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[pt] Foi desenvolvido um método computacional para a determinação dos fatores de intensidade de tensão, para os modos de abertura I e II, a partir de configurações de franjas isocromáticas. O método se caracteriza pela generalização na formulação do campo de tensões na vizinhança da ponta de trinca, que busca determinar, além dos fatores de intensidade de tensão, alguns parâmetros significativos do campo de tensões não singular, associados a diferentes geometrias, que interferem no campo singular, próximo à trinca. Um programa de computador foi desenvolvido para a obtenção KI, KII e dos demais fatores considerados. O erro das respostas pode ser calculado a partir das diferentes opções de saída do programa. O método foi testado em modelos de barras com trincas a 90 e 45 graus e os resultados comparados com dados experimentais e analíticos disponíveis na literatura. Como fatores de influência na determinação de KI e KII forma estudados: a quantidade e a posição dos pontos de coleta de dados, e o número de parâmetros considerados no campo não singular. Foram analisados ainda, como exemplo de aplicação ainda, como exemplo de aplicação, três modelos de solda de topo com trincas a 45 e 90 graus com diferentes posicionamentos em relação ao reforço de solda. / [en] A computational method has been developed to determine mixed-mode stress intensity factors from isochromatic fringe patterns. The method proposes a general formulation of the stress field around a crack tip. It searches to obtain not only the stress intensity factors but also all the other non-singular stress field parameters, associated to different geometries, which interfere with the singular field near the crack. The method has been tested in bars with 90 and 45 degree cracks and the results, compared to experimental and analytical data found in literature. Three factors influencing in KI and KII determination have been studied: the quantity of data collecting points, its position and number of parameters considered in the non-singular field. Three models of transverse butt welded joints with 45 and 90 degrees cracks placed in different positions relative to weld reinforcement, have been analyzed as application examples.

[pt] A partir das equações de Williams e Creager foi desenvolvido um método híbrido, que acopla fotoelasticidade a um método numérico-computacional para determinação a dos fatores de intensificação de tensões (FIT) em placas planas sujeitas aos Modos I e II de abertura, com ou sem arredondamento na raiz do entalhe. Às equações propostas acopla-se um polinômio completo que representa uma tensão não-singular (sigma). Assim feito é possível a determinação dos coeficientes KI, KI e termos de sigma. Três programas de computador foram desenvolvidos para as formulações (Williams ou Creager): O primeiro: a partir da configuração das franjas isocromáticas, obtém-se KI e KII e os termos relativos à tensão não singular. O segundo: o desvio relativo a cada ordem de franja é determinado a partir dos termos acima. O terceiro: a partir dos valores determinados regenera-se as franjas isocromáticas para compara-las com as originais. As formulações foram testadas em modelos de barras com trincas e entalhes (com e sem arredondamento na raiz) e seus resultados comparados com dados disponíveis na literatura. Os fatores de influência na determinação de KI e KII, estudados foram: a quantidade de pontos e o ângulo delimitador da região de coleta de dados, bem como a influência dos termos referentes ao campo não singular e alguns aspectos do método numérico implementado. Como aplicação estudou-se o caso do corpo de prova tipo Charpy, onde, a partir das equações de Creager e dos valores de KI e KII assim determinados, pôde-se obter o valor de Kt para uma dada geometria. / [en] A hybrid method coupling photoelasticity to a numerical-computational method which implements the William s (modes I and II) and Creager s (mode I) equations has been developed to determine the mixed-mode stress intensity factors in sharp notches and blunt cracks. The equations take into account the presence or not of a radius in the tip of the notch. To the proposed equations was added a complete polynomial, which represents the non-singular stress field. Three computational programs were developed for both formulations (William s and Creager): one to determine KI, KII and the non-singular terms, the second to evaluate the error between the actual situation and the results obtained and the third to regenerate the isochromatic fringes. The method has been tested in bars with cracks and notches (taking or not into account the existence of the radius at the depth of the notch) and the results were compared to experimental and analytical data found in the literature. Factors which have influence on the determination of KI, KII, were discussed: the number of data points and sector angle where those points are collected as well as the influence of the number of non-singular terms and some aspects of the numeric method. Two applications were studied: Charpy type test specimen under tension and bending and a beam with deep simetrycal grooves. With the values of KI and KII obtained by the Creager s equations one can determine the valeu of sigma x and sigma y in the analyzed situation, as well as the Kt value.

[pt] A análise teórica de cabos de aço é bastante complexa. Durante anos, muitos tipos de cabos de aço têm sido testados experimentalmente para as mais diversas aplicações. No início dos anos 70, foi desenvolvido por Costello, um modelo teórico para prever as tensões de contacto entre os arames de uma perna de um cabo de aço. A partir deste modelo teórico, que possibilitou o estabelecimento das equações de equilíbrio de cada elemento do cabo, diversos trabalhos foram desenvolvidos na tentativa de solucionar as equações de cabos. Este sistema de equações é não linear e deve ser resolvido numericamente para os casos genéricos. Em 1994, uma aproximação linear para estas equações foi desenvolvida por Velinsky. Estas equações lineares de equilíbrio de cabos foram posteriormente generalizadas para geometrias e construções complexas. Este trabalho apresenta o desenvolvimento de um programa para análise de cabos de aço de geometria complexa. O trabalho inicialmente apresenta o estudo das deformações de um arame helicoidal. Diversos destes arames formam as pernas, que enrolados posteriormente produzirão os cabos de aço. As deformações do cabo de aço são estudadas a partir da deformação individual de cada uma das pernas que o constituem. O programa desenvolvido neste trabalho considera o comportamento de cabos de aço composto por qualquer número de pernas (estas com qualquer número de arames). Estes cabos de aço podem ainda ter ou não núcleo interno. Os algoritmos utilizados pelo programa baseiam-se nas equações desenvolvido por Phillips e Costello em 1993. Os resultados obtidos por este programa são comparados com diversos resultados experimentais e numéricos disponíveis na literatura. O programa se mostrou capaz de simular o comportamento em cabos de construção complexa. Carregamentos compostos pela combinação de tração, com torção e flexão e ainda o efeito da passagem do cabo por roldanas e tambores de enrolamento em guindastes foram testados. As tensões e deformações obtidas nas mais diversas geometria de cabos com ou sem núcleo interno mostraram excelente concordância em todas as comparações feitas. / [en] The theorical analysis of wine rope is rather complex. Over the years, may types of wine rope have been tested experimentally for various applications. In the early 1970, Costello developed a theorical model to predict the contact stress in the individual wires of a strand. This model led to a series of papers on the solution of their equations of equilibrium. These equations are highly nonlinear and must be solved numerically on the computer. Approximate linear equations have been derived by Velinsky et al (1994), and generealized for any kind of wire rope by others. This work shows the development and results of a computer program that has been developed to analyze complex cables. The analysis of a rope begins with a study of the deformation of a helical wire in a strand. By the deformation of all wires in a given strand, one determines the response of that strand. Again by the deformation of all strands in the rope, one determines the response of a rope. The program developed treats in a realistic manner the deformation and stress of ropes having or not internal-wire-ropes cores. The algorithms is built around the original nonlinear equation of Philips and Costello (1993). Numerical results is presented and compared with the experiments reports in the literature. The program is capable of simulating bahavior in various situations and complex constructions for rope loaded in tension with twisting and bending over a sheave or drum. The stress and strain of diferents wire ropes habving an internal-wire-rope core (IWRC) are obtained eficiently in all experiments. The results show that the presented implementation produce minimum variation between the theory or the expected results. Results may be extended to include other consideration of rope behavior as contact stress and friction effect.

[pt] Sistemas de aquisição e visualização de dados multicanais vêm se impondo como a tendência nas aplicações que demandam a medição e análise de resultados de testes. Neste trabalho foi desenvolvido um sistema extensométrico automatizado, o qual através de testes reais no ambiente da engenharia mecânica pôde ser analisado em termos de performance, vantagens e desvantagens quando aplicado em três diferentes técnicas extensometricas (i) a tradicional, baseada na ponte de Wheatstone, (ii) a medição direta de resistência (ligação em 4 fios), e (iii) a medição de tensões residuais pelo método do furo cego. O sistema desenvolvido gerencia qualquer tarefa extensometrica, o qual através de telas com interface amigável, possibilita medições com relativa simplicidade e bastante eficiência. / [en] Multi-channel data acquisition and visualization systems have been the main option in applications that demand measuring and analyzing test results. In the present work, an extensometry-orientated automated system has been developed, and this system was tested througth real tests on the mechanical engineering environment and analyzed in terms of performance, advantages and disadvantages when applied in three different extensometric techniques (i) the traditional, with Wheatstone Bridge, (ii) Resistance Direct Measuring (4 wires connection), and (iii) Residual Stresses Measuring by the Blind Hotel Method. The developed system manages any extensometric task, and by using friendly interface screens, measuring can be accomplished with some simplicity and very musch efficiency.

[pt] O modelo de duas equações K-E, largamente empregado na análise de escoamentos turbulentos, não é capaz de adequedamente modelar problemas que envolvam escoamentos secundários e com rotação em dutos, descolamento de camada-limite e outras situações em que a anisotropia inerente ao escoamento turbulento necessite ser levada em conta. Modelos mais complexos, que consideram esta anisotropia - os chamados modelos de tensões de Reynolds - são utilizados no intuito de produzir resultados numéricos mais próximos daqueles obtidos experimentalmente. O problema geometricamente simples, o escoamento turbulento hidrodinamicamente desenvolvido em um duto de seção quadrática, no qual a ocorrência de escoamentos secundários foi constatada experimentalmente e documentada por diversos autores, foi modelado e resolvido através do Método dos Volumes Finitos. Inicialmente, o modelo k-e foi emplementado, mostrando-se incapaz de prever, devido a sua natureza isotrópica, o escoamento secundário numa seção transversal de duto. Em seguida, o modelo de tensões de Reynolds foi implementado. A validação deste modelo é obtida comparando-se os resultados numéricos obtidos a resultados experimentais e numéricos encontrados bibliografia. / [en] The two-equation k-e model, widely employed in the analysis of turbulent flows, is not capable of adequately modelling problems involving secondary and swirling flows in ducts, boudary-layer detachment and other situations in which the inherent anisotropy of turbulent flows must be taken into account. More complex models, that take this anisotropy into account - the so-called Reynolds-stress models - are employed with the purpose of producing numerical results closer to those obtained experimentally. A geometrically simple problem, the turbulent flow in a duct with a square cross-section, in which the presence of secondary flows was observed experimentally and documentd by several authors, was modelletd and resolved using the Finite Volume Method. Initially, the k-e model was implemtend, being proven not capable of predicting, due to its isotropic nature, the secondary flows in a duct cross-section. The Reynolds-stress model was then implemented. The validation of this model is obtained through comparison of the numerical resuls to experimental and numerical results found in the bibliography.

[pt] O conhecimento da concentração de tensões provocada pelas bordas de corpos que interagem e do efeito das rugosidades sobre as tensões de contato é de grande importância para o projeto de elementos de máquinas que tenham no contato a sua principal causa de falhas. Estas ocorrem normalmente por fadiga superficial (tais como em rolamentos e engrenagens) e também em aplicações onde estão envolvidos atrito, desgaste superficial e contato elétrico. Neste trabalho, procurou-se estudar a influência da rugosidade nestas distribuições de tensões. O método da fotoelasticidade foi utilizado para análise dos campos de tensões provocados pelo contato de corpos rugosos. As situações envolvendo o contato de superfícies cilíndricas rugosas com o plano liso foram preferidas em virtude das facilidades apresentadas para confecção dos modelos. Primeiramente, realizou-se um estudo de similitude para definir os termos adimensionais considerando as variáveis físicas relevantes às tensões de contato. Posteriormente, comprovou-se que estes termos são adequados através de ensaios fotoelásticos. Nestes ensaios foram variadas as dimensões dos corpos de prova, sua rugosidade e materiais. Foram utilizados diversos materiais, tais como vidro, resinas epoxi e poliester e acrílico. Também foram realizados testes onde materiais metálicos foram submetidos à contato com materiais birrefringentes. Os resultados experimentais fotoelásticos mostraram que a rugosidade superficial provoca grandes reduções sobre a tensão cisalhante máxima e sobre a pressão de contato. Constatou-se que a rugosidade provoca um aumento de largura de contato entre cilindros, aumentando desta forma a área de contato. Os resultados foram apresentados segundo gráficos que oferecem ao projeto de componentes cilíndricos, meios para que se possa conhecer a influência da rugosidade nas tensões de contato e determinar os limites para os quais a teoria de Hertz pode ser aplicada a estas situações, sem implicar em resultados demasiadamente conservativos. Finalmente, os experimentos fotoelásticos com cilindros também forneceram uma comprovação experimental para a teoria de Lo sobre o contato de cilindros rugosos. / [en] The knowlegeof the stress concentration generated by the edge of contacting bodies and the effect of roughness on the contact stresses are of great importance to the design of machine elements which have in the contact stresses their principal sources of failures. These failures usually occur due to surface fatigue (as in bearings and gears) and in applications where friction, wear and eletric contact are present. In this thesis the influence of roughness on the contact stress distribution is studied. The method of 2D photoelasticity is employed to analyse stress distributions fields generated by the contact of rough surfaces of cylindrical bodies. At first, a similitude study was carried out to define the dimensionless parameters which would be important for the problem of contact stresses. It was shown that these parameters were adequate by means of photoelastic experiments, where the dimensions of the models, their roughness and the materials were varied. Different materials were utilized, such as glass, epoxy, polyester resins and flexiglass. Experiments were carried out with contacting cylinders of metals (steel and aluminum) and birrefringent materials. The photoelastic experimental results showed that surface roughness causes great reduction on the maximum shear stress and on the maximum contact pressure. It was verified that roughness causes an increase in the width of contact of cylinders and also an increase in the contact area. The results are furnished in plots that help the design of cylindrical components by presenting the influence of roughness on the contact stresses and the limits for the application of Hertz theory. Finally, the photoelastic experiments gave an experimental validation to the theory of Lo for the contact of rough cylinders.

[pt] Tubos de aço de grande diâmetro, baixa espessura e alta resistência mecânica, possuem tendência à formação de rugas no lado compressivo do curvamento (intrados) ao serem curvados a frio. A presente dissertação descreve os principais códigos de projeto nacionais e internacionais, quanto à presença de rugas provenientes desse tipo de curvamento em dutos, e propõe um ângulo para o qual há a formação do enrugamento. Os códigos internacionais mostram-se conservadores quanto à presença de rugas nos tubos curvados, uma vez que o enrugamento é uma mudança geométrica que, a princípio, gera concentração de tensões e susceptibilidade à ocorrência de falhas por fadiga. Esta dissertação faz uso do método de elementos finitos para modelar a formação do enrugamento e determinar fatores de concentração de tensões, nestas regiões, para carregamentos de pressão interna. Os fatores encontrados são comparados com resultados encontrados na literatura e utilizados no cálculo contra a fadiga por meio de diferentes métodos: Markl, inclinações universais de Manson e ASME seção VIII divisão 2. Neste estudo foram utilizados tubos de aço estrutural API X70 com razão diâmetro espessura (D/t) variando de 20 a 100, modelados por meio do software Abaqus(r). Foram obtidas curvas com ângulo de 4°/diâmetro e enrugamentos severos, com razão entre a altura da ruga e o diâmetro do tubo (d/D) da ordem de 6,5% e fator de concentração de tensão chegando a 1,89. Os modelos de tubo enrugado não apresentaram falha na resistência mecânica à pressão interna aplicada, quando esta é suficiente para obtenção de tensão circunferencial nominal equivalente a 100% do limite de escoamento do material. Os resultados de vida em fadiga para os diferentes métodos aplicados variam de acordo com o método utilizado, mas todos apresentam redução na vida do tubo com presença de enrugamento severo. O estudo propõe que se utilize para o cálculo da vida em fadiga um procedimento conservador que associa o fator de concentração de tensão determinado por Rosenfeld com o método de cálculo contra a fadiga recomendado pelo código ASME VIII. O estudo sugere ainda, que sejam realizadas novas análises de forma a considerar o efeito Bauschinger e a instabilidade à flexão do modelo não avaliados no presente trabalho. / [en] Large diameter, thin walled, high mechanical resistance steel pipe has a tendency to wrinkle on the compressive side (the intrados) of the bend when it is cold bent. This dissertation describes the principal national and international design codes that apply to wrinkling resulting from pipe cold bending, and it proposes an angle at which such wrinkling occurs. The international codes prove to be conservative regarding wrinkling in bent pipe, since a wrinkle is a geometric change, which at first causes a stress concentration and susceptibility to fatigue failure. The dissertation uses the finite element method to model the formation of wrinkling and to determine stress concentration factors in these areas for internal pressure loading. The resulting factors are compared with the results found in the literature and are utilized in calculating fatigue life by means of the following methods: Mark1, Mansons universal inclinations and ASME Section VIII Division 2. In this study API X70 structural pipe with a diameter thickness (D/t) ratio varying from 20 to 100 was utilized, and modeled using Abaqus(r) software. Bends with an angle of 4°/diameter and severe wrinkling resulted, with a ratio between the peak of the wrinkle and the diameter of the pipe (d/D) of about 6.5% and a stress concentration factor nearing 1.89. The wrinkled pipe models did not reveal any lack of mechanical resistance to the applied internal pressure when it is sufficient for obtaining a nominal circumferential stress equivalent to 100% of the yielding limit of the material. The fatigue life results for the different methods varied according to the method that was utilized, but all displayed a reduction in pipe life if there was severe wrinkling. The study proposes a conservative procedure to be utilized for calculating fatigue life. This procedure associates the stress concentration factor determined by Rosenfeld with the method for calculating fatigue recommended by the ASME VIII code. Furthermore, the study suggests that new analyses may be performed in order to consider the Bauschinger effect and the model bend instability, which the study did not evaluated.

[pt] Este trabalho apresenta os resultados da aplicação de análises probabilísticas na avaliação da estabilidade de taludes, com base no caso da ruptura de uma barragem de rejeito que rompeu em janeiro de 2019. Realizou-se uma análise estatística dos parâmetros geotécnicos dos materiais presentes na obra, enfatizando a variabilidade inerente dos dados. Nas análises probabilísticas, foi adotado os métodos FOSM. São apresentados os conceitos básicos de confiabilidade e probabilidade de ruptura e as hipóteses e etapas de cálculo consideradas em cada método. Discutem-se brevemente os diferentes métodos de equilíbrio limite utilizados para superfícies circulares de ruptura. Dois cenários foram estudados em relação aos procedimentos adotados: análises em tensões totais, com a resistência da argila mole obtida por ensaios de campo e laboratório; análises em tensões efetivas, com o ângulo de atrito da argila oriundo de ensaios triaxiais e obtidos por ensaios de campo e laboratório. Observou-se que para os dois cenários os valores de probabilidades de ruptura foram, respectivamente da ordem de: 1/3,5 e 1/312,5. / [en] This work aims the results of the application of probabilistic analyzes in the evaluation of slope stability, based on the case of the rupture of a tailings dam that colapse in January 2019. A statistical analysis of the geotechnical characteristics of the materials present in the work was carried out, emphasizing the inherent variability of the data. In the probabilistic analyzes, the FOSM method was adopted. The basic concepts of reliability and probability of rupture and the hypotheses and calculation steps considered in each method are presented. The different limit equilibrium methods used for circular rupture surfaces are briefly discussed. Two scenarios were studied in relation to the adopted procedures: total stress analysis, with the resistance of soft clay obtained by field and laboratory tests; effective stress analysis with the angle of friction of the clay from field and laboratory tests. It was observed that for the two scenarios the values of probability of rupture were, respectively, in the order of 1/3,5 e 1/312,5.

[pt] A soldagem é o principal processo de união de componentes estruturais, sendo aplicado em larga escala na indústria. No entanto os ciclos térmicos existentes na soldagem geram nos componentes tensões e deformações residuais, que agem como solicitações pré-existentes, podendo ocasionar a falha prematura dos mesmos. As metodologias existentes para previsão das tensões residuais apenas quantificam conservadoramente esses esforços em um número limitado de geometrias. Nesse trabalho foi desenvolvida uma metodologia numérica usando o método de elementos finitos para a simulação da soldagem de componentes, com foco nas tensões, deformações e distorções causadas durante o processo. Os modelos estudados trataram da união de elementos planos, como chapas e painéis, da fabricação de elementos tubulares, como de dutos e de sua montagem em campo, e da união por soldagem das partes de um vaso de pressão. Foi estudada a influência de diversos parâmetros no comportamento da estrutura como: número de passes, velocidade de soldagem, comportamento do material, e influência do tratamento mecânico de alívio de tensões por meio da simulação de testes hidrostáticos aplicados aos componentes tubulares e ao vaso de pressão. No caso das placas unidas pela soldagem e dos tubos fabricados por este processo, a validade dos resultados obtidos foi feita por meio de medições experimentais realizadas com as técnicas de furo cego, corte elíptico e difração de raios X. Verificou-se uma boa concordância entre os resultados numéricos e experimentais, onde foi possível a obtenção de resultados experimentais para comparação. As simulações apontaram nos espécimes altos valores de tensões residuais, por vezes da ordem do limite de escoamento do material, sendo observada tração na região do cordão de solda e compressão em sua adjacência. Esse resultado é esperado uma vez que no cordão de solda são localizados os maiores gradientes de temperatura e as maiores restrições à expansão volumétrica. As simulações mostraram que a aplicação de um teste hidrostático tem como efeito benéfico para o componente a redistribuição das tensões residuais, com consequente diminuição das tensões residuais trativas nos cordões de solda. O grau do alívio das tensões é influenciado pelo valor da pressão de teste; sendo que, em geral, verificou-se que tanto maior a pressão de teste, tanto maior a redistribuição de tensões. / [en] Welding is the main process to join structural components, being applied on a large scale and helping to increase productivity. However, the weld thermal cycles generate residual stresses and deformation, which act as pre-existing loads, and may cause premature failure. Existing methods only conservatively quantify these efforts on a limited number of geometries. In this work a numerical methodology was developed using the finite element method to simulate welding components, focusing on the stress, strains and distortions caused by process. The models studied dealt with the joining of elements such as plates and panels, the manufacturing of tubular elements such as pipelines and their assembly in the field, and the union by welding of parts of a pressure vessel.To understand the behavior of the structure the influence of various parameters were studied such as: number of weld beads, welding speed, material behavior, and the influence of a stress relief mechanical treatment through the simulation of hydrostatic tests applied to the tubular components and to the pressure vessel. In the two cases of the plates joined by welding and the pipes manufactured by this process, the validation of the results was performed by experimental measurements conducted using the blind hole, elliptical cut and X-ray diffraction techniques. Good agreement between the numerical and experimental results were verified, when was possible the knowledge of experimental results for comparison. The simulations indicated values of residual stress, sometimes in the order of the yield strength of the material, being observed traction in the weld bead and compression in its vicinity. This result is expected since that in the weld bead are located the largest temperature gradients and major restrictions on volume expansion. The simulations showed that the application of a hydrostatic test induces a beneficial effect to the component redistribution of residual stress, with consequent reduction of the tensile residual stresses in the weld beads. The degree of relief of tensile stress is influenced by the test pressure value; and, in general, it was found that the greater the test pressure, the greater the stress redistribution.