A new magnesium-air cell for long-life applications

A novel type of magnesium-air primary cell has been evolved which employs non-polluting and abundantly available materials. The cell is based on the scheme Mg/Mg(NO3)2, NaNO2, H20/Q(C). The magnesium anode utilization is about 90% at a current density of 20 mAcm -2. The anode has been shown to exhibit a low open-circuit corrosion, a relatively uniform pattern of corrosion and a low negative difference effect in the electrolyte developed above as compared to the conventional halide or perchlorate electrolytes. In the usual air-depolarized mode of operation, the cell has been found to be capable of continuous discharge over several months at a constant cell voltage of about 1 V and a current density of 1 mAcm -2 at the cathode. The long service-life capability arises from the formation of a protective film on the porous carbon cathode and fast sedimentation of the anodic product (magnesium hydroxide) in the electrolyte. The cell has a shelf-life in the activated state of about a year due to the low open-circuit corrosion of the anode. These favourable features suggest the practical feasibility of developing economical, long-life, non-reserve magnesium-air ceils for diverse applications using magnesium anodes with a high surface area and porous carbon-air electrodes.

Numerical study on the surface depression of the concrete runway pavement under impact load

Airport runway pavement always subjected to huge impact loading due to the hard landing of aircraft on the pavement surface. Therefore runway pavements should have sufficient impact resistance capability to avoid damage causing by hard impact like surface deflection in downward or penetration since the repair works is cumbersome within the operating condition of airport and also increases the service life cost of the pavement structure. Several research works have been carried out on airport runway pavement to measure the present condition of pavement and also to predict future performance of it. However, most of the works are confined by pavement response under moving aircraft loading. Nevertheless, no comprehensive research work is yet conducted to identify the controlling factors which might have significant effect in changing the common pavements damage like surface penetration depth under impact of aircraft. Therefore, a 3D FE study is conducted to determine some effective factors in controlling the top surface penetration depth of runway pavement. Among the exterior factors, mass of the impactor, velocity of the impactor, impact angle and boundary conditions are selected and as interior factors, thickness of the runway pavement, compressive strength and density of materials used in the runway pavement are selected.

Structural sensitivity as a measure of redundancy

The conventional definition of redundancy is applicable to skeletal structural systems only, whereas the concept of redundancy has never been discussed in the context of a continuum. Generally, structures in civil engineering constitute a combination of both skeletal and continuum segments. Hence, this gaper presents a generalized definition of redundancy that has been defined in terms of structural response sensitivity, which is applicable to both continuum and discrete structures. In contrast to the conventional definition of redundancy, which is assumed to be fixed for a given structure and is believed to be independent of loading and material properties, the new definition would depend on strength and response of the structure at a given stage of its service life. The redundancy measure proposed in this paper is linked to the structural response sensitivities. Thus, the structure can have different degrees of redundancy during its lifetime, depending on the response sensitivity under consideration It is believed that this new redundancy measure would be more relevant in structural evaluation, damage assessment, and reliability analysis of structures at large.

WEAR AND SLIDING-FRICTION CHARACTERISTICS OF STAINLESS STEEL SS316LN WITHOUT A COATING AND WITH A CrN COATING AT ELEVATED TEMPERATURES AND IN A VACUUM

Stainless steel of type AISI 316LN - one of the structural materials of fast neutron reactors - must have a long service life under conditions that subject it to different types of wear (galling, adhesion, fretting, and abrasion). Cobalt-based hard facings are generally avoided due to induced radioactivity. Nickel-based hard facings are strongly preferred instead. One alternative to both types of coatings is a hard-alloy coating of CrN. This article examines wear and friction characteristics during the sliding of uncoated steel SS316LN and the same steel with a CrN coating. In addition, a specially designed pin-on-disk tribometer is used to perform tests in a vacuum at temperatures of up to 1000 degrees C in order to study the effect of oxygen on the wear of these materials. The morphology of the wear surface and the structure of the subsurface were studied by scanning electron microscopy. The formation of an adhesion layer and the self-welding of mating parts are seen to take place in the microstructure at temperatures above 500 degrees C. It is also found that steel SS316LN undergoes shear strain during sliding wear. The friction coefficient depends on the oxygen content, load, and temperature, while the wear rate depends on the strain-hardening of the surface of the material being tested.

Non-Destructive Evaluation of Defects and Damage in Composite Materials and Structures

The mechanical behaviour of composite materials differs from that of conventional structural materials owing to their heterogeneous and anisotropic nature. Different types of defects and anomalies get induced in these materials during the fabrication process. Further, during their service life, the components made of composite materials develop different types of damage. The performance and life of such components is governed by the combined effect of all these defects and damage. While porosity, voids, inclusions etc., are some defects those can get induced during the fabrication of composites, matrix cracks, interface debonds, delaminations and fiber breakage are major types of service induced damage which are of concern. During the service life of components made of composites, one type of damage can grow and initiate another type of damage. For example, matrix cracks can gradually grow to the interface and initiate debonds. Interface debonds in a particular plane can lead to delaminations. Consequently, the combined effect of different types of distributed damage causes the failure of the component. A set of non-destructive evaluation (NDE) methods is well established for testing conventional metallic materials. Some of them can also be utilized for composite materials as they are, and in some cases with a little different approach or modification. Ultrasonics, Radiography, Thermography, Fiber Optics, Acoustic Emision Techniques etc., to name a few. Detection, evaluation and characterization of different types of defects and damage encountered in composite materials and structures using different NDE tools is discussed briefly in this paper.

Identificação de danos estruturais utilizando técnicas de otimização.

Sistemas estruturais em suas variadas aplicações incluindo-se veículos espaciais, automóveis e estruturas de engenharia civil tais como prédios, pontes e plataformas off-shore, acumulam dano durante suas vidas úteis. Em muitas situações, tal dano pode não ser visualmente observado. Do ponto de vista da segurança e da performance da estrutura, é desejável monitorar esta possível ocorrência, localizá-la e quantificá-la. Métodos de identificação de sistemas, que em geral, são classificados numa categoria de Técnicas de Avaliação Não-Destrutivas, podem ser utilizados para esta finalidade. Usando dados experimentais tais como frequências naturais, modos de vibração e deslocamentos estáticos, e um modelo analítico estrutural, parâmetros da estrutura podem ser identificados. As propriedades estruturais do modelo analítico são modificadas de modo a minimizar a diferença entre os dados obtidos por aquele modelo e a resposta medida. Isto pode ser definido como um problema inverso onde os parâmetros da estrutura são identificados. O problema inverso, descrito acima, foi resolvido usando métodos globais de otimização devido à provável presença de inúmeros mínimos locais e a não convexidade do espaço de projeto. Neste trabalho o método da Evolução Diferencial (Differential Evolution, DE) foi utilizado como ferramenta principal de otimização. Trata-se de uma meta-heurística inspirada numa população de soluções sucessivamente atualizada por operações aritméticas como mutações, recombinações e critérios de seleção dos melhores indivíduos até que um critério de convergência seja alcançado. O método da Evolução Diferencial foi desenvolvido como uma heurística para minimizar funções não diferenciáveis e foi aplicado a estruturas planas de treliças com diferentes níveis de danos.

Análise dinâmica e controle de vibrações de passarelas de pedestres submetidas ao caminhar humano.

Passarelas de pedestres mistas (aço-concreto) e de aço são frequentemente submetidas a ações dinâmicas de magnitude variável, devido à travessia de pedestres sobre a laje de concreto. Estas ações dinâmicas podem produzir vibrações excessivas e dependendo de sua magnitude e intensidade, estes efeitos adversos podem comprometer a confiabilidade e a resposta do sistema estrutural e, também, podem levar a uma redução da expectativa de vida útil da passarela. Por outro lado, a experiência e o conhecimento dos engenheiros estruturais em conjunto com o uso de novos materiais e tecnologias construtivas têm produzido projetos de passarelas mistas (aço-concreto) bastante arrojados. Uma consequência direta desta tendência de projeto é um aumento considerável das vibrações estruturais. Com base neste cenário, esta dissertação visa investigar o comportamento dinâmico de três passarelas de pedestres mistas (aço-concreto) localizadas no Rio de Janeiro, submetidas ao caminhar humano. Estes sistemas estruturais são constituídos por uma estrutura principal de aço e laje em concreto e são destinados à travessia de pedestres. Deste modo, foram desenvolvidos modelos numérico-computacionais, adotando-se as técnicas tradicionais de refinamento presentes em simulações do método de elementos finitos, com base no uso do software ANSYS. Estes modelos numéricos permitiram uma completa avaliação dinâmica das passarelas investigadas, especialmente em termos de conforto humano. As respostas dinâmicas foram obtidas em termos de acelerações de pico e comparadas com valores limites propostas por diversos autores e normas de projeto. Os valores de aceleração de pico e aceleração rms encontrados na presente investigação indicaram que as passarelas analisadas apresentaram problemas relacionados com o conforto humano. Assim sendo, considerando-se que foi detectado que estas estruturas poderiam atingir níveis elevados de vibração que possam vir a comprometer o conforto dos usuários, foi verificado que uma estratégia para o controle estrutural era necessária, a fim de reduzir as vibrações excessivas nas passarelas. Finalmente, uma investigação foi realizada com base em alternativas de controle estrutural objetivando atenuar vibrações excessivas, a partir do emprego de sistemas de atenuadores dinâmicos sintonizados (ADS).

Verificação à fadiga estrutural de ponte em concreto armado.

As pontes rodoviárias de concreto armado estão sujeitas à ações dinâmicas variáveis devido ao tráfego de veículos sobre o tabuleiro. Estas ações dinâmicas nem sempre são corretamente consideradas pelos projetistas. Deste modo, a correta consideração destes aspectos mostra-se de fundamental importância, de forma a se avaliar os esforços dinâmicos oriundos do tráfego de veículos sobre o tabuleiro. De acordo com este contexto, a ponte rodoviária investigada nesta dissertação é constituída por duas vigas longitudinais, três transversinas, sendo uma central e duas sobre os apoios, e por um tabuleiro em concreto armado. O modelo computacional, desenvolvido para a análise dinâmica da ponte, foi concebido com base no emprego de técnicas usuais de discretização através do método dos elementos finitos. Os veículos são representados a partir de sistemas do tipo "massa-mola-amortecedor". O tráfego destes veículos é considerado mediante a simulação de comboios semi-infinitos, deslocando-se com velocidade constante sobre a ponte. As técnicas para a contagem de ciclos de tensões e a aplicação das regras de dano acumulado foram analisadas através das curvas S-N de diversas normas e recomendações internacionais vigentes que versam sobre o tema. As conclusões deste trabalho de pesquisa se referem à análise da resposta dinâmica bem como da vida útil de serviço da obra de arte rodoviária de concreto armado investigada, quando submetida às ações dinâmicas provenientes do tráfego de veículos pesados sobre o tabuleiro.

Análise dinâmica e verificação à fadiga de obras de arte rodoviárias mistas (aço-concreto) submetidas ao tráfego de veículos sobre o pavimento irregular.

As pontes rodoviárias metálicas e mistas (aço-concreto) são submetidas a um grande número de carregamentos repetitivos de diferentes magnitudes, ao longo do tempo. Estas ações dinâmicas podem causar a nucleação de fraturas ou mesmo a propagação destas sobre o sistema estrutural. A depender da magnitude, estes efeitos podem comprometer o sistema estrutural e a sua confiabilidade, além de reduzir a vida útil das pontes. Assim sendo, neste trabalho de pesquisa foi investigada a resposta dinâmica de uma ponte mista (aço-concreto), simplesmente apoiada, com vão de 40,0 m, submetida ao tráfego de veículos sobre a superfície irregular do pavimento. Para tal um modelo numérico representativo do sistema estrutural foi desenvolvido com base no emprego do programa ANSYS, por meio do uso de técnicas usuais de discretização, via método dos elementos finitos. Um estudo paramétrico foi desenvolvido para identificar, de forma qualitativa e quantitativa, o efeito das irregularidades do pavimento sobre o comportamento dinâmico da ponte mista investigada. Em seguida, a verificação do projeto à fadiga do sistema misto foi realizada, com base no emprego do algoritmo de contagem de ciclos Rainflow e em curvas S-N associadas às principais normas de projeto sobre o tema. As conclusões deste trabalho de pesquisa alertam aos engenheiros estruturais para a possibilidade concreta acerca do aumento do dano por fadiga, relacionado às ações dinâmicas de veículos trafegando sobre o tabuleiro de pontes em aço e mistas (aço-concreto).

Modelagem do comportamento dinâmico e análise de fadiga de pontes rodoviárias mistas (aço-concreto).

Considerando-se os diversos carregamentos que solicitam a estrutura de uma ponte rodoviária, ao longo de sua vida útil, alguns possuem um comportamento essencialmente dinâmico, ou seja, variam com o tempo, diferentemente do que é considerado na prática corrente de projeto desse tipo de obra de arte. Em geral, os projetistas desse tipo de estrutura têm tratado carregamentos como o de vento, tráfego de veículos e de pedestres como ações de natureza estática, ignorando seu perfil cíclico. Tal consideração, em diversas situações de projeto, tende a minorar os efeitos das ações dinâmicas sobre o sistema estrutural. Além disso, estruturas submetidas a solicitações cíclicas, sob uma carga inferior à caga máxima suportada pelo material, estão sujeitas ao fenômeno da fadiga. A consideração adequada de todos estes aspectos mostra-se fundamentalmente importante para correta avaliação dos níveis de esforços solicitantes do sistema estrutural e, bem como, para a identificação de fenômenos importantes como o da fadiga que pode vir a provocar, por exemplo, a ruptura de componentes estruturais sem aviso prévio ou motivo aparente. Para tal, nesta dissertação as técnicas para a contagem de ciclos de tensão e a aplicação das regras de dano acumulado foram analisadas através de curvas do tipo S-N, associadas a diversas normas de projeto. A ponte rodoviária mista (aço-concreto) investigada neste estudo é constituída por seis vigas de aço longitudinais com enrijecedores transversais, oito transversinas e por um tabuleiro de concreto armado. O modelo numérico-computacional, desenvolvido para a análise dinâmica da ponte, foi elaborado com base em técnicas usuais de discretização através do método dos elementos finitos. As mesas e almas das vigas, assim como os enrijecedores , foram modelados por elementos de casca e laje de concreto armado, por elementos sólidos. O carregamento dinâmico avaliado no presente estudo diz respeito ao tráfego de veículos, cuja representação se dá a partir de sistemas "massa-mola-amortecedor". Os comboios formados são adotados como sendo semi-infinitos, deslocando-se com velocidade constante sobre a ponte. As conclusões da presente investigação versam acerca da vida útil de serviço dos elementos estruturais de pontes mistas (aço-concreto).

THEORETICAL ROAD DAMAGE DUE TO DYNAMIC TYRE FORCES OF HEAVY VEHICLES. PART 2: SIMULATED DAMAGE CAUSED BY A TANDEM-AXLE VEHICLE.

The literature relating to road surface failure and design is briefly reviewed and the conventional methods for assessing the road damaging effects of dynamic tire forces are examined. A new time domain technique for analyzing dynamic tire forces and four associated road damage criteria are presented. The force criteria are used to examine the road damaging characteristics of a simple tandem-axle vehicle model for a range of speed and road roughness conditions. It is concluded that for the proposed criteria, the theoretical service life of road surfaces that are prone to fatigue failure may be reduced significantly by the dynamic component of wheel forces. The damage done to approximately five per cent of the road surface area during the passage of a theoretical model vehicle at typical highway speeds may be increased by as much as four times.

Increasing the life of flare tips

Flare tips are essential for safety. Maintenance is difficult and costly. Flare tips are subjected to high combustion temperatures, thermal cycling, oxidation and marine corrosion. Following a number of flare tip failures an in depth study by Imperial College was carried out into the failure of a flare tip from a UK platform, looking for service life improvement. Materials selection and design solutions were considered. The study considered alternative materials and concluded that materials selection was the smaller part of the answer; design changes can double service life. This study used failure investigation, high temperature experimental and thermo-mechanical modelling analysis. The modelling process simulated two common flaring conditions and correctly predicted the observed failure of initiation and crack propagation from holes used to bolt on flame stabilizing plates to the top of the flare. The calculated thermal stress and strains enabled the low cycle fatigue life and minimum creep life to be predicted. It was concluded that service life could be improved by replacing Incoloy alloy 800HT (UNS N08800) with Inconel alloy 625 (UNS N06625), an alloy with attractive mechanical properties and improved high temperature corrosion resistance. Repositioning or eliminating bolt holes can double service life. Copyright 2008, Society of Petroleum Engineers.

Corrosion behaviour of steel in beach soil along Bohai Bay

Research on corrosion of steel structures in various marine environments is essential to assure the safety of structures and can effectively prolong their service life. In order to provide data for anticorrosion design of oil exploitation structures in the Bohai Bay, the corrosion behaviour and properties of steel in beach soil, using typical steel samples (Q235A carbon steel and API 5Lx52 pipeline steel) buried 0.5, 1.0 and 1.5 m deep under typical beach soils in Tanggu, Yangjiaogou, Xingcheng, Yingkou and Chengdao for 1-2 years were studied. The carbon steel and pipeline steel were both corroded severely in the beach soil, with the form of corrosion being mainly uniform with some localised attack (pitting corrosion). The corrosion rate of the carbon steel was up to 0.16 mm/year with a maximum penetration depth of 0.76 mm and that of the pipeline steel was up to 0.14 mm/year, with a maximum penetration depth of 0.53 mm. Compared with carbon steel, the pipeline steel generally had better corrosion resistance in most test beach soils. The corrosion rates and the maximum corrosion depths of carbon steel and pipeline steel were in the order: Tanggu>Xingcheng>Chengdao>Yingkou>Yangjiaogou with corrosion altering with depth of burial. The corrosion of steel in the beach soil involves a mixed mechanism with different degrees of soil aeration and microbial activity present. It is concluded that long term in situ plate laying experiments must be carried out to obtain data on steel corrosion in this beach soil environment so that the effective protection measures can be implemented.

The synergy between deformation and anodic dissolution of an austenitic stainless steel in acidic chloride solution

In corrosion medium, metals can deform under tensile stress and form a new active surface with the anodic dissolution of the metals being accelerated. At the same time, the anodic dissolution may accelerate the deformation of the metals. The synergy can lead to crack nucleation and development and shorten the service life of the component. Austenitic stainless steel in acidic chloride solution was in active dissolution condition when stress corrosion cracking (SCC) occurred. It is reasonable to assume that the anodic dissolution play an important role, so it's necessary to study the synergy between anodic dissolution and deformation of austenitic stainless steels. The synergy between deformation and anodic dissolution of AISI 321 austenitic stainless steel in an acidic chloride solution was studied in this paper. The corrosion rate of the steel increased remarkably due to the deformation-accelerated anodic and cathodic processes. The creep rate was increased while the yield strength was reduced by anodic dissolution. The analysis by thermal activation theory of deformation showed a linear relationship between the logarithm of creep rate and the logarithm of anodic cur-rent. Besides, the reciprocal of yield strength was also linearly dependent on the logarithm of anodic current. The theoretical deductions were in good agreement with experimental results.

Prediction of reinforcement corrosion in concrete and its effects on concrete cracking and strength reduction

Based on extensive research on reinforcing steel corrosion in concrete in the past decades, it is now possible to estimate the effect of the progression of reinforcement corrosion in concrete infrastructure on its structural performance. There are still areas of considerable uncertainty in the models and in the data available, however This paper uses a recently developed model for reinforcement corrosion in concrete to improve the estimation process and to indicate the practical implications. In particular stochastic models are used to estimate the time likely to elapse for each phase of the whole corrosion process: initiation, corrosion-induced concrete cracking, and structural strength reduction. It was found that, for practical flexural structures subject to chloride attacks, corrosion initiation may start quite early in their service life. It was also found that, once the structure is considered to be unserviceable due to corrosion-induced cracking, there is considerable remaining service life before the structure can be considered to have become unsafe. The procedure proposed in the paper has the potential to serve as a rational tool for practitioners, operators, and asset managers to make decisions about the optimal timing of repairs, strengthening, and/or rehabilitation of corrosion-affected concrete infrastructure. Timely intervention has the potential to prolong the service life of infrastructure.