem para comparação do comportamento na fratura com aqueles que possuíam defeitos gerados por fadiga. Com o objetivo de avaliar a possibilidade de utilização de corpos de prova normalizados do tipo SE(B), foram realizados em laboratório, ensaios de tenacidade à fratura em corpos de prova retirados dos tubos. No intuito de avaliar a correspondência de técnicas de simulação numérica foram utilizadas técnicas analíticas por método de elementos finitos para simular o comportamento de trincas em tubos. Estes resultados foram comparados com os obtidos nos ensaios de tração. Também foi realizada a simulação do corpo de prova testado em laboratório com o mesmo objetivo. Foi verificado que o sistema de ensaio sob carregamento cíclico permite a execução de testes de fadiga em tubos. Os tubos testados apresentaram ótimo desempenho em fadiga, sendo os resultados superiores àqueles especificados em norma. Os ensaios de tração nos tubos trincados por fadiga mostram que estes apresentam resistência próxima das do tubo íntegro, mesmo possuindo trinca da ordem de 60 mm de comprimento. Entretanto, os ensaios de laboratório revelaram que os corpos de prova de dimensões reduzidas utilizados para avaliação do comportamento em fratura destes componentes são inadequados. A simulação numérica mostrou-se eficiente na reprodução do comportamento de tubos com trinca não passante e para os corpos de prova de laboratório,não tendo, entretanto, o mesmo sucesso na previsão do comportamento de tubos com trincas passantes. / This work was developed in multiple steps, from the fatigue behavior to fracture evaluation of rigid risers’ pipes. First was developed a resonant fatigue test rig, which consisted of two support heads, with the pipe being submitted to cyclic load by a rotating eccentric mass that was driven by an electric motor. With this rig full-scale fatigue tests were carried out in two sets of middle bias weld pipes. One set was subjected to plastic deformation simulating reeling operation, while the other was not. Since the tests were interrupted when there was a trough the wall crack, some pipes were tested in tension to fracture to evaluate the load capacity of the remaining pipe sections. Pipes with machined defects were also tested, in order to compare their behavior to that of the pipes that had fatigue defects. With the goal of evaluating the possibility of using standard SE(B) specimens, some fracture toughness tests were done in laboratory with specimens extracted from the pipes. In order to evaluate the correspondence of numeric simulation methods to reality, a commercial software was used to simulate the load capacity of the fractured pipe segments and the results were compared with those obtained in the tension to fracture tests. A simulation of the laboratory tested specimen was also done with the same objective. It was evidenced that the resonance fatigue test rig was capable of executing fatigue tests in full-scale pipes. The tested pipes presented good performance under fatigue, being superior to the specified by the standard. The tension to fracture tests done on the cracked pipe segments showed that they have a resistance that is close to that of the non-cracked pipes, even with cracks with lengths of around 60 mm. The laboratory tests proved that the small standard specimens are inadequate to measure the fracture properties of the pipe's material. The numeric simulation showed itself to be efficient in the reproduction of the behavior of pipes with non-trough the wall cracks and of standard specimens, but showed poor agreement with the behavior presented by the pipes with trough-wall cracks.

Dissertação (Mestrado em Engenharia Mecânica) - Centro Universitário FEI, São Bernardo do Campo, 2016.

Com os avanços na área de exploração de óleo e gás em ambientes offshore, a seleção de materiais torna-se cada vez mais rigorosa, tendo em vista as condições de serviço extremamente adversas. As superligas à base de níquel (Inconel) vêm sendo utilizadas com sucesso na área de exploração de óleo e gás em águas profundas, como alternativa de substituição aos aços inoxidáveis dúplex. Todavia, componentes e equipamentos estruturais utilizados nestes ambientes podem estar sujeitos a fenômenos de fragilização pelo Hidrogênio, que acarretam em prejuízos às propriedades mecânicas do material. A aplicação desta superliga na indústria do petróleo requer um rigoroso controle microestrutural com restrições quanto à presença de fase δ, sendo que propriedades mecânicas otimizadas são obtidas através de tratamentos térmicos específicos. Os tratamentos térmicos efetuados neste trabalho seguem as recomendações da norma API (American Petroleum Institute). Pesquisas demonstram que a precipitação de fase δ pode ser facilitada quando as amostras solubilizadas são submetidas à deformação plástica, seguida de tratamentos térmicos de envelhecimento. O presente estudo visa avaliar a tenacidade à fratura da superliga Inconel 718 em água do mar sintética sob proteção catódica no potencial de -1050 mVECS. Nesta avaliação, utilizou-se a técnica step loading com incremento de carregamento, em corpos de prova do tipo SE(B) da mecânica da fratura, avaliando, desta forma, quantitativamente o efeito do Hidrogênio nas propriedades do material. Para avaliar o efeito da deformação plástica, foram utilizados dois níveis distintos de sobrecarga aplicada ao corpo de prova, gerando uma acentuada plasticidade (deformação plástica) na região da ponta da trinca. Os resultados evidenciaram que a presença do Hidrogênio no material afeta significativamente a tenacidade à fratura do Inconel 718 no ambiente estudado, alterando o modo de falha, de fratura dúctil para frágil. As análises realizadas nesta pesquisa não permitiram assegurar que a plasticidade gerada pela sobrecarga realmente não promoveram uma precipitação preferencial e mais intensa da fase δ na microestrutura do material. Se de fato ocorreu essa precipitação preferencial, as técnicas de análise empregadas nesta investigação não tiveram resolução para detectar. / With advances in exploration of oil and gas in offshore environments, selection of materials becomes increasingly stringent, given the extremely adverse conditions of service. The nickel-based superalloys (Inconel) have been used successfully in exploration of oil and gas in deep waters, as alternative to replace the duplex stainless steels. However, structural components and equipment used in these environments may be subject to hydrogen embrittlement phenomena, which cause damage to the mechanical properties of the material. The application of this superalloy in the oil industry requires rigorous microstructural control with restrictions on the presence of δ phase, and optimized mechanical properties are obtained by specific heat treatments. The heat treatments performed in this work follow the recommendations of API (American Petroleum Institute) standard. Research shows that the precipitation of δ phase can be facilitated when the solubilized samples are subjected to plastic deformation, followed by thermal aging treatments. The present study aims to evaluate the toughness of superalloy Inconel 718 fracture in synthetic seawater under cathodic protection in potential -1050 mVECS. In this review, we used the technique step loading with increasing load in specimens of type SE (B) of fracture mechanics, assessing thus quantitatively the effect of hydrogen on the properties of the material. To evaluate the effect of plastic deformation, two distinct levels of overload were used, generating a high plasticity (plastic deformation) at the crack tip of the specimen region. The results showed that the presence of hydrogen in the material significantly affects the toughness of Inconel 718 fracture environment studied by changing the failure mode from ductile to brittle fracture. The analyzes performed in this study did not ensure that the plasticity generated by the overload does not really promoted a preferential and more intense precipitation of δ phase in the microstructure of the material. If indeed this preferential precipitation occurred, the analysis techniques employed in this investigation had no resolution to detect.

Dissertação (mestrado)—Universidade de Brasília, Faculdade de Tecnologia, Departamento de Engenharia Civil e Ambiental, 2015. / Comumente, os sistemas estruturais são projetados com modelos determinísticos, desprezando a natureza incerta dos diversos parâmetros determinantes do comportamento estrutural. Além disso, boa parte dos modelos de falha estrutural utilizados nos projetos de dimensionamento não considera o racional mecânico, oriundo da mecânica da fratura na predição do colapso estrutural de sistemas e membros estruturais. Este trabalho estuda o risco estrutural das predições com modelos da Mecânica da Fratura Não-Linear Elástica para materiais e estruturas quasi-frágeis, especialmente para os materiais cimentícios com e sem adição de reciclados. Esta pesquisa implementa um algoritmo para realizar a análise de funções de estado limite não lineares que descrevem o estado limite de ruptura de vigas por propagação instável de trincas. Parâmetros de fratura de materiais cimentícios são extraídos de ensaios de laboratório como especificados nos métodos clássicos: efeito de escala de Bazant (EEB) e modelo de dois parâmetros (MDP). Os resultados quantificam a predição da falha estrutural e probabilidade de fraturamento instável incorporando a influência da variabilidade estatística dos parâmetros dos materiais obtidos em ensaios de laboratório. Os principais parâmetros de fratura investigados são a energia de fratura crítica ( ) e o tamanho equivalente da zona de processo (C). O trabalho faze comparações para medir a confiabilidade entre matérias tais concreto convencional (CONC) e concreto reciclado (FRAP). / Commonly, structural systems are designed with deterministic models, disregarding the uncertain nature of the various relevant parameters of structural behavior. In addition, many of the structural failure models used in design do not consider the fracture mechanics to predict the structural failure or collapse of systems and structural members. This dissertation studies the structural risk predictions considering models of Non-Linear Elastic Fracture for quasi-brittle materials and structures, especially for cement and recycled materials. A algorithm is proposed and implemented to perform the analysis of nonlinear limit state functions that describe the failure state for three-point bending beams for unstable crack propagation. Cementitious materials fracture parameters are extracted from laboratory tests as specified in the classical methods Bazant’s size effect model (EEB) and two-parameter fracture model (MDP). The results quantify the prediction of structural failure and unstable fracture probability incorporating the influence of statistical variability of the parameters of the materials obtained in laboratory tests. The main investigated fracture parameters are the critical fracture energy (Gf) and the equivalent size of the process zone (C). This work also compares the reliability index for beams of conventional concrete (CONC) and recycled concrete (FRAP).

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-graduação em Engenharia Mecânica, Florianópolis, 1993. / Made available in DSpace on 2012-10-16T05:32:33Z (GMT). No. of bitstreams: 1 274034.pdf: 10288596 bytes, checksum: 9672516a2ea6758e84c2967cd833bfdb (MD5) / O fator de intensidade de tensão é de extrema importância na análise de falha, mecânica da fratura e fadiga, metodologia usada quando o custo é elevado e a segurança imprescindível. No cálculo do fator de intensidade de tensão, vários métodos têm sido utilizados e, entre eles, tem-se os Métodos dos Elementos Finitos e de Contorno, o primeiro necessita um grande refino na malha, elevando o custo computacional, e o segundo, cujo refino é bastante reduzido, pode representar melhor a singularidade no extremo da trinca por ser um método de característica mista, mas necessita o conhecimento prévio da solução fundamental, restringindo sua aplicação. O Método da Função de Green Local Modificado é apresentado, aqui, como uma nova ferramenta e pode ser comparado com o Método Direto de Elementos de Contorno de Galerkin, possuindo a característica mista mas não a restrição acima, pois a solução fundamental, a função de Green, é aproximada nodalmente com elementos finitos. Assim, como primeira parte, apresenta-se a formulação do método para elementos não isoparamétricos, aproveitando a característica mista, juntamente com revisões da elasticidade e da mecânica da fratura. Uma verificação do método, com elementos convencionais, resolvendo problemas com trica é efetuada como segunda parte, assim como, a apresentação de desenvolvimentos no método relacionados à dependência paramétrica e o custo computacional. Apresenta-se, também, alguns elementos especiais de trinca adaptados ao método, com seus respectivos resultados e, por fim, uma comparação entre eles. / The stress intensity factor is of paramount importance at failure analysis, fatigue and fracture mechanics, this methodology is used when the cost is high and the safety essential. In this way, a lot of methods have been used and, among of them, one has the Finite Element and the Boundary Element methods, the first needs a fine mesh getting a high computational cost and the second, with a not so fine mesh, can take a better representation of the singularities at the crack tip because its mixeal characteristic, but it needs the previous know of the fundamental solution, restricting its applications. The modified Local Green#s Function Method is introduced here as a new ton and can be compared with the Galerkin Direct Boundary Element Method, keeping the mixed characteristic but the restriction above, since the fundamental solution, the Green#s function, is nodaly approximated by finite elements. So, as a first portion, one introduces the method for not isoparametrics elements, taking advantage of the hybrid characteristic, together with elasticity and fracture mechanics revisions. A method#s valuation, with usual elements, by solving crack problems is made as a second portion, as well as the method features related with the parametric dependence and computational cost. One shows some crack elements are also shown together within solutions and, at last, but not least a comparison of themselves.

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico. Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica. / Made available in DSpace on 2012-10-23T05:50:47Z (GMT). No. of bitstreams: 1 241511.pdf: 1948485 bytes, checksum: 482ee6f1081d30cc2601b2a9751be506 (MD5)

Este trabalho apresenta uma abordagem numérica da fratura baseada no Método dos Elementos Finitos na qual são considerados materiais frágeis como objeto de estudo. As simulações realizadas são possíveis através de um algoritmo computacional que consiste na implementação de molas entre as faces dos elementos finitos. Esta composição constitui o método denominado Interfaces Coesivas. As molas fornecem o efeito de coesão e é representado por leis constitutivas do tipo bi-linear. Sua descrição é apresentada, bem como sua implementação na análise. Tanto o modo I como o modo II de ruptura são considerados. Com o objetivo de verificar o presente modelo com outros resultados e soluções, são analisados exemplos numéricos e experimentais extraídos da literatura. Tais exemplos tratam da nucleação, propagação e eventuais paradas de trincas em peças estruturais submetidas aos mais diversos carregamentos e condições de contorno. É ainda discutido como os parâmetros de fratura do material interferem no processo de ruptura. Uma tentativa é feita de determinar estes parâmetros, em especial no caso de concreto.