O uso de aços de alta resistência mecânica vem crescendo significativamente, principalmente em situações onde é necessário um material com grande limite elástico para a conformação a frio e boa soldabilidade. Nessas aplicações, a elevada resistência reduz o peso e/ou aumenta a carga que pode ser suportada pelas estruturas produzidas. A introdução dos aços fabricados por processamento termomecânico controlado (TMCP) demandou maiores propriedades mecânicas e metalúrgicas das juntas soldadas sobre eles produzidas. Em função desses fatores, a energia de soldagem é estritamente limitada, e para evitar uma eventual redução da resistência mecânica da zona afetada pelo calor (ZAC), é necessário testar os procedimentos de soldagem próximos daqueles que serão usados na estrutura real. O objetivo deste estudo é obter dados detalhados referentes à eficiência mecânica de juntas soldadas por MAG e com diferentes energias, sobre perfis tubulares quadrados em aço TMCP, formando um conjunto soldado coluna/viga. Seis energias de soldagem e dois metais de adição foram utilizados (AWS ER80S-G e AWS ER120S-G), o primeiro somente com as soldas posicionadas em todo o contorno do perfil, e o segundo com soldas em todo o contorno, transversais e longitudinais em relação à direção de aplicação da carga. Vinte e quatro estruturas foram soldadas, instrumentadas e submetidas à flexão. Comparando as juntas soldadas com mesma energia, observou-se maior resistência à flexão nas soldas longitudinais e em todo contorno, e valores inferiores para soldas transversais. Além disso, pôde ser constatado que 1,2 kJ/mm de energia de soldagem deu os melhores resultados para as juntas soldadas com ambos os consumíveis, uma vez que até esse valor a área da seção resistente das juntas soldadas aumentou significativamente. O uso de energias mais elevadas não foi eficaz para aumentar a resistência à flexão das juntas soldadas ora investigadas, pois o efeito da energia de soldagem sobre a redução da dureza e, consequentemente, resistência mecânica da ZAC, aparentemente se sobrepõe ao aumento da área da seção resistente da junta soldada. / The use of high strength steels is growing significantly, especially in situations where it is necessary a material with high strength for cold forming and good weldability. In these applications, the high strength decreases the weight and/or increases the load that can be supported by the structures produced. The introduction of steels made by thermomechanical controlled processing (TMCP) demanded higher mechanical and metallurgical properties of the welded joints produced on them. Given these factors, the heat input is strictly limited, and to avoid any reduction in the mechanical strength of the heat affected zone (HAZ), it is required to test welding procedures close to those that will be used in the actual structure. The aim of this study is to obtain detailed data on the mechanical efficiency of welded joints with GMAW and different heat inputs, on square tubular profiles in TMCP steel, disposed as a column/beam weldment. Six different heat inputs and two filler metals were used (AWS ER80S-G and AWS ER120S-G), the first one with the welds located around the profile contour, and the second one with welds all around the profile, transverse and longitudinal to the axis of the weld bead. Twenty-four welded structures were instrumented and subjected to bending. Comparing the welded joints with the same heat input, it can be noticed that higher bending strength is obtained from all-around contour and longitudinal welds, and lower values for the transverse welds. Moreover, it could be seen of 1.2 kJ/mm heat input gave optimum results to the welded joints with both consumables, since up to this value the area of the resistant section of welded joints increased significantly. The use of higher heat inputs was not effective to increase the bending strength of the welded joints herein investigated, since the effect of heat input on the reduction of the hardness and, consequently, mechanical strength of the HAZ, apparently overrides the increase in the area of the resistant section of the welded joint.

Este trabalho apresenta o desenvolvimento de um microtribômetro linear, do tipo esfera sobre chapa, capaz de analisar o comportamento tribológico de materiais em linhas até 5 mm de comprimento, frequências de até 2 Hz e cargas até 10 N, com ou sem meio úmido, características que o tornam uma ótima ferramenta para observar o comportamento tribológico, ou a resistência ao desgaste de diferentes zonas de uma junta soldada. Durante o projeto do microtribômetro, houve a preocupação de desenvolver um equipamento seguro, fácil de operar e robusto, visando a utilização do mesmo por alunos de graduação e pós-graduação, e na indústria. O trabalho de desenvolvimento compreendeu todas as tecnologias usadas, ou seja, placa de leitura da célula de carga, célula de carga, aparato mecânico responsável pelo movimento da amostra e xação da mesma, braço de suporte do conjunto célula de carga e esfera, carenagem protetora, sistema de segurança e placa de comando. Ensaios foram feitos para a validação do equipamento e demonstrar a capacidade de analisar o comportamento tribológico das diversas zonas de uma junta soldada. / This work presents the development of a linear micro tribometer, sphere over sheet type, capable of analyzing the tribological behavior of materials in lines up to 5 mm in lengh, frenquencies up to 2 Hz and loads up to 10 N, with or without moist enviroment, characteristics that makes it a great tool to observ the diferents regions of a welded joints. During the project there was the concern of developing a secure, easy to operate and robust, aiming it's use by students of gradution, postgraduation and by industry. The development work comprised all the technologies used, reading board of load cell, load cell, mechanical device responsible for moviment and xation of the sample, support arm of the set load cell and sphere, protective cowling, sefety system and board control. Tests have been done to validate the equipment and demonstrate the capacity of analyzing the tribological behavior of the various regions of a welded joint.

Um modelo de elementos finitos de casca capaz de representar estruturas soldadas, sem adicionar erros significativos em termos da rigidez estrutural, poderia ser amplamente empregado em problemas dinâmicos em que o método da tensão estrutural (hot spot) é aplicado para análises de vida em fadiga. O âmbito deste trabalho é formular uma técnica de modelagem capaz de fazê-lo. Para alcançar esse objetivo, uma otimização paramétrica para a representação de estruturas soldadas através de elementos de casca foi realizada. As variáveis de projeto propostas na formulação empregada foram definidas como o comprimento do tamanho de perna e a espessura do elemento de casca representando o filete de solda. O foco da otimização foi encontrar uma faixa de espessura/tamanho de perna que não modificasse significativamente as primeiras frequências naturais e conseguisse entregar resultados similares aos obtidos por um modelo sólido. Programação linear sequencial foi empregada na otimização. A estrutura analisada foi do tipo T, com seção constante e espessura e profundidade diversas, sob diferentes modos de carregamento. Uma vez que os parâmetros ótimos foram encontrados, duas diferentes metodologias de modelagem foram propostas e comparadas com outras três bem estabelecidas e apresentadas em normas e na literatura. Os resultados foram comparados quanto às primeiras frequências naturais, massa total, tensão estrutural e vida em fadiga. / A finite element shell model capable of representing a welded structure without any significantly error on its stiffness could be widely applied to dynamic problems in which the structural stress method (hot-spot approach) is employed for fatigue analysis. The scope of the present work is to formulate a modeling technique capable of doing so. In order to accomplish it, a parametric optimization for simulating welded structures using shell elements is made, the design variables in the proposed formulation are defined as the weld leg length and thickness of the shell element representing the weld fillet. The main goal of the optimization was to find a range of thickness/leg length which would not change significantly the first natural frequencies, and still deliver results similar to the ones obtained by a solid model. Sequential linear programming optimizations are performed in a T-shaped structure under different loading scenarios, with constant section and different plate thicknesses and depths. Once the optimal parameters are found, two different modeling techniques are presented and compared with three well established methodologies presented in standards and the literature. The differences in the results are compared for first natural frequencies, total mass, hot spot stress and fatigue life.

Submitted by Claudinei Pracidelli (cpracide@ipen.br) on 2015-08-07T14:08:44Z No. of bitstreams: 0 / Made available in DSpace on 2015-08-07T14:08:44Z (GMT). No. of bitstreams: 0 / Dissertação (Mestrado em Tecnologia Nuclear) / IPEN/D / Instituto de Pesquisas Energeticas e Nucleares - IPEN-CNEN/SP

Este trabalho apresenta o desenvolvimento de um microtribômetro linear, do tipo esfera sobre chapa, capaz de analisar o comportamento tribológico de materiais em linhas até 5 mm de comprimento, frequências de até 2 Hz e cargas até 10 N, com ou sem meio úmido, características que o tornam uma ótima ferramenta para observar o comportamento tribológico, ou a resistência ao desgaste de diferentes zonas de uma junta soldada. Durante o projeto do microtribômetro, houve a preocupação de desenvolver um equipamento seguro, fácil de operar e robusto, visando a utilização do mesmo por alunos de graduação e pós-graduação, e na indústria. O trabalho de desenvolvimento compreendeu todas as tecnologias usadas, ou seja, placa de leitura da célula de carga, célula de carga, aparato mecânico responsável pelo movimento da amostra e xação da mesma, braço de suporte do conjunto célula de carga e esfera, carenagem protetora, sistema de segurança e placa de comando. Ensaios foram feitos para a validação do equipamento e demonstrar a capacidade de analisar o comportamento tribológico das diversas zonas de uma junta soldada. / This work presents the development of a linear micro tribometer, sphere over sheet type, capable of analyzing the tribological behavior of materials in lines up to 5 mm in lengh, frenquencies up to 2 Hz and loads up to 10 N, with or without moist enviroment, characteristics that makes it a great tool to observ the diferents regions of a welded joints. During the project there was the concern of developing a secure, easy to operate and robust, aiming it's use by students of gradution, postgraduation and by industry. The development work comprised all the technologies used, reading board of load cell, load cell, mechanical device responsible for moviment and xation of the sample, support arm of the set load cell and sphere, protective cowling, sefety system and board control. Tests have been done to validate the equipment and demonstrate the capacity of analyzing the tribological behavior of the various regions of a welded joint.

O uso de aços de alta resistência mecânica vem crescendo significativamente, principalmente em situações onde é necessário um material com grande limite elástico para a conformação a frio e boa soldabilidade. Nessas aplicações, a elevada resistência reduz o peso e/ou aumenta a carga que pode ser suportada pelas estruturas produzidas. A introdução dos aços fabricados por processamento termomecânico controlado (TMCP) demandou maiores propriedades mecânicas e metalúrgicas das juntas soldadas sobre eles produzidas. Em função desses fatores, a energia de soldagem é estritamente limitada, e para evitar uma eventual redução da resistência mecânica da zona afetada pelo calor (ZAC), é necessário testar os procedimentos de soldagem próximos daqueles que serão usados na estrutura real. O objetivo deste estudo é obter dados detalhados referentes à eficiência mecânica de juntas soldadas por MAG e com diferentes energias, sobre perfis tubulares quadrados em aço TMCP, formando um conjunto soldado coluna/viga. Seis energias de soldagem e dois metais de adição foram utilizados (AWS ER80S-G e AWS ER120S-G), o primeiro somente com as soldas posicionadas em todo o contorno do perfil, e o segundo com soldas em todo o contorno, transversais e longitudinais em relação à direção de aplicação da carga. Vinte e quatro estruturas foram soldadas, instrumentadas e submetidas à flexão. Comparando as juntas soldadas com mesma energia, observou-se maior resistência à flexão nas soldas longitudinais e em todo contorno, e valores inferiores para soldas transversais. Além disso, pôde ser constatado que 1,2 kJ/mm de energia de soldagem deu os melhores resultados para as juntas soldadas com ambos os consumíveis, uma vez que até esse valor a área da seção resistente das juntas soldadas aumentou significativamente. O uso de energias mais elevadas não foi eficaz para aumentar a resistência à flexão das juntas soldadas ora investigadas, pois o efeito da energia de soldagem sobre a redução da dureza e, consequentemente, resistência mecânica da ZAC, aparentemente se sobrepõe ao aumento da área da seção resistente da junta soldada. / The use of high strength steels is growing significantly, especially in situations where it is necessary a material with high strength for cold forming and good weldability. In these applications, the high strength decreases the weight and/or increases the load that can be supported by the structures produced. The introduction of steels made by thermomechanical controlled processing (TMCP) demanded higher mechanical and metallurgical properties of the welded joints produced on them. Given these factors, the heat input is strictly limited, and to avoid any reduction in the mechanical strength of the heat affected zone (HAZ), it is required to test welding procedures close to those that will be used in the actual structure. The aim of this study is to obtain detailed data on the mechanical efficiency of welded joints with GMAW and different heat inputs, on square tubular profiles in TMCP steel, disposed as a column/beam weldment. Six different heat inputs and two filler metals were used (AWS ER80S-G and AWS ER120S-G), the first one with the welds located around the profile contour, and the second one with welds all around the profile, transverse and longitudinal to the axis of the weld bead. Twenty-four welded structures were instrumented and subjected to bending. Comparing the welded joints with the same heat input, it can be noticed that higher bending strength is obtained from all-around contour and longitudinal welds, and lower values for the transverse welds. Moreover, it could be seen of 1.2 kJ/mm heat input gave optimum results to the welded joints with both consumables, since up to this value the area of the resistant section of welded joints increased significantly. The use of higher heat inputs was not effective to increase the bending strength of the welded joints herein investigated, since the effect of heat input on the reduction of the hardness and, consequently, mechanical strength of the HAZ, apparently overrides the increase in the area of the resistant section of the welded joint.

Um modelo de elementos finitos de casca capaz de representar estruturas soldadas, sem adicionar erros significativos em termos da rigidez estrutural, poderia ser amplamente empregado em problemas dinâmicos em que o método da tensão estrutural (hot spot) é aplicado para análises de vida em fadiga. O âmbito deste trabalho é formular uma técnica de modelagem capaz de fazê-lo. Para alcançar esse objetivo, uma otimização paramétrica para a representação de estruturas soldadas através de elementos de casca foi realizada. As variáveis de projeto propostas na formulação empregada foram definidas como o comprimento do tamanho de perna e a espessura do elemento de casca representando o filete de solda. O foco da otimização foi encontrar uma faixa de espessura/tamanho de perna que não modificasse significativamente as primeiras frequências naturais e conseguisse entregar resultados similares aos obtidos por um modelo sólido. Programação linear sequencial foi empregada na otimização. A estrutura analisada foi do tipo T, com seção constante e espessura e profundidade diversas, sob diferentes modos de carregamento. Uma vez que os parâmetros ótimos foram encontrados, duas diferentes metodologias de modelagem foram propostas e comparadas com outras três bem estabelecidas e apresentadas em normas e na literatura. Os resultados foram comparados quanto às primeiras frequências naturais, massa total, tensão estrutural e vida em fadiga. / A finite element shell model capable of representing a welded structure without any significantly error on its stiffness could be widely applied to dynamic problems in which the structural stress method (hot-spot approach) is employed for fatigue analysis. The scope of the present work is to formulate a modeling technique capable of doing so. In order to accomplish it, a parametric optimization for simulating welded structures using shell elements is made, the design variables in the proposed formulation are defined as the weld leg length and thickness of the shell element representing the weld fillet. The main goal of the optimization was to find a range of thickness/leg length which would not change significantly the first natural frequencies, and still deliver results similar to the ones obtained by a solid model. Sequential linear programming optimizations are performed in a T-shaped structure under different loading scenarios, with constant section and different plate thicknesses and depths. Once the optimal parameters are found, two different modeling techniques are presented and compared with three well established methodologies presented in standards and the literature. The differences in the results are compared for first natural frequencies, total mass, hot spot stress and fatigue life.

O propósito deste trabalho é estudar as forças de corte envolvidas no processo de fresamento de bordas de chapas utilizadas para a fabricação de tubos de aço com costura e como estas variam em função dos parâmetros de corte utilizados. O objetivo é correlacionar estas forças à qualidade do acabamento superficial das bordas usinadas, uma vez que esta é fundamental para a qualidade final da solda do tubo. Para isso, foi construído um dinamômetro de mesa para medição das forças, e os dados foram analisados através do Método da Regressão Linear Múltipla. Os resultados obtidos demonstraram que, tanto para a força de corte quanto para a rugosidade da superfície usinada, o parâmetro que mais influencia é o avanço por dente, seguido pela largura de corte, sendo que o que menos influencia é a velocidade de avanço. Estes resultados foram comprovados com êxito no processo industrial foco deste estudo através da medição da corrente elétrica dos motores dos eixos-árvore e da vibração dos mesmos. / This work aims to study the cutting forces involved in the edge milling process for welded pipes manufacturing and how these forces vary due to the cutting parameters. The objective is to create a relationship between these forces and the surface roughness of the machined edges, once it\'s fundamental to the pipe weld quality. To do this, it was designed and manufactured a dynamometer, and the data was analyzed statistically by the Linear Multiple Regression Method. The results show that for the cutting forces as well as the surface roughness, the most significant parameter is the feed per tooth, followed by the cutting width and the feed speed. These results were successfully proven on the industrial process that is the focus of this study, through the spindle motors electric current and its vibration.

Esta tese investiga o efeito do fechamento de trinca sobre as previsões da vida à fadiga em materiais homogêneos e juntas soldadas. É apresentada uma metodologia para a simulação numérica do fenômeno de fechamento de trinca induzido por plasticidade utilizando o método dos elementos finitos. Ensaios laboratoriais de propagação de trinca por fadiga do aço ASTM A516 Gr. 70 à temperatura ambiente foram realizados usando corpos de prova típicos da mecânica da fratura nas condições soldada e homogênea. Estes resultados foram usados para validar a metodologia numérica do cálculo da carga de abertura de trinca. Comparações entre a vida de propagação experimental e as estimativas obtidas por meio da integração da lei de propagação, incluindo o efeito do fechamento de trinca, foram feitas usando vários critérios para o cálculo da carga de abertura. As análises numéricas permitem estimar a carga de abertura de trinca analisando a evolução do campo de tensões, deformações e deslocamentos na região próxima à trinca, que está influenciada pelo contato das faces da trinca. Menores níveis de proteção da trinca devido ao fechamento foram obtidos para o corpo com heterogeneidade mecânica quando comparado ao corpo homogêneo na modelagem numérica. Durante o ensaio de propagação o corpo homogêneo apresentou taxas de propagação de trinca relativamente menores quando comparadas ao espécime soldado. A não inclusão do efeito do fechamento de trinca resulta em previsões da vida à fadiga conservadoras em aproximadamente 20% para todos os casos estudados neste trabalho. Análises tridimensionais do fenômeno de fechamento de trinca revelam que o crescimento da trinca por fadiga no estagio II parece estar controlado pelo retardo que acontece na superfície do corpo de prova. Incluído o efeito do fechamento de trinca nas previsões, as estimativas da vida à fadiga foram bastante próximas das obtidas experimentalmente, com diferenças conservadoras entre 1% e 15% dependendo do método de cálculo da carga de abertura. Os resultados apresentados mostram que vidas à fadiga mais acuradas e, ainda, conservadoras são feitas incluindo o efeito do fechamento de trinca na metodologia de cálculo da vida remanescente de componentes estruturais. / This thesis investigates the effect of crack closure on fatigue life predictions in homogeneous material and welded joints. It presents a methodology for numerical simulation of the phenomenon of plasticity-induced crack closure by using the finite element method. Experimental tests of fatigue crack propagation on ASTM A516 Gr 70 steel at room temperature were performed using typical specimens of fracture mechanics in two conditions: welded and homogeneous; these results were used to validate the numerical methodology for calculating the crack opening load. Comparisons between experimental propagation life and estimations obtained by numerical integration of propagation law, including the effect of crack closure, have been made using various criteria to calculate the opening load .The numerical analyses allow to predict the opening load by analyzing the evolution of stresses, deformations and displacements fields in the region near the crack which is growing and is influenced by the contact of the crack flanks. Lower levels of protection due to crack closure were obtained for the specimen with mechanical heterogeneity when compared to the homogeneous specimen in the numerical analyses. During the test of fatigue crack propagation the homogeneous specimen had smaller crack growth rates when compared to the welded specimen. Fatigue life predictions without including the effect of crack closure result in conservative estimations around 20% for all studied cases. Three-dimensional analysis of the phenomenon of crack closure shows that the fatigue crack growth in stage II appears to be controlled by the delay that occurs on the specimen surface. Including the effect of crack closure in life predictions, the estimates of fatigue life were quite close to those obtained experimentally, with conservative differences between 1% and 15% depending on the method of opening load calculation. The results show that the fatigue life predictions can be made more accurate and yet remain conservative when the effect of crack closure is included on the methodology for calculating the remaining life of structural components.

Este trabalho abordou o estudo de ligação viga de aço e pilar misto preenchido com concreto a partir da aplicação de modelos numérico para representar o comportamento de duas tipologias de ligação: uma ligação parafusada com aderência entre os parafusos passantes e o núcleo de concreto e uma ligação soldada, validadas com base em resultados experimentais existentes. Os resultados obtidos nessa etapa foram considerados satisfatórios, dentro da proposta de modelagem, apesar das simplificações adotadas. Após a validação do modelo numérico foi desenvolvido um estudo paramétrico dos modelos de ligação para entender a influência de alguns parâmetros no comportamento global da estrutura, que foram: resistência à compressão do concreto e espessura do perfil tubular e perfil da viga, com posterior discussão da relação momento-rotação das duas tipologias de ligação estudadas. A mudança do perfil da viga foi o parâmetro que mais influenciou no comportamento global da ligação parafusada; enquanto que, para a ligação soldada, as variações de todos os parâmetros influenciaram no comportamento da ligação, com destaque para a variação do perfil da viga. / This research studied connections typology between steel beams to column filled with concrete from the application of numerical models that reproduce the behavior of two connections: bolted beam-column connection and welded beam-column connection, which were calibrated using existing experimental results. At this stage, the results were considered satisfactory, within the proposed model, despite the adopted simplifications. After the calibration, a parametric study was developed with the aim of verifying the influence of some parameters on the overall behavior of the structure, such as the concrete compression strength, the thickness of the tube wall and the beam properties, with discussions of bending moment-rotation of the studied connections. The beam properties were the parameters that most influenced on the overall behavior of the bolted beam-column connection, while, for the welded connection, all parameters influenced on the overall behavior of the connection, specially the beam properties.