Análisis del proceso de friction drilling. Viabilidad de la unión de materiales disimilares en uniones atornilladas sin tuerca, compatibilidad de la unión

[ES]En este trabajo se expone un estudio experimental del proceso de taladrado por fricción, más conocido como Friction Drilling y posterior roscado por laminación, en uniones de chapas de acero y aluminio, muy utilizadas en multitud de sectores, que se caracteriza por la ausencia de tuercas. La base de esta técnica es el calor producido por el rozamiento al entrar en contacto la herramienta rotativa con el material, causando el reblandecimiento del material, la fluencia y la deformación de éste. De este modo, se generará una copa cónica, que se roscará por laminación. En este trabajo se va a estudiar la viabilidad del proceso experimentalmente, obteniendo variables de entrada del proceso óptimas que generen una unión de calidad, atendiendo a diferentes aspectos. Sin embargo, se centra sobre todo en analizar la calidad de la unión en lo que se refiere a la compatibilidad de los materiales. Se estudiará la corrosión galvánica por una parte entre acero y aluminio y, por otra parte, entre acero, aluminio y el material del tornillo. Una vez concluido el trabajo, se espera obtener un proceso de unión de materiales disímiles sin tuerca, ofreciendo una mayor calidad que los procesos implementados actualmente.

The tensile fracture of mild steel

The fibrous and cleavage tensile fracture of an annealed mild steel was investigated. Round tensile specimens of two geometries, one straight and one with a circumferential notch, were pulled at temperatures between room temperature and liquid nitrogen temperature. Tensile fractures occurred at average strains from 0.02 to 0.87. The mechanism of fibrous fracture at room temperature was investigated metallographically. The stress-strain values at which fibrous and cleavage fractures are initiated were determined.

Many fine microcracks, which are associated with pearlite colonies and inclusion stringers, develop prior to fibrous fracture. The macrofracture, which leads to final separation of the tensile specimen, is initiated by the propagation of a microcrack beyond the microstructural feature with which it is associated. Thus, the fibrous fracture of mild steel does not develop by the gradual growth and coalescence of voids that are large enough to be visible in the optical microscope. When the microcracks begin to open and propagate, final fracture quickly follows. Axial cracks are a prominent feature of the macrofracture that forms in the interior of the specimen immediately before final fracture.

The Bridgman distribution of stresses is not valid in a notched tensile specimen. Fibrous and cleavage fractures occur at approximately the same value of maximum tensile stress. When the maximum tensile stress that is necessary for cleavage fracture is plotted against the corresponding maximum tensile strain, the result is an unique locus.

Quantifying Earthquake Collapse Risk of Tall Steel Braced Frame Buildings Using Rupture-to-Rafters Simulations

This thesis examines collapse risk of tall steel braced frame buildings using rupture-to-rafters simulations due to suite of San Andreas earthquakes. Two key advancements in this work are the development of (i) a rational methodology for assigning scenario earthquake probabilities and (ii) an artificial correction-free approach to broadband ground motion simulation. The work can be divided into the following sections: earthquake source modeling, earthquake probability calculations, ground motion simulations, building response, and performance analysis.

As a first step the kinematic source inversions of past earthquakes in the magnitude range of 6-8 are used to simulate 60 scenario earthquakes on the San Andreas fault. For each scenario earthquake a 30-year occurrence probability is calculated and we present a rational method to redistribute the forecast earthquake probabilities from UCERF to the simulated scenario earthquake. We illustrate the inner workings of the method through an example involving earthquakes on the San Andreas fault in southern California.

Next, three-component broadband ground motion histories are computed at 636 sites in the greater Los Angeles metropolitan area by superposing short-period (0.2~s-2.0~s) empirical Green's function synthetics on top of long-period ($>$ 2.0~s) spectral element synthetics. We superimpose these seismograms on low-frequency seismograms, computed from kinematic source models using the spectral element method, to produce broadband seismograms.

Using the ground motions at 636 sites for the 60 scenario earthquakes, 3-D nonlinear analysis of several variants of an 18-story steel braced frame building, designed for three soil types using the 1994 and 1997 Uniform Building Code provisions and subjected to these ground motions, are conducted. Model performance is classified into one of five performance levels: Immediate Occupancy, Life Safety, Collapse Prevention, Red-Tagged, and Model Collapse. The results are combined with the 30-year probability of occurrence of the San Andreas scenario earthquakes using the PEER performance based earthquake engineering framework to determine the probability of exceedance of these limit states over the next 30 years.

Quantifying Earthquake Collapse Risk of Tall Steel Moment Frame Buildings Using Rupture-to-Rafters Simulations

There is a sparse number of credible source models available from large-magnitude past earthquakes. A stochastic source model generation algorithm thus becomes necessary for robust risk quantification using scenario earthquakes. We present an algorithm that combines the physics of fault ruptures as imaged in laboratory earthquakes with stress estimates on the fault constrained by field observations to generate stochastic source models for large-magnitude (Mw 6.0-8.0) strike-slip earthquakes. The algorithm is validated through a statistical comparison of synthetic ground motion histories from a stochastically generated source model for a magnitude 7.90 earthquake and a kinematic finite-source inversion of an equivalent magnitude past earthquake on a geometrically similar fault. The synthetic dataset comprises of three-component ground motion waveforms, computed at 636 sites in southern California, for ten hypothetical rupture scenarios (five hypocenters, each with two rupture directions) on the southern San Andreas fault. A similar validation exercise is conducted for a magnitude 6.0 earthquake, the lower magnitude limit for the algorithm. Additionally, ground motions from the Mw7.9 earthquake simulations are compared against predictions by the Campbell-Bozorgnia NGA relation as well as the ShakeOut scenario earthquake. The algorithm is then applied to generate fifty source models for a hypothetical magnitude 7.9 earthquake originating at Parkfield, with rupture propagating from north to south (towards Wrightwood), similar to the 1857 Fort Tejon earthquake. Using the spectral element method, three-component ground motion waveforms are computed in the Los Angeles basin for each scenario earthquake and the sensitivity of ground shaking intensity to seismic source parameters (such as the percentage of asperity area relative to the fault area, rupture speed, and risetime) is studied.

Under plausible San Andreas fault earthquakes in the next 30 years, modeled using the stochastic source algorithm, the performance of two 18-story steel moment frame buildings (UBC 1982 and 1997 designs) in southern California is quantified. The approach integrates rupture-to-rafters simulations into the PEER performance based earthquake engineering (PBEE) framework. Using stochastic sources and computational seismic wave propagation, three-component ground motion histories at 636 sites in southern California are generated for sixty scenario earthquakes on the San Andreas fault. The ruptures, with moment magnitudes in the range of 6.0-8.0, are assumed to occur at five locations on the southern section of the fault. Two unilateral rupture propagation directions are considered. The 30-year probabilities of all plausible ruptures in this magnitude range and in that section of the fault, as forecast by the United States Geological Survey, are distributed among these 60 earthquakes based on proximity and moment release. The response of the two 18-story buildings hypothetically located at each of the 636 sites under 3-component shaking from all 60 events is computed using 3-D nonlinear time-history analysis. Using these results, the probability of the structural response exceeding Immediate Occupancy (IO), Life-Safety (LS), and Collapse Prevention (CP) performance levels under San Andreas fault earthquakes over the next thirty years is evaluated.

Furthermore, the conditional and marginal probability distributions of peak ground velocity (PGV) and displacement (PGD) in Los Angeles and surrounding basins due to earthquakes occurring primarily on the mid-section of southern San Andreas fault are determined using Bayesian model class identification. Simulated ground motions at sites within 55-75km from the source from a suite of 60 earthquakes (Mw 6.0 − 8.0) primarily rupturing mid-section of San Andreas fault are considered for PGV and PGD data.

Analysis of a concrete arch highway bridge reinforced with structural steel

An article in the Engineering News-Record for March 30, 1923, describes a new concrete arch bridge across the Connecticut River between Springfield and West Springfield, Mass.

Obtenção do copolímero de acrilonitrila e vinil-tetrazol e sua aplicação como inibidor de corrosão para meio ácido

Polímeros heterocíclicos abrangem uma grande variedade de materiais, desde simples polímeros lineares sintetizados a partir de monômeros do tipo heterocíclicos vinílicos até polímeros altamente funcionalizados e reticulados. Neste trabalho realizou-se a modificação química da poliacrilonitrila com a incorporação de grupos tetrazol em diferentes teores (1%, 2,5%, 5% e 10%). Os copolímeros de acrilonitrila e vinil-tetrazol obtidos foram caracterizados por FTIR e o seu comportamento térmico analisado por DSC e TGA. Os polímeros heterocíclicos foram avaliados como inibidores de corrosão para aço-carbono em meio ácido obtendo-se bons resultados e alcançando, em alguns casos, uma eficiência de inibição média superior a 70%

Estudo de adsorção de ácidos naftênicos a partir de correntes de hidrocarbonetos

Ácidos naftênicos correspondem à complexa mistura de ácidos carboxílicos presentes no petróleo, responsáveis diretamente pela sua acidez e pela sua corrosividade em fase líquida durante o refino. Tais compostos também estão presentes nas frações destiladas do petróleo, causando diversos problemas na qualidade final do produto. Uma possível forma de remover esses ácidos das frações destiladas é através da adsorção em materiais porosos. Contudo, os resultados até então apresentados indicam que resinas trocadoras de íons seriam os melhores adsorventes destes compostos, o que poderia aumentar o custo do processo e diminuir sua viabilidade. Neste trabalho, dois adsorventes comerciais (argila e alumina ativada) foram caracterizados por diversas técnicas físico-químicas e avaliados quanto à sua capacidade de remover os ácidos naftênicos de frações médias e pesadas de petróleo. Avaliou-se, ainda, para fins de comparação, o comportamento de ácidos naftênicos comerciais em óleos sintéticos preparados com óleo mineral. Em complementação, a corrosividade do aço carbono nos meios estudados foi também verificada. A argila apresentou maior afinidade com os ácidos naftênicos, tendo capacidade de adsorção superior e cinética de processo ligeiramente mais rápida às da alumina para as cargas sintéticas. No entanto, em virtude da maior concorrência pelos sítios de adsorção, apresentada pelos outros componentes presentes em óleos reais, observou-se uma perda na eficiência para estas amostras. Neste caso, a alumina apresentou melhores resultados. Embora ambos adsorventes tenham apresentado boa capacidade de remoção do soluto, a resina trocadora de íons ainda apresentou resultado mais eficaz para as amostras reais. Nas condições desse estudo, a taxa de corrosão do aço nas amostras sintéticas e em duas das reais não foi significativa e apenas uma delas apresentou-se corrosiva (Óleo 1). No entanto, a remoção dos ácidos naftênicos por adsorção conseguiu reduzir a taxa de corrosão neste meio em até 99%

Corrosão dos aços UNS S30400 e 31600 em meios simuladores de poros de concreto

Com o objetivo de investigar a influência que o molibdênio exerce nas propriedades das camadas passivas das armaduras de aços austeníticos, barras redondas dos aços UNS S30400 e 31600 foram submetidas à ação de soluções que simulam as que são encontradas nos poros de concreto. Para caracterizar o efeito do molibdênio na resistência daqueles aços à corrosão por pites, foram conduzidos ensaios de circuito aberto, polarização anódica, espectroscopia de impedância eletroquímica, análise de Mott-Schottky, tração em baixa taxa de deformação e análise das superfícies por microscopias óptica e eletrônica de varredura. Os resultados obtidos demonstram que, de uma forma geral, o aço UNS S30400 (sem molibdênio) apresentou maior resistência à corrosão localizada que o UNS S31600 (2% de Mo) nas soluções alcalinas cloretadas naturalmente aeradas, comportamento este inverso ao que se observa nos mesmos materiais quando submetidos a soluções cloretadas neutras ou ácidas.

Estudo de corrosão em sistema simulado de retortagem para processamento de folhelhos pirobetuminosos

O aço inoxidável é amplamente utilizado em sistemas para processamento e obtenção de derivados de folhelhos pirobetuminosos. Em função dos problemas de corrosão, originários da composição química dos folhelhos e do processamento em si, são gastos anualmente valores expressivos em manutenção e paradas programadas para reparos nestes sistemas. O presente trabalho busca estudar o processo de corrosão do aço inoxidável AISI 304L em meio simulado de retortagem de folhelhos, em condições de alta temperatura e em presença de elevados teores de enxofre, orgânico e inorgânico, empregando técnicas microscópicas e eletroquímicas. Os resultados mostraram que a temperatura influencia diretamente no processo de corrosão do aço, causando modificação na camada externa de óxidos. Este processo é agravado com a presença de sulfetos no meio, havendo formação, principalmente, de sulfetos de ferro sobre a superfície do aço inoxidável AISI 304L e consequente aumento do processo de corrosão. Foi observado que o enxofre de origem orgânica promove maior destruição da camada de óxido protetor do aço e aumento na formação do filme de sulfeto aderido à superfície deste material. Verificou-se ainda que o processo corrosivo é predominantemente químico, sendo o filme formado considerado protetor, do ponto de vista eletroquímico, no meio eletrolítico estudado

Avaliação do copolímero de acrilonitrila e 2-vinil-2-oxazolina na eficiência de inibição de corrosão química em meio salino

Processos corrosivos geram perdas incalculáveis para a sociedade. Existe, portanto, uma incessante busca por métodos cada vez mais econômicos, eficientes e que não gerem impacto ao meio-ambiente. Polímeros heterocíclicos são macromoléculas de elevada performance que vêm sendo estudados como inibidores de corrosão por atenderem as premissas citadas acima. Neste trabalho realizou-se a modificação química da poliacrilonitrila com a incorporação de grupos 2-vinil-2-oxazolina no teor teórico de 20%. O copolímero obtido e a poliacrilonitrila não modificada foram caracterizados por espectroscopia na região do infravermelho e avaliados como inibidores de corrosão para alumínio e aço carbono em meio salino em temperatura de 60C. As concentrações utilizadas foram de 20, 50, 100 e 200 ppm e os períodos de checagem: 1, 2, 3 e 4 semanas. Os polímeros estudados apresentaram atividade inibitória de corrosão apenas para o aço carbono. Para o alumínio, o ensaio em branco apresentou a menor taxa de corrosão dentre todos os ensaios realizados