[pt] As previsões de falhas por fadiga tornam-se críticas sob condições multiaxiais de carregamento, uma vez que a complexidade do estado de tensões requer uma análise com base em modelos mais avançados do que aqueles adotados para carregamentos uniaxiais. Neste contexto, alguns critérios foram desenvolvidos para tentar prever a falha de componentes submetidos a carregamentos cíclicos multiaxiais. Um exemplo de componente mecânico sujeito a fadiga multiaxial quando em serviço são os eixos virabrequim de unidades geradoras de plantas termoelétricas. Usualmente projetados segundo o critério de Findley, falhas recentes de eixos virabrequim ocorridas no parque termoelétrico nacional, tem provocado o questionamento da eficiência de tal critério. Desta forma, o presente estudo teve como objetivo analisar a aplicabilidade de seis modelos (Papadopoulos, Findley, Matake, McDiarmid, Carpinteri e Spagnoli e Liu e Mahadevan) de fadiga multiaxial de alto ciclo, baseados no plano crítico, para prever a falha de eixos virabrequim de unidades geradoras. Para aplicação dos modelos, adotaram-se diferentes parâmetros de carregamento (tensão média e defasagem de aplicação das tensões normais e cisalhantes) e propriedades de material (resistência à fadiga), partindo de valores encontrados na literatura. Observou-se uma divergência entre os resultados de cada modelo estudado, sendo uns mais conservadores do que os outros, em função do carregamento e propriedades do material. Entretanto, o modelo de Papadopoulos, com base na facilidade de aplicação e sensibilidade de previsão da falha, mostrou-se mais adequado. / [en] The fatigue failure prediction becomes critical under multiaxial loading conditions, since the complexity of the stress state requires analysis based on models more advanced than those adopted for uniaxial loads. In this context, some criteria were developed in an attempt to predict the failure of components subjected to multiaxial cyclic loads. An example of mechanical component subject to multiaxial fatigue is the crankshaft of thermoelectric plants. It is usually projected according to the Findley criterion. However, recent failures of crankshafts occurring in the national thermoelectric park, put on doubt the efficiency of such criterion. In this way, the present study aimed to analyze the applicability of six models (Papadopoulos, Findley, Matake, McDiarmid, Carpinteri e Spagnoli and Liu e Mahadevan) of high cycle multiaxial fatigue, based on the critical plane, to predict failure on crankshaft of generating units. For the models application, different loading parameters (medium stress and out-of-phase stresses) and material properties (fatigue limit) were adopted, starting from values found in the literature. A divergence between the results of each model was observed, some of them were more conservative than the others, depending on the loading and material s properties. However, the Papadopoulos model, based on easy application and failure prediction sensitivity, proved to be more suitable than the others.

[pt] O presente trabalho se baseia na teoria dos defeitos equivalentes, também conhecida como teoria de Murakami, que permite a predição da vida-fadiga de materiais estruturais adotando o parâmetro (raiz quadrada de area), responsável por uma equivalência quantitativa entre heterogeneidades microestruturais (inclusões metalúrgicas) existentes na região de análise do material e descontinuidades mecânicas (furos) usinados nos corpos de prova. Neste contexto, a tese propõe novas equações, a partir da teoria de Murakami, para prever falhas por fadiga em carregamentos ultralongos (fadiga de altíssimo ciclo, VHCF) do aço DIN42CrMo4, de larga aplicação na fabricação de eixos virabrequins para unidades geradoras de usinas termoelétricas. Corpos de prova do aço DIN42CrMo4 foram usinados com furos de diâmetros variando entre 0,18 mm e 0,70 mm e ensaiados num regime de fadiga de altíssimo ciclo, variando o valor da amplitude de tensão do ensaio, para assim determinar em quais condições o material falha e obter a curva experimental S-N do aço DIN42CrMo4 na presença de diferentes tamanhos de defeitos (furos). Os resultados experimentais permitiram o desenvolvimento de equações em função do parâmetro e curvas de Wohler do material, em conformidade com diferentes descontinuidades mecânicas nos corpos de prova e resistências à fadiga do material. Consequentemente, se estabeleceu uma metodologia que permite uma correlação entre inclusões metalúrgicas, tensão aplicada e vida superlonga em fadiga de eixos virabrequins em serviço em usinas termoelétricas. / [en] The present work is based on the theory of equivalent defects, also known as Murakami s theory, which allows the prediction of the fatigue life of structural materials by adopting the parameter (square root of area), responsible for a quantitative equivalence between microstructural heterogeneities (metallurgical inclusions) existing in the region analysis of the material and mechanical discontinuities (holes) machined in the specimens. In this context, the thesis proposes new equations, based on Murakami s theory, to predict fatigue failures in ultralong loads (very high cycle fatigue, VHCF) of DIN42CrMo4 steel, widely used in the manufacture of crankshafts for generating units of thermoelectric power plants. DIN42CrMo4 steel specimens were machined with holes with diameters varying between 018 mm and 0.70 mm and tested in a very high cycle fatigue regime, varying the value of the test stress amplitude, to determine under what conditions the material failure and obtain the experimental S-N curve of DIN42CrMo4 steel in the presence of different sizes of defects (holes). The experimental results allowed the development of equations as a function of the parameter and Wohler curves of the material, in accordance with different mechanical discontinuities in the test specimens and resistance to fatigue of the material. Consequently, a methodology was established that allows a correlation between metallurgical inclusions, applied stress and super-long fatigue life of crankshafts in service in thermoelectric power plants.

[pt] Uma relação direta onde a vida em fadiga Número de ciclos por falha pode ser descrita como função das amplitudes macroscópicas de tensão normal e cisalhante, Amplitude de tensão normal macroscópica e Amplitude macroscópica da tensão de cisalhamento, é obtida. Utilizando o critério de Carpinteri e Spagnoli (CeS) como uma ferramenta de inspeção, foram obtidas curvas de nível elípticas sobre um domínio Amplitude de tensão normal macroscópica x Amplitude macroscópica da tensão de cisalhamento. A expressão das curvas de nível obtidas foi generalizada, proporcionando uma ferramenta capaz de prever o número de ciclos para falha associado a qualquer combinação (Amplitude de tensão normal macroscópica, Amplitude macroscópica da tensão de cisalhamento). As previsões obtidas através do método da curva elíptica foram comparadas às observações experimentais, bem como a previsões obtidas a partir de versões adaptadas de modelos consagrados na literatura, a saber: Findley (F), Matake (M), McDiarmid (McD), Susmel e Lazzarin (SeL), Carpinteri e Spagnoli (CeS) e Papadopoulos (P). O modelo proposto forneceu previsões em boa concordância com as observações experimentais, e sua capacidade de avaliar o comportamento em fadiga se revelou o melhor dentro todos os critérios considerados. Por fim, uma leve tendência conservadora do modelo foi atenuada através da introdução de um parâmetro de ajuste, melhorando ainda mais sua capacidade de avaliação de comportamento em fadiga. / [en] A direct relation where fatigue life Number of cycles to failure can be determined as function of macroscopic normal and shear stress amplitudes Macroscopic normal stress amplitude and Macroscopic shear stress amplitude is established. Using the Carpinteri and Spagnoli (CandS) criterion as a survey tool, elliptical level curves in the Macroscopic normal stress amplitude x Macroscopic shear stress amplitude domain were revealed and further generalised, providing means to determine the number of cycles to failure for any given (Macroscopic normal stress amplitude, Macroscopic shear stress amplitude ) combination. Predictions obtained through the elliptical curve method (E) were compared to experimental observations, as well as to predictions obtained from adapted versions of popular fatigue criteria, namely Findley (F), Matake (M), McDiarmid (McD), Susmel and Lazzarin (SandL), Carpinteri and Spagnoli (CandS) and Papadopoulos (P). The proposed model delivered predictions in fair agreement with experimental observations and its predictive capability was seen to be the best among all the considered criteria. Finally, a slight bias towards conservativeness was attenuated with the introduction of an adjusting parameter, further improving the predictive capability of the model.

[pt] No Brasil, a demanda de gás natural possui um comportamento estocástico devido ao consumo das usinas termelétricas, as quais operam em regime de complementariedade ao sistema hidrelétrico. O suprimento de gás natural para estas usinas depende em grande parte do fornecimento de Gás Natural Liquefeito (GNL) spot, importado através de navios metaneiros. Em função do tempo de trânsito dos navios, as compras de GNL devem ocorrer com antecedência em relação ao despacho hidrotérmico. Este descasamento de tempo incentiva a utilização de mecanismos de compatibilização da dinâmica do setor elétrico com a dinâmica da cadeia do gás natural. Uma possibilidade de aumentar a sinergia entre estes domínios é utilizar uma estocagem de gás natural para inserir flexibilidade no sistema. A viabilidade da estocagem dependerá do preço do gás e da demanda ao longo do horizonte de análise. O objetivo deste trabalho é a construção de um modelo de programação linear para dimensionar a capacidade de uma estocagem de gás natural sob incerteza de demanda e de preço de GNL. O modelo apresentado é um híbrido de otimização estocástica, construído para considerar a incerteza do consumo de gás, com otimização robusta, construído para levar em conta a incerteza relacionada aos preços do GNL. O modelo caracteriza o perfil de risco do supridor de gás natural pela utilização do Conditional Value-at-Risk (CVaR) e utiliza um critério de segurança que reproduz um processo de suprimento avesso a risco de déficit. Ao final do trabalho é apresentado um estudo de caso hipotético, utilizando dados públicos do setor elétrico e de gás natural, para avaliar a implantação da estocagem para 2.000 cenários de demanda e patamares distintos de robustez à variação do preço do GNL. / [en] In Brazil, natural gas demand has stochastic behavior since gas-fired power plants operate in conjunction with the hydroelectric system. Natural gas supply to these plants relies upon Liquefied Natural Gas (LNG), imported through cryogenic ships. LNG acquisitions must occur before the natural gas demand is known because of the time of displacement of the ships. This lack of synchronism stimulates the use of harmonizing mechanisms between the electric sector and the natural gas sector. In this context, natural gas storage could be used to introduce flexibility into the system and increase synergy between natural gas supply and demand dynamics. However, the economic performance of the storage will depend on actual gas prices and demand behavior during the period of analysis. This study aims to construct a linear programming model to determine the size of a natural gas storage under demand and LNG price uncertainty. The model is a hybrid of a stochastic optimization algorithm – developed to consider gas demand uncertainty – and a robust optimization algorithm – built to take into account LNG price uncertainty. A convex combination between Conditional Value-at-Risk (CVaR) and expected value is also used to indicate the supplier risk profile as well as a security criterion, introduced to represent a deficit-averse supply process. At the end, a hypothetic case is presented to evaluate the implementation of a natural gas storage. The case presented uses public data from the Brazilian electric and gas natural sectors and considers 2.000 demand scenarios and various levels of robustness to LNG price variation.