[pt] Um elevado número de reservatórios de hidrocarbonetos é naturalmente fraturado. Quando sujeitos a estimulação hidráulica, as fraturas naturais podem influenciar a propagação da fratura hidráulica, que pode tomar uma forma geométrica complexa, criando redes de fraturas no reservatório. De forma a melhor entender e simular tais fenômenos, um elemento baseado no Método dos Elementos Finitos Estendidos (XFEM) é proposto. A formulação do elemento inclui interseção e cruzamento entre fraturas, atrito entre as faces das fraturas, comportamento acoplado entre deslocamentos, poro-pressões e pressões do fluido da fratura, absorção de fluído da fratura para o meio poroso (leak-off) e a eventual perda de pressão nas faces da fratura (filter cake). Os fundamentos teóricos e os aspectos relevantes da implementação são apresentados. Um conjunto de análises é realizado de forma a validar em separado as diferentes funcionalidades do elemento implementado. Finalmente, os resultados de quatro aplicações práticas são analisados e discutidos: dois conjuntos de ensaios de laboratório de interseção de fratura, propagação de fratura hidráulica num modelo sintético multi-fraturado e percolação na fundação fraturada de uma barragem. Conclui-se que o código implementado fornece previsões muito boas do comportamento acoplado do meio fraturado e tem capacidade de simular corretamente a interação entre fraturas hidráulicas e naturais. Pode também verificar-se que o comportamento hidráulico dos modelos e a propagação e interseção de fraturas são muito influenciados por parâmetros tais como o diferencial de tensões in-situ, ângulo entre fraturas, a abertura hidráulica das fraturas e a condutividade transversal das faces da fratura.

[en] A large number of hydrocarbon reservoirs are naturally fractured. When subjected to hydraulic fracturing treatments, the natural fractures may influence the propagation of the hydraulic fracture, which can grow in a complicated manner creating complex fracture networks in the reservoir. In order to better understand and simulate such phenomena an element based on the eXtended Finite Element Method is proposed. The element formulation comprises fracture intersection and crossing, fracture frictional behaviour, fully coupled behaviour between displacements, pore and fracture fluid pressure, leak-off from the fracture to the surrounding medium and the eventual loss of pressure due to filter cake. The theoretical background and implementation aspects are presented. A set of analyses is performed in order to validate different features of the implemented element. Finally, the results of four practical applications are analysed and discussed: two laboratory hydraulic fracture tests, hydraulic fracture propagation in a multifractured synthetic model and percolation through a dam fractured foundation. It is concluded that the implemented code provides very good predictions of the coupled fluid-rock fracture behaviour and is capable of correctly simulating the interaction between hydraulic and natural fractures.…

[pt] Em reservatórios complexos com descontinuidades geológicas como falhas, os riscos na produção de petróleo e gás pelos métodos de injeção frequentemente utilizados são maiores. Um dos fenômenos que pode acarretar graves problemas de perda de produção e acidentes ambientais é a reativação de falhas geológicas. Isto ocorre devido às variações de tensões induzidas na formação, as quais podem ser suficientemente altas para reativar as falhas e modificar significativamente o comportamento do reservatório, gerando uma das situações mais críticas na indústria de petróleo. Nessa dissertação investiga-se através do método dos elementos finitos o fenômeno de reativação de falhas com base em modelos de representação explícita da falha através de elementos de interface. Adota-se ainda para efeitos de comparação uma modelagem da falha por meio de uma zona de falha através do conceito de contínuo equivalente. Uma metodologia com base em uma análise poro-elastoplástica desacoplada que permite estimar as pressões limite para a reativação durante a produção em reservatórios de petróleo de uma maneira versátil e eficiente foi empregada nas situações investigadas através do simulador Abaqus. Para tal, foram implementadas uma série de rotinas para incorporar ao programa Abaqus novos elementos de interface, governados pelo modelo constitutivo de Mohr-Coulomb. A metodologia apresentada foi avaliada e verificada através da simulação de um modelo sintético com falha normal comparando os resultados com uma solução analítica simplificada e com os resultados obtidos com o simulador de elementos finitos AEEPECD (Costa, 1984). São apresentados alguns exemplos de aplicação representando a falha com elementos de interface e como um contínuo equivalente. Os resultados obtidos nas análises demonstram a aplicabilidade da metodologia a problemas de campos reais.

[en] In complex reservoirs with geological discontinuities, such as faults, the risk in the production of oil and gas are increase by the injection methods frequently used. The injection and depletion processes induce stress variations in the formation. These can be high enough to reactivate faults and significantly modify the behavior of the reservoir, bringing on one of the most critical situations in the oil industry. In this context, this dissertation investigates the phenomenon of fault reactivation by employing the finite element method based on an explicit representation of the fault with interface elements. In addition, a fault zone model based on an equivalent continuum approach is adopted for comparison. The pressure limits during production of oil reservoirs considering fault reactivation are determined from pore-elastoplastic uncoupled analyses with the software Abaqus. With this purpouse, interfaces elements with Mohr-Coulomb constitutive model were implemented through user subroutine in Abaqus to represent, in an approximate way, the fault behavior. In addition, other tools were developed to facilitate the generation of the models to be analyzed. The presented methodology…

[pt] Esta pesquisa apresenta um estudo experimental do comportamento de corpos de prova de concreto armado com fibras metálicas comprimidos diametralmente e os submetidos à tração direta. Foram analisados 72 corpos de prova no LEM-DEC da PUC-Rio, sendo 54 cilíndricos variando-se o diâmetro e o consumo de fibras para o ensaio de compressão diametral e 18 variando-se o consumo de fibras para o ensaio de tração direta. Os 54 corpos de prova foram divididos em três grupos de acordo com a resistência à compressão (20, 30 e 50 MPa), cada grupo com 18 corpos de prova com consumo de fibras (20 kg/metro cúbico, 40 kg/metro cúbico e 60 kg/metro cúbico) e diâmetros distintos (5 cm, 10 cm e 15 cm). Foram avaliados a resistência de tração, energia de deformação e efeito escala. Os resultados obtidos permitem analisar a influência do consumo de fibras e do diâmetro do corpo de prova. A resistência à tração varia linearmente com o consumo e o diâmetro do corpo de prova, verificando-se que a resistência do corpo de prova com diâmetro de 15 cm é 42 por cento menor que o de 5 cm. A energia de deformação não apresentou acréscimo significativo com o aumento do consumo de fibras de 40 kg/metro cúbico para 60 kg/metro cúbico. A análise do efeito escala mostra um decréscimo da resistência à tração com incremento da dimensão do corpo de prova, e os resultados se assemelham aos estudos realizados por Carpinteri (1995), mesmo com consumos de fibras distintos. Os 18 corpos de prova submetidos à tração direta têm a mesma dimensão, diferindo em resistência (20, 30 e 50 MPa) e consumo (20 kg/metro cúbico, 40 kg/metro cúbico e 60 kg/metro cúbico). Nesses foi avaliada a energia de deformação plástica e elástica. A região plástica não fica delineada para o consumo de 20 kg/metro cúbico apresentando um comportamento similar ao concreto convencional.

[en] This research presents an experimental study on the behavior of reinforced concrete specimens with steel fibers submitted to the splitting test and to direct tension. A total of 72 specimens were tested in the LEM-DEC PUC-Rio; 54 specimens with three different diameters and fiber consume for the diametral compression test and 18 with variations of fiber volume fraction for the direct tension test. The 54 specimens were divided into three groups according to their compressive strength (20, 30 and 50 MPa), each group having 18 specimens with variations of fiber volume fraction (20 kg / cubic meter, 40 kg / cubic meter and 60 kg / cubic meter and diameter (5 cm, 10 cm and 15 cm). The purpose was to investigate the tensile stress, the fracture energy and the size effect. The results allowed the analysis of the influence of the fibers and specimen diameter on each variable before mentioned. The tensile stress varies linearly with fiber volume fraction and diameter, and the resistance of the specimens with 15 cm in diameter is 42 per cent less than the resistance of the 5 cm specimen. The fracture energy was not increased significantly with the increase of fiber content from 40 kg fibers / cubic meter…

[pt] A análise das tensões em poços de petróleo é de extrema importância para a prevenção de acidentes durante as fases de construção e produção. As simulações devem aproximar-se ao máximo da realidade, representando da melhor forma as operações ao longo da vida útil do poço e, consequentemente, aumentando sua confiabilidade. Com esse objetivo, uma solução analítica é desenvolvida utilizando uma metodologia que simula a vida útil do poço. Nessa metodologia, consideram-se os efeitos das variações de temperatura em todo modelo e de poropressão na formação. Além disso, adotam-se os materiais em regime elástico, utilizando a hipótese de poço perfeitamente circular, vertical e com cargas uniformes. A solução analítica é calculada a partir das equações de Bradley para a perfuração, e de Lamé para as fases de descida do revestimento, cimento endurecido e produção. Nessa solução é feita uma compatibilidade de deslocamentos radiais entre as superfícies em contato, possibilitando o cálculo dos incrementos de tensão ao final de cada fase. Essa mesma metodologia é utilizada na modelagem por elementos finitos. A partir de dois estudos de caso, os resultados obtidos através das abordagens numérica e analítica são comparados. O primeiro estudo de caso representa um poço no Mar do Norte, e o segundo, um poço em um campo na Bacia de Santos, Brasil. Nos dois estudos de caso, são apresentadas as tensões radiais e tangenciais ao longo do revestimento, do cimento e da rocha, e também os índices de plastificação para o revestimento e para o cimento. No segundo estudo de caso, duas profundidades são avaliadas: no reservatório, considerando um revestimento, e em uma camada mais rasa, com dois revestimentos. Em ambos os estudos de caso, os resultados encontrados pela solução analítica são iguais aos obtidos pela solução numérica, validando, portanto, a solução analítica apresentada como uma alternativa para avaliação de tensões em condições ideais.

[en] The assessment of the wellbore stress state is extremely important in order to prevent accidents during construction and production phases. The methodology used in the models must be closer to reality, representing the wellbore lifespan operations, and consequently, enhancing the reliability of the wellbore. Thus, an analytical solution is developed using a methodology capable of simulating some of the main steps of the wellbore operations. In this methodology, the temperature and the pore pressure variations are considered. Besides that, it is used the assumption of circular and vertical wellbore under uniform loads, considering the elastic behavior of the materials. The analytical solution is developed using Bradley equation during the drilling step and Lamé equation during the construction and production steps. Therefore, the stresses after each step are calculated using the radial displacement compatibility between the surfaces in contact. This same methodology is used in the finite element model. Based on two case studies, the results obtained by the analytical and numerical solutions…

[pt] As fundações dos elementos de apoio de uma linha aérea de transmissão de energia elétrica situam-se ao longo de extensos traçados, onde diferentes condições de apoio para as estruturas são encontradas em razão da variação natural dos horizontes. Tal configuração pode levar alternativamente a se programarem estudos e sondagens especiais em cada local de suporte, fazendo crescer os custos e prazos de projeto, ou ao contrário, reduzindo drasticamente a investigação, com prejuízos evidentes ao planejamento, execução e economia da obra de implantação da linha de transmissão. Dessa maneira, são organizados e propostos procedimentos para avaliação do terreno segundo as suas orografia, hidrografia, geologia e pedologia e do ambiente atmosférico local, cujas manifestações são capazes de impor severas solicitações às torres e, indiretamente, às fundações. É eleita a região da bacia do rio da Prata para constituir o grande cenário do estudo, quer pela abundância de dados e informações disponíveis sobre linhas de transmissão já em carga, ou ainda em construção, nessa região. Assim sendo, desenvolve-se uma metodização para orientar o estudo dessas fundações, considerando o conjunto torre x terreno x fundação e buscando soluções técnicas convenientes e economicamente aceitáveis, atendendo assim ao binário desempenho-custo. Para as torres são considerados os modelos auto-suportados e estaiados, o terreno é variado entre algumas categorias identificadas na região e as fundações são representadas pelas superficiais, em sapatas, e pelas profundas do tipo tubulão. Buscando, ainda, auxiliar no aprimoramento dos projetos de fundações para suportes de linhas de transmissão, é desenvolvido um estudo de confiabilidade estrutural tendo como modelo algumas das fundações pré-selecionadas para a metodização primariamente desenvolvida. São determinadas as probabilidades de falha dessas fundações através do programa FERUM e, a partir do levantamento dos prejuízos financeiros causados pela falha desses elementos, determina-se o risco de falha. Por último, é desenvolvido um estudo paramétrico para avaliar a influência do projeto de fundação, do tipo de solo e da velocidade de vento sobre a probabilidade de falha.

[en] The transmission line tower foundations are executed following extensive paths, where different structural foundation conditions are found, in reason of natural horizontal ground layer variations. Then, one may alternatively to schedule and to execute special and specific studies or, conversely, to substantially reduce the geothecnical investigation, with sensible economical loses in the transmission line design and behavior. In such way, a methodology is proposed to evaluate conveniently the site according to its geology, orography , hydrography and pedology as well to related atmospheric local manifestations, able to submit severe mechanical solicitations to the towers and their foundations. In this way, one proposes a methodology to govern the study of these foundations, considering the tower x site x foundation relations…

[pt] Este estudo tem como objetivo avaliar a influência do desenvolvimento das propriedades mecânicas da pasta de cimento na integridade do poço de petróleo. Um modelo numérico foi desenvolvido para simular as diferentes fases de construção de poços, tais como perfuração, ação da fluência, reconstrução do revestimento e a hidratação do cimento. O comportamento da fluência do sal foi modelado através uma metodologia que combina o Duplo Mecanismo e a Lei da Potência. Duas fases foram consideradas para a pasta de cimento. Em primeiro lugar, a pasta de cimento foi idealizada como um fluido com um campo de tensão hidrostática. Durante as primeiras cinco horas após a cimentação, uma diminuição do campo de tensão hidrostática foi utilizada a fim de simular a retração autógena e a perda de água no processo. Quando a pasta de cimento foi considerada como elástico com um módulo de rigidez crescente ao longo do tempo quando solidificada. Na mudança de fase do fluido para sólido, um cuidado especial foi dado aos elementos que representam a pasta de cimento hidratada a fim de evitar a sobreposição de malhas. A nova lei de fluência do sal apresentou resultados precisos quando comparado aos valores obtidos em campo e a outros dados encontrados na literatura. No processo de hidratação, a redução das dimensões anulares foi observada. A taxa de deformação diminuiu com o aumento do módulo de rigidez da pasta de cimento. Mais importante ainda, esta deformação foi insignificante quando comparada com as dimensões do poço. Assim, a solidificação do cimento pode ser desconsiderada em simulações expeditas.

[en] The quality of the cement sheath plays a crucial role in the integrity of the oil well. This study aims at assessing the influence of cement hardening on deformations and stresses to which the sheath is submitted. A numerical model was developed to simulate the different stages of well construction such as drilling, creep action, casing reconstruction and - the focus herein - cement hardening. The salt creep behavior was modeled through a new methodology that combines the Double Mechanism with the Power Law. Two stages were considered for the cement. First, the cement was idealized as a fluid with a hydrostatic stress field. During the first five hours after cementation, a decrease in the hydrostatic stress field was employed in order to simulate the chemical shrinkage and loss of water in the hardening process. When hardened, the cement was considered to behave elastically with an increasing stiffness modulus over time. In the phase change from fluid to solid, special care was given to fitting the cement finite element mesh to the annulus, avoiding mesh overlapping. The new salt creep law showed accurate results when compared to field and other creep data. In the hardening process, the annular dimension reduction was expected and noticed. The deformation rate decreased with the increasing cement stiffness modulus. Most importantly, this deformation was negligible when compared with the dimensions of the well. Moreover, for…

[pt] O objetivo deste estudo foi ampliar o conhecimento em mecânica de rochas evaporíticas e aplicar a mecânica computacional na modelagem numérica do comportamento estrutural de poços de petróleo em zonas de sal. Amostras de rochas evaporíticas de anidrita, halita, carnalita e taquidrita pertencentes à sequência evaporítica Ibura da Formação Muribeca, testemunhadas em poços de petróleo, foram submetidas a ensaios laboratoriais de mecânicas de rochas, em especial a ensaios triaxiais de fluência sob diferentes condições de estado de tensões e temperaturas. Nas mesmas condições de ensaio triaxial de fluência a taquidrita desenvolveu deformação axial específica de cerca de 107 vezes maior que a halita e 2,7 vezes maior que a carnalita, sendo que a anidrita permanece essencialmente indeformável. Para os ensaios triaxiais de fluência com a halita na temperatura de 86 graus Celsius foi possível definir o mecanismo duplo de deformação por fluência, enquanto que para a carnalita e a taquidrita isto ocorreu nas temperaturas de 130 e 86 graus Celsius, respectivamente. A taxa de deformação por fluência em regime permanente obtida por simulação numérica reproduziu fielmente os resultados experimentais dos ensaios triaxias de fluência, com erro relativo inferior a 1 por cento. Através dos ensaios laboratoriais foram obtidos os parâmetros geomecânicos de fluência das rochas ensaiadas e a seguir aplicados nos modelos numéricos de simulação, construídos para avaliar a influência de diversos parâmetros nos estudos de estabilidade de poços e integridade de revestimentos. A desconsideração da interação geomecânica entre estruturas salíferas e o maciço hospedeiro pode conduzir a falhas na perfuração de poços próximos a tais estruturas devido ao processo de halocinése do sal que altera o estado de tensões gravitacional.

[en] The aim of this study was to increase knowledge of evaporitic rock mechanics and apply computational mechanics in numerical modeling of structural behavior of oil wells in areas of salt. Evaporitic rock samples of anhydrite, halite, carnallite e tachyhydrite and belonging to the evaporitic sequence Ibura from the Muribeca formation, coring in oil wells, were subjected to laboratory tests of rock mechanics, especially the triaxial creep under different states of stress and temperature. Under the same conditions of triaxial creep tachyhydrite developed specific axial strain rate about 107 times that of halite and 2.7 times that of carnallite, and anhydrite remains essentially undeformed. For the triaxial creep of halite in the temperature of 86 degrees Celsius it was possible to define the double mechanism creep law, while for carnallite and tachyhydrite this occurred at temperatures of 130 and 86 degrees Celsius, respectively. The creep rate in steady state condition obtained by numerical simulation accurately reproduced the experimental results of the triaxial creep tests, with a relative error less than 1 percent. Through laboratory tests geomechanical creep parameters of the tested rocks were obtained and then…

[pt] O Método Estendido dos Elementos Finitos (XFEM) consiste em uma técnica para modelagem explícita de fraturas. Este método carrega toda a estrutura do método dos elementos finitos e baseia-se no Método da Partição da Unidade. O método tem como essência a adição de funções de enriquecimento ao campo dos deslocamentos contínuos, de modo a representar descontinuidades no modelo. O referido método permite a inserção da fratura no modelo de forma independente da malha e apresenta a grande vantagem de não requerer a atualização da mesma à medida que a fratura se propaga. Neste trabalho, foi desenvolvida uma implementação do XFEM para análises bidimensionais de propagação de fraturas com base na Mecânica da Fratura Linear Elástica (MFLE). Essa implementação foi feita para o programa ABAQUS através da sub-rotina UEL. A propagação da fratura ocorre de forma automática em um único processamento. O critério de propagação da fratura adotado baseia-se nos fatores de intensidade de tensão. Estes, por sua vez, tem seus cálculos efetuados com uso da integral de interação na forma de domínio equivalente. Utiliza-se o critério da máxima tensão tangencial para determinação da direção de propagação. O modelo foi aplicado à análise de propagação de fraturas em estruturas com material quase-frágil. Obtiveram-se excelentes resultados na predição da trajetória de propagação da fratura, comprovando a aplicação vantajosa do XFEM na modelagem de fraturas em Modo I e em modo misto de carregamento em estruturas.

[en] The Extended Finite Element Method (XFEM) is a powerful technique for the explicit modeling of fractures. This method has the background of the Finite Element Method and is based on the Partition Unity Method. The essential idea of the method is the addition of enrichment functions to the displacement field approximation for the representation of the discontinuities in the model. The crack geometry is modeled independently of the mesh and remeshing with crack growth is unnecessary. This thesis presents an ABAQUS implementation of XFEM through the UEL subroutine for two-dimensional analysis of fracture propagation following the Linear Elastic Fracture Mechanics theory. Fracture propagation occurs in an automatic procedure. The fracture criterion is based on the stress intensity factors. The domain form of the interaction integral was used for the computation of the stress intensity factors and the maximum circumferential stress criterion was used to determine the fracture propagation direction. The model was applied to the analysis of the propagation of fractures in structures of quasi-brittle material. The implementation shows good results in the prediction of the fracture propagation trajectories and proves the efficiency of the XFEM in Mode I and mixed mode fracture analyzes.

[pt] Nessa dissertação, investiga-se através do método dos elementos finitos o processo de fratura em estruturas de materiais quase frágeis com base em modelos de representação explícita de fratura por meio de elementos de fratura coesiva. Para tanto, são apresentadas duas formulações distintas de elementos finitos com base na zona de fratura coesiva. A formulação do modelo do coesivo com base no potencial PPR e a formulação dos modelos coesivos Bi-linear e Linear exponencial. As modelagens numéricas e análises são realizadas no simulador Abaqus . Essas formulações são aplicadas à simulação da evolução de trincas em corpos de prova de concreto reforçado com fibras de aço em ensaios de tração, flexão e cisalhamento. Apresentando a aplicabilidade da metodologia a problemas reais de fratura em modo I, II e em modo misto. Através dessas análises foi demostrada a aplicabilidade da formulação de zona coesiva a representação de fratura em materiais quase frágeis. O potencial PPR e o modelo Linear exponencial foram os modelos mais adequados à simulação dos ensaios em concreto reforçado com fibra de aço.

[en] In this thesis, the fracture process in structures with quasi-brittle materials was investigated using the finite element method based on the cohesive zone model. Two different cohesive model formulations are presented: a potential formulation, the PPR model, and a formulation for the bi-linear and linearexponential models. These formulations were applied in the simulation of fracture propagation in concrete specimens reinforced with steel-fibers. The specimens were subjected to Mode I, II and mixed-mode loading through the direct tensile, shear and bending tests. The analyses were simulated in the Abaqus . The good applicability of the cohesive zone model for fracture propagation analysis in quasi-brittle materials were demonstrated with the performed simulations. The PPR potential model and the linear-exponential model presented better results in tests with concrete reinforced with steel-fiber specimens.

[pt] Esta pesquisa tem como objetivo o desenvolvimento de uma metodologia com base no método de elementos finitos para o estudo do problema de contato com atrito que surge na interação solo-duto no comportamento de dutos enterrados. O tratamento das restrições de contato e a incorporação da lei do atrito (tipo Coulomb) é feita através do Método da Penalidade, tomando como referência o trabalho de Laursen e Simo (2002), onde as restrições de contato são impostas de maneira aproximada com o uso de parâmetros de penalidade para as forças normal e tangencial no contato. As relações cinemáticas são descritas em termos de uma função diferenciável da distancia entre os corpos (gap). Para a discretização são empregados elementos hexaedricos de 8 nós com uma formulação híbrida - Enhanced Assumed Strain (EAS) e os efeitos de comportamento não-linear dos materiais envolvidos são considerados na presença de grandes deslocamentos e grandes deformações. A teoria da plasticidade é utilizada para modelar a natureza não-linear das relações constitutivas do duto. Aplicações considerando o problema de contato com atrito que surge na interação solo-duto são apresentadas.

[en] This research aims the development of a methodology based on the finite element method for 3D frictional contact problems such as the frictional contact problem that arises from the soil-pipe interaction of buried pipelines. The treatment of the contact restrictions and the incorporation of the friction law of the Coulomb type are carried out through a penalty method, where the contact restrictions are imposed in an approximated manner using penalty parameters for both normal and tangential forces. The cinematic relations are established in terms of the diferential funtion of the gap between bodies. Hexahedral eight-node elements are employed based on the Enhanced Assumed Strain (EAS) concept and the effects of the non-linear behavior of the materials are considered in presence of large displacements and large deformations. The theory of plasticity is used to model the non-linear nature of the constitutive relations of the pipe. Applications are presented considering the frictional contact problem that arises on the interaction surfaces of a buried structure such as an oil pipeline.

[pt] Este trabalho apresenta um estudo experimental de vigas curtas de concreto com fibras de aço sujeitas à flexão. Foram ensaiadas no LEM-DEC da PUC-Rio 24 vigas de concreto com fibras de aço com variação do comprimento dos vãos e do consumo de fibras. As vigas foram divididas em dois grupos, sendo o grupo I composto de 12 vigas com consumo de fibras de 40 kg/m3 e o grupo II por 12 vigas com consumo de fibras de 60 kg/m3. Para cada grupo foram executadas quatro vigas com vão de 300 mm, quatro com vão de 500 mm e quatro com vão de 800 mm, com seção transversal de 15 cm x 15 cm para estudo do efeito escala. As vigas foram submetidas à flexão e, através de gráficos, foram avaliados o comportamento da tensão tangencial, momento de flexão, energia de deformação, tenacidade, efeito escala e energia de fratura. Os gráficos obtidos permitem avaliar a influência das fibras para cada parâmetro supracitado. O grupo II apresentou maior resistência, sendo essa diferença pouco significativa. Entretanto, observa-se que, quanto menor o vão maior a influência das fibras, sendo esse acréscimo de 35 porcento para o vão de 300 mm, 30 porcento para o vão de 500 mm e 24 porcento para o vão de 800 mm. O maior consumo de fibras conferiu à matriz maior resistência à flexão e ao cisalhamento, mostrando sempre maior influência para os vãos menores. A energia de deformação e a energia de fratura apresentam diferença considerável para os vãos menores, chegando quase a se igualar nos dois grupos para o vão de 800 mm. Um aumento de desempenho foi observado na análise da tenacidade para o maior vão e houve uma diminuição desse desempenho para o vão de 300 mm. O efeito escala está presente no estudo, mostrando diminuição na resistência à tração com o aumento do vão.

[en] This paper presents an experimental study on short concrete beams reinforced with steel fibers in bending stress. A total of 24 reinforced concrete beams with steel fibers was tested at the LEM-DEC PUC-Rio with variations of length and fiber volume fraction. Two groups were created, group I, consisting of 12 beams with 40 kg/m3 of steel fibers and group II with 12 beams with 60 kg/m3 of steel fibers. In each group four beams with a length of 300 mm, four beams with a length of 500 mm and four beams with a length of 800 mm with cross section of 15 cm x 15 cm were tested with the purpose of investigating the scale effect in this case. The beams were submitted to bending aiming at investigating shear stresses, bending stresses, strain energy, toughness, scale effect and fracture energy. Comparative graphics were made to analyze the influence of the fibers on the reinforced concrete behavior regarding each parameter selected. Group II showed higher resistance, but not significantly. However the smaller the length the larger the influence of the fibers; 35 percent for the length of 300 mm, 30 percent for the length of 500 mm and 24 percent for the length of 800 mm. The largest fiber volume fraction gave the concrete higher resistance when submitted to bending and shear, even more…

[pt] A última etapa do sequestro e armazenamento de carbono (CCS) pode ser realizada pela de injeção de CO2 em reservatórios geológicos. Projetos de CCS fazem parte de uma série de técnicas para a mitigação dos gases do efeito estufa. Neste trabalho, uma metodologia semi-quantitativa para avaliação do risco da injeção de CO2 em reservatórios geológicos é apresentada. Essa metodologia é desenvolvida a partir da criação e utilização de uma matriz de risco. Essa matriz possui em uma direção categorias de severidade ajustadas de forma qualitativa e na outra direção categorias de probabilidade ajustadas a partir de análises probabilísticas. Os valores de risco de uma fonte de perigo são calculados pelo produto de suas severidades com suas probabilidades associadas. As fontes de perigo são problemas relacionados à injeção de CO2 que são selecionadas para análise de um cenário específico. As categorias de severidade são definidas por faixas de níveis de funcionamento de uma fonte de perigo. Diversos métodos de análise probabilística são investigados e a família de métodos do valor médio apresenta características favoráveis ao seu emprego em funções de estado limite complexas. A metodologia é aplicada em um estudo de caso ilustrativo. Com os valores de risco resultantes, faz-se a identificação da principal fonte de perigo e das variáveis aleatórias mais influentes. A avaliação da metodologia indica que ela é uma ferramenta poderosa para os analistas e tomadores de decisão, e tem potencial para auxiliar na fase de planejamento de projetos de CCS.

[en] The last stage of carbon capture and sequestration (CCS) can be performed by CO2 injection process in geological reservoirs. CCS projects belong to a number of ways to mitigate greenhouse gases. In this work, a semi-quantitative methodology to assess the risk of CO2 injection in geological reservoirs is developed. This methodology is based on the establishment and application of a risk matrix. This matrix has in one direction severity categories set in a qualitative way and in the other direction probability categories set from probabilistic analysis. The risk values of a hazard source are calculated by the product of their severities with their associated probabilities. Hazard sources are problems related to the injection of CO2 that are selected for a specific scenario analysis. The severity categories are defined by operating level ranges of a hazard source. Several probabilistic analysis methods are investigated and the family of the mean value methods shows characteristics favoring their use in complex limit state functions.The methodology is applied in an illustrative case study. With the resulting risk values, the identification of the main hazard source and the most inuential random variables are made. Assessment of the methodology indicates that it is a powerful tool for analysts and decision makers, and it has the potential to assist in the CCS project planning phase.

[pt] O método dos elementos discretos (MED), desenvolvido na década de 70, tem despertado, com o aumento da capacidade de processamento e o desenvolvimento de técnicas de computação de alto desempenho, crescente interesse de diversos pesquisadores como ferramenta de estudo de problemas de engenharia. Um campo de estudo de grande apelo é a modelagem de fenômenos associados a materiais granulares, dentre eles a compacta ção de pacotes granulares - como por exemplo em pós metálicos na indústria siderúrgica - , a produção de areia e a produção de material de sustenta ção de fraturas estimuladas hidraulicamente na indústria do petróleo, motivação deste trabalho. A aplicação do método requer em sua primeira etapa a geração da configuração inicial das partículas ou o preenchimento de domínios com as mesmas. Alguns estudos têm se voltado para o desenvolvimento de algoritmos de geração de arranjos densos de partículas. Neste trabalho apresenta-se um algoritmo geométrico de geração de arranjos densos de partículas que correspondam a uma dada curva granulométrica e estejam de acordo com outros parâmetros definidos para o pacote granular. No presente trabalho é dada atenção especial a geração de arranjos bidimensionais de discos para modelar o fenômeno de preenchimento de fraturas em poços estimulados por fraturamento hidráulico. O refluxo desse material com o bombeamento de óleo é uma das principais causas de declínio de produção de petróleo em poços fraturados, além de causar danos ao equipamento. O algoritmo proposto foi implementado em linguagem Java e a otimização dos arranjos segundo a porosidade foi realizada através da aplicação de algoritmos genéticos. Aplicações do algoritmo a alguns arranjos de partículas e ao problema de preenchimento de fraturas são apresentados.

[en] The Discrete Element Method (DEM), developed in the 70’s, has become more a attractive with the increasing computer processing capacity and the development of high-performance computational techniques. This scenario induced growing interest of many researchers as a tool to study engineering problems. A very appealling field of study is the modeling of phenomena associated with granular materials, including the compaction of granular packages, such as metal powders in the steel industry, sand production and proppant flowback in the petroleum industry, which is motivation to this work. The application of the method in its first step requires the generation of the particles’ initial configuration or the filling of domains with them. Some studies have focused on the development of algorithms to generate dense packing of particles. This work presents an algorithm to generate random dense packing of particles that correspond to a given granulometric curve and are consistent with other parameters set for the granular package. In the present work special attention is given to generation of two-dimensional packings of disks to model the phenomenon of fractures filling in wells stimulated by hydraulic fracturing. The proppant flowbak generated by the oil…

[pt] Diversos acidentes envolvendo dutos submarinos já aconteceram no Brasil como o do Gasoduto PCR-01/Lubnor e o da plataforma P-55 de 2,3 km no campo de Roncador, na Bacia de Campos. Esses acidentes ocorrem em muitos casos devido à flambagem, à fadiga, ao intenso processo corrosivo, à deficiência de projeto, a falta de manutenção dos mesmos. Os dutos submarinos representam uma alta porcentagem no custo total de uma unidade de extração de petróleo. Sua importância se torna vital para a extração de petróleo em águas territoriais brasileiras. Seu projeto estrutural é uma atividade que pode ser dividida em várias etapas que devem ser seguidas à risca para garantir a conformidade do mesmo com as normas nacionais e internacionais sua operação em um dos mais inóspitos cenários da natureza: o fundo do mar. Nesta situação, o duto fica sujeito a carregamentos extremos, tanto estáticos quanto dinâmicos. Por este motivo, ele é constituído de uma estrutura de camadas bastante complexa. O objetivo deste trabalho é a avaliação das condições de operação de dutos submarinos sujeitos à ação de ondas e correntes marinhas. Um estudo paramétrico em elementos finitos é realizado para compreender a influência das condições de contorno, diferentes comprimentos de vão livre do duto submarino e variações do tipo de solo na resposta dinâmica do duto submarino. È desenvolvida também uma solução analítica para o problema. As soluções numérica, analítica e as recomendações da norma são confrontadas e tiradas conclusões sobre os principais fatores a serem considerados pelos engenheiros envolvidos na construção de estruturas deste tipo.

[en] Several accidents involving subsea pipelines have happened in Brazil as the pipeline PCR-01 / Lubnor and the P-55 platform 2.3 km in the Roncador field in the Campos Basin. These accidents occur in many cases due to buckling, fatigue, the intense corrosive process, design deficiency, lack of maintenance. The submarine pipelines represent a high percentage in the total cost of an oil extraction unit. Its importance becomes vital for the extraction of oil in Brazilian waters. Its structural design is an activity that can be divided into several steps that must be followed strictly to ensure its conformity with national and international standards operation in one of the harshest scenes of nature: the seabed. In this situation, the product is subject to extreme loads, both static and dynamic. For this reason, it consists of a complex layer structure. The objective of this study is the evaluation of the operating conditions of submarine pipelines subject to the action of waves and currents. A parametric study of finite element is performed to understand the influence of the boundary conditions, different span lengths of submarine pipeline and variations of soil type on the dynamic response of submarine pipeline. It is also developed an analytical solution to the problem. The numerical solutions, analytical and standard recommendations are compared and conclusions drawn on the main factors to be considered by…

[pt] Reservatórios de petróleo e gás estruturalmente compartimentados por falhas geológicas selantes são encontrados em diversas regiões do mundo. Durante a fase de explotação, a integridade do selo destas falhas pode ser comprometida pelas deformações decorrentes dos processos de depleção e/ou injeção de fluidos. Estas deformações, em conjunto com as propriedades físicas e geométricas das rochas e falhas presentes, podem alterar significativamente o estado de tensões do maciço rochoso fazendo com que uma falha reative e se torne hidraulicamente condutora. A esse fenômeno estão associados riscos de exsudação, perda de integridade de poços e outros potencias problemas geomecânicos. Na literatura, diversas modelagens numéricas têm sido utilizadas a fim de caracterizar e prever os fenômenos de reativação e/ou abertura de falhas geológicas. A maior parte de estas abordagens faz uso de modelos bidimensionais considerando seções críticas na hipótese de estado plano de deformação. Essas simplificações são adotadas a fim de evitar a complexidade geométrica e o alto custo computacional de uma modelagem tridimensional. No entanto, a configuração tridimensional dos planos de falha pode induzir a reativação em direção a zonas mais críticas do que aquelas contidas numa única seção. Neste trabalho apresenta-se uma metodologia para análise de reativação de falhas geológicas e discute-se a importância do uso dos modelos 3D na previsão do comportamento geomecânico de reservatórios compartimentados por falhas geológicas. São apresentados 3 modelos diferentes. O primeiro exemplo traz um modelo bidimensional apresentado na literatura, faz-se uma comparação dos resultados com representação por meio do elemento de interface, por meio do continuo equivalente e por meio de um elemento solido com fraturas embutidas. O segundo exemplo faz-se um comparativo entre a utilização de elementos quadrilaterais e triangulais para a representação da falha em modelos 3D. Para o terceiro modelo foram realizadas simulações numéricas considerando modelos 2D e 3D em um simulador in-house baseado no método dos elementos finitos. Para a representação do meio continuo foram utilizados elementos quadrilaterais para o caso 2D, e elementos hexaédricos e tetraédricos para o caso 3D. Para a representação das falhas geológicas foram utilizados elementos de interface de espessura nula segundo o critério de ruptura de Mohr-Coulomb. Da comparação dos resultados, constata-se que as análises 2D e 3D forneceram previsões de reativação similares. No entanto, as previsões de pressões de abertura foram distintas em ambos os modelos devido às diferentes trajetórias de migração de fluido. Particularmente em modelos com geometria irregular confirma-se a importância do emprego de modelo 3D.

[en] Oil and gas reservoirs that are structurally compartmented by sealing geological faults are common in several areas around the world. During production, the deformations from the processes of fluid depletion and/or injection can compromise the integrity of the seal of the faults. This…

[pt] Compressores de gás de grande porte são componentes fundamentais em plantas industriais de refino de petróleo, atuando principalmente como agentes fornecedores de energia mecânica aos processos químicos. Dentre os tipos de compressores, destacam-se os alternativos. Devido a exigências de processo químico e arranjo industrial, é comum a instalação desses equipamentos em estruturas aporticadas, fato que, associado às características do movimento de suas partes mecânicas, não raramente as cargas dinâmicas geradas provocam vibrações inadmissíveis. Neste trabalho é avaliado o comportamento dinâmico de um sistema formado por uma estrutura aporticada, por compressor alternativo, pela fundação em estacas e finalmente pelo próprio solo. O estudo paramétrico realizado se desenvolve a partir de uma análise de modelos simplificados massa-mola, de um modelo em elementos finitos e de medições de campo visando a estabelecer intervalos de valores dos parâmetros do solo local dentro dos quais se identifique as características da resposta dinâmica do sistema. São avaliados os parâmetros coeficiente de mola (km) e a constante do coeficiente de reação horizontal (nh) do solo natural típico da área abrangida pela refinaria REPAR, localizada no município de Araucária, no estado do Paraná, solo esse pertencente à formação geológica denominada Guabirotuba. A avaliação do comportamento dinâmico do sistema através dos modelos desenvolvidos é balizada por valores de medição na estrutura real de velocidades de vibração efetivas, obtidas por instrumentação. Os parâmetros do solo são obtidos por retroanálise de resultados de ensaio de campo, utilizando-se dois modelos amplamente utilizados nos escritórios de projeto: modelo proposto por Miche (1932) e modelo proposto por Hetenyi (1946). O primeiro considera que os parâmetros do solo variam com a profundidade, e o segundo os considera constante com a profundidade. Busca-se avaliar também a influência de parâmetros do solo obtidos através de ensaios de carregamento estático (ABNT NBR 12131, 2006) e obtidos através de ensaios de carregamento estático cíclico, este último se propondo a simular o efeito dinâmico sobre o solo. Finalmente, compara-se os resultados fornecidos pelos modelos simplificados e pelo modelo em elementos finitos em termos das freqüências naturais de vibração.

[en] Gas compressors are key components of industrial plants in oil refining, mainly acting as mechanical energy suppliers to chemical processes. Among the types of compressors, the reciprocating ones is highlighted. Due to mandatory demands of chemical process and industrial arrangement, it is common to install such equipment in framed structures. This condition and the typical movement of mechanical parts of the compressors generate dynamic loads which frequently causes unacceptable vibrations. The aim of the present work is to evaluate the dynamic behavior of a system consisting of a framed structure, a reciprocating compressor, foundation in piles and the soil itself. For this purpose, parametric study is…

[pt] O processo de fraturamento de materiais quase-frágeis requer atenção especial para a predição da direção de propagação de fraturas. A simulação do fraturamento com o método dos elementos finitos (MEF) tem como desvantagem a dependência da trajetória da fratura com respeito à malha adotada. Além disso, há certa dificuldade para os modelos numéricos representarem a fratura em modo misto por conta dos parametros envolvidos. O Método dos Elementos Finitos Estendido (XFEM) é uma técnica que combina o MEF com funções de enriquecimento para representar descontinuidades no campo de deslocamentos. Neste contexto, discutem-se nesta dissertação os critérios para a nucleação e propagação de fraturas e sua implementação no contexto do XFEM. As implementações foram feitas no framework GeMA, um software desenvolvido no Tecgraf / PUC-Rio. Os critérios de propagação de fraturas implementados baseiamse na abordagem das tensões e permitem controlar diferentes geometrias e tamanhos da área de avaliação na ponta da trinca. Um estudo paramétrico é apresentado para modelar uma viga de concreto sob carregamento não proporcional com fratura em modo misto. Foram consideradas diferentes questões como: discretização da malha, zona de avaliação, iniciação e propagação de fraturas e técnicas de controle de solução. Além disso, outros modelos com diferentes condições de contorno foram analisados para validar os critérios em situações complexas. As constatações paramétricas obtidas através do estudo da viga se monstraram válidas para os demais modelos avaliados. As implementações dos critérios de propagação de fraturas no XFEM, demonstraram excelentes concordâncias nas simulações das trajetórias de fraturamento, comparado com os dados experimentais.

[en] The fracture process of quasi-brittle materials requires special attention for the prediction of the direction of fracture propagation. The fracture simulation with the finite element method (FEM) has as its disadvantage the dependence of the fracture trajectory with respect to the mesh adopted. Besides, there is some difficulty for numerical models to represent the fracture in mixed mode because of the parameters involved. The Extended Finite Element Method (XFEM) is a technique which combines the FEM with enrichment functions to represent discontinuities in the displacement field. In this context, this dissertation discusses the criteria for nucleation and propagation of fractures and their implementation in the context of XFEM. The implementations were made in the GeMA framework, a software developed at Tecgraf / PUC-Rio. The implemented crack growth criteria is based on the stress approach and allows to control different geometries and sizes of the evaluation area in the crack tip. A parametric study is presented for modeling a concrete beam under nonproportional loading with mixed-mode fracture. Different situations were taken into account such as mesh refinement, geometry and size of the evaluation region, crack initiation and propagation and solution control techniques. Also, several…

[pt] A representação do comportamento de materiais elastoplásticos a partir de modelos com múltiplas superfícies de plastificação é uma alternativa para representar o comportamento de materiais como concreto, rochas e solos, que apresentam diferentes tipos de resposta não linear, a depender do estado de tensão atuante. No entanto, o emprego desses modelos requer a definição de muitos parâmetros que, por vezes, não possuem significado físico. Além disso, a implementação de modelos elastoplásticos com multiplas envoltórias traz complexidades adicionais. O emprego desse tipo de modelo requer um esquema robusto de integração das equações de evolução das variáveis plásticas. Nessa pespectiva, é apresentado um algoritmo de mapeamento de retorno baseado em um método de otimização sem restrições, o método de Newton-Raphson com busca unidimensional. Propõe-se uma expressão para o tensor constitutivo elastoplástico consistente para modelos com múltiplas superfícies de plastificação. Adicionalmente, apresenta-se uma metodologia de calibração dos parâmetros de tais modelos a partir da solução de um problema de otimização, solucionado via algoritmo genético. Para melhor compreender os parâmetros envolvidos nesse algoritmo, desenvolve-se um estudo paramétrico, solucionando uma série de problemas de otimização global. A robustez e eficácia dos algoritmos são avaliadas por meio de aplicações, dentre elas algumas disponíveis na literatura, num modelo constitutivo idealizado para concreto, rochas e solos: Cap Model. Por fim, calibrase tal modelo, considerando dados experimentais disponíveis na literatura. Assim, este trabalho tem como objetivo contribuir para viabilizar o emprego de modelos elastoplásticos complexos em problemas de engenharia.

[en] Elastoplastic models with multiple plastic surfaces is an alternative to represent the nonlinear behavior of materials such as concrete, rocks and soils. The nonlinear response of these materials depends highly on the stress state. However, these models require the definition of many parameters which do not always have physical meaning. In addition, the implementation of elastoplastic models represented by multiple plastic surfaces brings additional complexities to the analysis. The use of this type of model requires a robust numerical integration scheme of the elastoplastic evolution equations. This work presents two contributions. The first contribution is a robust return mapping algorithm for a multisurface plasticity model in general stress space known as closest point projection algorithm. The return mapping algorithm is based on a numerical method for unconstrained optimization. In this scenario, it is adopted the Newton-Raphson method with line search. A consistent tangent modulus for multisurface plasticity is also proposed. The second contribution is a methodology for parameter calibration. This methodology is formulated as an optimization problem, with the solution obtained through a genetic algorithm. A parametric study is developed in order to better undestand specific…

[pt] Nos últimos anos, os materiais compósitos cimentícios vêm ganhando destaque na indústria da construção civil. Suas excelentes propriedades mecânicas e contribuição para o controle de propagação de fissuras são um atrativo para seu emprego como material de construção. No entanto, normas técnicas para projeto envolvendo estes materiais e estruturas ainda não são consagradas. Uma melhor compreensão do comportamento de materiais cimentícios com adição de fibras requer o estudo de suas fases e da interação entre elas. Análises em diferentes escalas possibilitam esta representação. Tensões e deformações, dano e iniciação de fissuras ocorrem na escala das heterogeneidades e ajudam a explicar e prever o comportamento do concreto em uma escala macroscópica. A modelagem e simulação do comportamento destes compósitos é complexa e desafiadora. Para tal, é necessário definir os principais mecanismos que descrevem o comportamento do material de modo a escolher a descrição matemática adequada. Esta dissertação propõe metodologias para a modelagem numérica multiescala de materiais compósitos cimentícios. A partir de informações obtidas na escala do material, busca-se compreender melhor o comportamento global do compósito. Para isto, serão desenvolvidos métodos numéricos e computacionais baseados no Método dos Elementos Finitos, em técnicas de Inteligência Artificial e nos conceitos da Mecânica do Dano Computacional. Na macroescala, um modelo contínuo equivalente é desenvolvido através de técnicas probabilísticas e de Inteligência Artificial. Na mesoescala, duas abordagens são propostas. A primeira inclui as fibras através de elementos de interface, e a segunda através de um novo elemento compósito fibra-matriz. Os modelos desenvolvidos permitem avaliar a evolução do dano, o processo de propagação de fissuras, e o comportamento global carga-deslocamento do compósito até a ruptura. Resultados experimentais da literatura suportam as conclusões do trabalho.

[en] In recent years, fiber reinforced cement-based materials have gained relevance in the civil engineering industry. Due to its excellent mechanical properties and contribution to crack propagation control, there is a great appeal to its usage as a construction material. However, technical standards for fiber reinforced concrete are still not established. A better understanding of the behavior of cement composite materials requires the representation of the material phases and their interfacial behavior. Stresses and strain distributions, damage evolution and fracture initiation develop at the observation scale of the heterogeneities and help to explain and predict the behavior of concrete at a macroscopic level. The numerical modeling of these composites emerge as challenging and complex problems. For this, it is necessary to define the main mechanisms that describe the material behavior in order to choose the proper mathematical formulation. This dissertation proposes methodologies for the numerical modeling of cement composite materials in a multiscale approach. From the…

[pt] Este trabalho apresenta uma metodologia para a determinação da localização ótima de suportes em linhas de tubulação de centrais nucleares, visando minimizar o número de suportes empregados. Incorporam-se a esta metodologia os critérios e restrições de projeto descritos em normas e relatórios técnicos específicos para sistemas de tubulações de centrais nucleares. Por exemplo, a localização dos suportes estruturais deve ser efetuada de tal forma que as tensões atuantes nos elementos da linha de tubulação, devido aos vários carregamentos impostos, estejam dentro dos limites especificados no código da ASME- American Society of Mechanical Engineers e da ANSI- American National Standards Institute e que os deslocamentos da linha de tubulação não excedam o valor do deslocamento máximo admissível. A etapa de análise para obtenção dos esforços e deformações é realizada utilizando-se um programa de elementos finitos, KWUROHR, desenvolvido pela Siemens especificamente para análise de tubulações. Empregam-se na modelagem dos tubos elementos de viga. A partir de uma análise preliminar formula-se o problema de otimização topológica com restrições de geometria, tensões e deslocamentos. A solução deste problema se dá empregando-se técnicas de programação matemática, mais especificamente, programação quadrática recursiva. Os esforços e deformações finais são obtidos por meio de nova análise para o sistema otimizado.

[en] This work presents a methodology for the determination of the optimal support locations for nuclear power plant pipelines. The objective here is to minimize the number of supports taking into account the specific design criteria present in the codes and regulatory guides for these special structures. The stress analysis is performed with a finite element program, KWUROHR, developed by Siemens specifically for the analysis of pipelines. On the tube modeling beam elements are employed. From a preliminary stress analysis performed on a trial structure, the topology optimization problem is formulated. Stresses and displacements, as well as the sensitivity analysis, obtained for this structure are the inputs for the optimization procedure. The solution of the optimization problem is obtained with mathematical programming techniques, more specifically with recursive quadratic programming. Final stresses and deformations are obtained through reanalysis of the optimal structure.

[es] Este trabajo presenta una metodología para la determinación de la localización óptima de los soportes, en líneas de tuberías de las centrales nucleares, minimizando el número de soportes empleados. Se Incorporan a esta metodología los criterios y restricciones del proyecto, que están descritos en las normas e informes técnicos específicos para sistemas de tuberías de centrales nucleares. Por ejemplo, la localización de los soportes extructurales debe ser efectuada de tal forma que las tensiones que actúan en los elementos de la línea de tubería, debido a las cargas impuestas, estén dentro de los límites especificados en el código de…

[pt] A viabilidade da exploração de um campo petrolífero está associada às características produtivas da formação, obtidas mediante o desenvolvimento e a aplicação de técnicas capazes de aumentar a economicidade dos poços. A técnica de estimulação mais utilizada atualmente é o fraturamento hidráulico, que tem como uma das etapas principais a injeção de um material granular, denominado de propante, para a manutenção da abertura da fratura. Tal técnica tem como obstáculo o refluxo do propante para o interior do poço (proppant flowback), ocasionando diversos problemas que podem levar à interrupção da produção do mesmo. Alguns modelos teóricos e empíricos foram desenvolvidos para a previsão desse fenômeno, mas os mecanismos que o governam não são ainda claramente explicados. Alguns fatores que influenciam na produção de propante são largura da fratura, tensão de fechamento, gradiente hidráulico e características do propante. O refluxo de propante não é considerado nos procedimentos atuais de projeto de fraturamento hidráulico. Nessa dissertação de mestrado foi desenvolvida uma ferramenta computacional com uma arquitetura orientada a objeto, em linguagem de programação Java, para a análise de estabilidade do propante no interior da fratura com base em modelos empíricos e teóricos. Além disso, foi investigada a influência da inclusão de restrições no projeto de fraturamento de modo a prevenir o fenômeno. Busca-se, desse modo, a obtenção de melhores projetos de fraturamento hidráulicos com prevenção do refluxo de propante, garantindo a produtividade do poço e prolongando sua vida útil.

[en] The viability of the exploration of an oil field is associated with the productive characteristics of the formation, guaranteed by means of the development and application of techniques capable of increasing the productivity and the economy of the oil fields. The currently most used stimulation technique is hydraulic fracturing, by which one of the main stages is the injection of a granular material called proppant to keep the fracture open and enhance fracture permeability. This technique presents as a drawback the phenomenon known as proppant flowback. The proppant is carried to the inside of the well causing many problems which can lead to production interruption. Some empirical and theoretical models for its prediction have been developed, however the mechanisms that govern it are still not clearly explained. Parameters that are related to proppant flowback are fracture width, closure pressure, drag force and proppant characteristics. Proppant flowback prediction is not included in today s procedures of the hydraulic fracturing project. In the present work a computational tool for proppant stability analysis was developed based on empirical and theoretical prediction models. This tool has an object oriented architecture written in Java language. The influence of the introduction of restrictions to prevent proppant production in the hydraulic fracture design procedure was also investigated. In this way, it is aimed to obtain…

[pt] O presente trabalho trata do desenvolvimento de uma modelagem numérica para estruturas cilíndricas com materiais compósitos. Uma classe especial de materiais compósitos, os materiais com gradação funcional (FGM), também é investigada. O modelo constitutivo adotado para o material compósito é baseado na regra das misturas. Esta metodologia é aplicada na análise de reparo e reforço de dutos, considerando as solicitações usuais de campo, notadamente as decorrentes da variação de temperatura e das pressões internas, bem como os efeitos da interação solo-estrutura. O sistema duto-reforço é modelado como elemento de viga conforme o método dos elementos finitos, e as tensões na seção são integradas numericamente. Para tanto, o material, tanto do duto quanto da camada de reforço, é admitido com comportamento elastoplástico. Alguns exemplos, simulando as condições típicas, são apresentados e discutidos, de maneira a avaliar o comportamento dos dutos recuperados com materiais compósitos, e a propor a solução mais eficiente no dimensionamento da camada de reforço, inclusive em termos do material com gradação funcional.

[en] This work presents a numerical model for the investigation of pipe constituted by composite materials. A special class of composite materials, functionally graded materials (FGM), is considered. The composite material model is based on the rule of mixture and an elastoplastic material behavior is incorporated. A finite element model based on the beam element discretization is employed, by which the section integration allows the representation of the non-linear material behavior. This methodology is applied to the analysis of reinforced and repaired pipelines. The soilstructure interaction, accomplished through transversal and longitudinal springs, besides transversal, axial and pressure loading are incorporated. Some examples, simulating the conditions in field, are shown and discussed in order to evaluate the behavior of reinforced pipes, proposing the soluction more efficient in modeling of the reinforcement, included in terms of the functionally graded materials .

[pt] Ligações semi-rígidas em estruturas de aço tem apresentado uso crescente na construção metálica, pois é uma opção que permite um melhor aproveitamento da capacidade da estrutura. Neste trabalho apresentam-se as características e a classificação das ligações semi-rígidas bem como a evolução da modelagem numérica e analítica do comportamento destas ligações. Apresenta-se uma metodologia com base no método dos elementos finitos para avaliar numericamente a relação momento-rotação de conexões viga-coluna em estruturas de aço. Parte essencial desta metodologia é a modelagem da ligação e de seus diversos componentes. Um modelo completo em termos da geometria, capaz de representar a interação entre os diversos componentes da conexão é proposto. Esta modelagem inclui a discretização de todos os componentes da conexão: placa e ou cantoneiras, porcas, coluna e viga, sendo a extensão da viga e da coluna a ser considerada no modelo escolhida por calibração do mesmo. O contato entre os componentes da ligação é considerado por meio de algoritmo específico de contato com base na formulação de um problema linear complementar. Considera-se contato sem atrito entre corpos deformáveis. A fim de representar com mais fidelidade as características tridimensionais do problema, adota-se uma modelagem também tridimensional com base em elementos finitos híbridos hexaédricos de oito nós, permitindo o emprego de uma discretização relativamente grosseira. Fenômenos como a presença de grandes deformações, plastificação dos componentes e a pré-tensão dos parafusos são incluídos no modelo. Os modelos apresentados são empregados para o estudo do comportamento de ligações tipo placa de extremidade estendida e tipo cantoneira de alma simples. Para validação dos modelos são comparados os resultados numéricos com dados experimentais. Analisa-se também a participação da flexibilidade dos diversos componentes da conexão, tais como: parafuso, placa de extremidade, mesa da coluna, na resposta da conexão.

[en] Semi-rigid connections are now-a-days widely employed by steel structures. Such connections take better advantage of the overall structure capabilities. In this work the properties and classification of semi-rigid connections is discussed. Additionally numerical and analytical models for prediction of connection behavior are presented. A finite element based methodology for the numerical evaluation of moment-rotation relations and load carrying capacity of semi-rigid connections is proposed. An important feature of this model is a complete a three dimensional geometrical description of the many components of the connection, such as plates, column, beam, bolts and nuts and the interaction between them. The extension of beam and column to be modeled is determined by numerical calibration. Frictionless contact between the connection components is considered by a specific contact algorithm which ensures non- penetration and permits separation of the individual parts. In this work a solution strategy for the contact problem based on the…

[pt] A alvenaria é um material largamente utilizado, e é fundamental a realização de pesquisas para caracterizar seu desempenho e elevar a sua utilização a um aspecto mais estrutural, não apenas funcional (separação de ambientes). Neste trabalho é apresentada uma modelagem em elementos finitos para estruturas de alvenaria. Utilizando um modelo numérico sofisticado com base no Método dos Elementos Finitos, associado a um modelo constitutivo adequado, busca- se uma representação mais real do comportamento destas estruturas. A modelagem da alvenaria consiste na representação do comportamento dos tijolos e da argamassa, assim como da interação entre eles. Elementos de interface apresentam- se como uma escolha natural para a descontinuidade física, intrínseca ao problema. Adicionalmente, eles podem representar fissuras provenientes tanto do modo I quanto do modo II, as quais representam aberturas potenciais e deslizamentos no plano, respectivamente. Para isso é necessário acoplá-los a modelos constitutivos que detectem os diversos modos de ruptura do sistema. Também são necessárias avançadas estratégias de solução que permitam seguir a formação de deformações localizadas. Como estratégias empregadas pode-se citar o controle de deslocamentos direto, controle de deslocamento relativo e controle de comprimento de arco. Neste trabalho, um modelo elasto-plástico baseado no critério de escoamento de Mohr-Coulomb foi escolhido para a representação da interface de argamassa. Exemplos foram analisados comparativamente com resultados numéricos e experimentais.

[en] Since masonry is a widely employed material, it is fundamental to better characterize its structural performance and extend its use beyond functional applications (separation of environments). In this work a finite element model for masonry structures is presented. By using a sophisticated numerical tool based on the finite element method, associated to suitable constitutive models, the behavior of these structures is represented in a more realistic way. Masonry modeling consists in representing the behavior of bricks and mortar, as well as the interaction between them. Interface elements present themselves as a natural choice for representation of the intrinsic physical discontinuities of the problem. Additionally, they can represent cracks arising from either mode I or mode II fracture, which represent potential opening and sliding planes, respectively. This requires the coupling of interface elements with constitutive models which embrace several system failure modes. In this work, an elasto-plastic model based on the Mohr- Coulomb yield criteria was chosen for the representation of the mortar interface. The brittle response of these structures often leads to localized failure modes. Advanced strategies of solution that allow us to follow the formation of localized strains are employed, namely displacement control, relative displacement control and the arc-length method. Application of this numerical tool to some numerical examples is shown and compared to…

[pt] Dutos são sistemas eficientes e seguros para o transporte de óleo e gás. O estudo da capacidade de carga de dutos em condições de serviço envolvendo o transporte de produtos agressivos e sujeitos a altas temperaturas e pressões ganha atualmente maior interesse dada a severidade das condições de operação e a crescente necessidade de manutenção e adaptação dos dutos existentes às condições atuais de serviço. No entanto,a presença de defeitos e imperfeições em segmentos de dutos pode ocasionar a redução na resistência do mesmo e eventualmente sua falha. Este trabalho tem como objetivo a previsão do comportamento de dutos sujeitos a cargas combinadas, tendo em vista os carregamentos que podem ocorrer em campo. São contemplados nestes carregamentos efeitos térmicos, movimentos geotécnicos,pressão de operação. No caso de assentamento de solo, o duto pode estar submetido a efeitos de flexão que resultam em curvaturas excessivas. Como consequência ocorre a flambagem local do duto e desenvolvem-se rugas. Nestas condições podem surgir deformações acima dos valores limites estabelecidos em normas.Tendo em vista a natureza tri-dimensional do problema e a investigação do fenômeno de flambagem local, faz-se necessário o entendimento do comportamento tridimensional de cascas em condições de grandes deslocamentos e grandes deformações em regime elasto- plástico.Neste trabalho desenvolvem-se alguns modelos para a previsão do comportamento de dutos submetidos a cargas combinadas. Procura-se reproduzir as condições de ensaio de laboratório de modo a se desenvolver um modelo de previsão confiável. Para tal foram tomados como referência alguns resultados de ensaios disponíveis na literatura. Aspetos de modelagem de condições de contorno e carregamento são enfocados. Dado o desenvolvimento de rugas e de grandes deformações estão presentes também outros aspectos importantes da modelagem como o aparecimento de regiões de auto-contato nas rugas.Alguns exemplos numéricos analisados com o programa comercial de elementos finitos ABAQUS são apresentados.

[en] Pipelines are efficient and safe systems for the transport of oil and gas. The study of the load capacity of these systems under functional conditions which include the transport of aggressive products under high temperatures and pressures has gained larger interest due to the severe operation conditions and growing needs for maintenance and adaptation of the existing pipelines to these conditions. However, the presence of defects and imperfections in pipe segments may lead to reduction of resistance and eventually to failure. The scope of this dissertation is the prediction of the behavior of pipelines subjected to combined load conditions and sequences till collapse, reproducing those which occur on field and in laboratory tests. Axial forces, internal pressure and bending are applied to the model in order to reproduce thermal effects, operating pressure and ground movements. In the case of soil settlement the pipeline may be subject to bending effects which result in excessive…

[pt] Dutos são sistemas amplamente utilizados para o transporte de óleo e gás. Desta forma, é importante que o mesmo opere com eficiência e segurança. Com o passar do tempo os dutos podem sofrer danos que podem causar prejuízos à sua integridade estrutural e, consequentemente, prejuízo financeiro às indústrias que os operam. Uma das formas mais comuns de danos presentes nos dutos é a corrosão. Esta pode comprometer a sua capacidade de carga. Com isto, a determinação da resistência remanescente de dutos corroídos tornou-se objeto de estudo de vários pesquisadores em todo o mundo. Métodos empíricos utilizados para esta determinação foram desenvolvidos e estão disponíveis na literatura, e muitos deles são aplicáveis apenas em dutos submetidos à pressão interna. Entretanto estes métodos se mostram, em geral, bastante conservadores nesta determinação. Assim, métodos alternativos têm sido desenvolvidos baseados no método dos elementos finitos. Este trabalho tem como objetivo avaliar a capacidade de carga de dutos corroídos submetidos a carregamentos combinados que tentam simular os que ocorrem no campo. Estes carregamentos são: pressão interna, momento fletor e cargas axiais. Carregamentos axiais são provenientes da variação de temperatura e do efeito Poisson existente nas extremidades dos dutos devido à pressão interna. Neste trabalho realizou-se a modelagem de dutos submetidos à carregamentos combinados, onde se tentou reproduzir ao máximo as condições de ensaio. Tomou-se como base ensaios experimentais e numéricos encontrados na literatura. Aspectos globais sobre a modelagem são detalhados. A modelagem dos exemplos aqui apresentados foi desenvolvida no programa comercial ABAQUS Versão 6.1.

[en] Pipelines are widely employed systems by the transport of oil and gas. Due to its great extensions and to economic and environmental reasons it is important to assure safe and efficient operation of the pipelines. After some time of operation the pipes can present damage that can affect its structural integrity, and require for repair and even operation interruption with consequently financial losses for the pipeline operating industries.One of the most commonly registered defects by pipes is corrosion. The determination of the residual load capacity of corroded pipes is object of study of many researchers all over the world. With this effort empirical methods were developed and are widely employed. Most of these methods are however applicable to pressure loaded pipes, and do not take into account more complex combined loading. Additionally highly conservative results are obtained by these methods. Alternative methods have been developed based on the finite element method.The objective of this work is to evaluate the load capacity of corroded pipes subjected to combined loading, which simulates the loads in field. These include internal pressure, bending due to soil settlement and axial load representing thermal effects. In this work the pipe model was developed in order to reproduce the experimental end field conditions.…

[pt] Apresenta-se uma metodologia de análise numérica para dutos enterrados usados no transporte de petróleo e gás, considerando não-linearidades geométricas e não linearidades de material baseada na formulação Lagrangeana Total. Emprega-se uma modelagem com base em uma discretização com elementos especiais de viga. As equações de equilíbrio são formuladas a partir do principio dos trabalhos virtuais, segundo as componentes de tensão e deformação no elemento viga-duto, com emprego da técnica do Módulo Reduzido de Integração Direta (RMDI), na qual incorpora-se o comportamento plástico do material. Esta técnica exclui da análise os efeitos da flambagem local nas paredes do duto. As matrizes para resolução por elementos finitos destas equações são derivadas. Incorporam- se, nesta metodologia os efeitos de pressão interna constante no duto assim como a interação solo-duto através da modelagem do solo por meio de molas elasto-plásticas verticais e horizontais. Na modelagem desenvolvida as cargas distribuídas são consideradas como constantes no sistema global de eixos. Desenvolve-se um programa para computador segundo a metodologia apresentada. São estudados alguns exemplos com o objetivo de avaliar numericamente os resultados de análise obtidos e formular algumas conclusões sobre o comportamento de dutos enterrados.

[en] This work presents a numerical methodology for the analysis of buried pipes employed by the transport of oil and gas. Both geometric and material nonlinearities are considered in a total Lagrangean formulation. A special type of beam element is employed in the finite element discretization. The equilibrium equations are formulated based on the virtual work principle considering the stress and deformation components of the beam-pipe element. The Reduced Modulus Direct Integration (RMDI) technique is employed through which the plastic material behavior is incorporated. This technique excludes from the analysis the local buckling effects of the pipe walls. The corresponding finite element matrices for this element are obtained. In this methodology the effects of the constant internal pressure as well as the soil-pipe interaction by means of elastic-plastic uplift, bearing and longitudinal springs are included. Distributed loads are considered constant with respect to the global axis. A computer code is developed according to the methodology presented. Some examples are studied with the objective to evaluate numerically the analysis results and to formulate some conclusions to the behavior of buried pipes.

[pt] Neste trabalho apresenta-se uma metodologia de análise do comportamento mecânico de dutos enterrados usados no transporte de gás e outros fluidos sujeitos a cargas dinâmicas. Em especial são considerados carregamentos provocados por sismos. Emprega-se uma modelagem em elementos finitos com base em uma discretização com elementos especiais de viga para modelar o duto. Não linearidades geométricas e do material são consideradas numa formulação Lagrangeana total. As equações de equilíbrio são formuladas a partir do principio dos trabalhos virtuais, segundo as componentes de tensão e deformação no elemento viga-duto. A técnica do Módulo Reduzido de Integração Direta (RMDI) é empregada na qual se incorpora o comportamento elasto-plástico do material. Esta abordagem exclui da análise os efeitos do enrugamento nas paredes do duto. As matrizes para resolução por elementos finitos dessas equações são derivadas. Nessa metodologia os efeitos da interação solo-duto são incorporados. O solo é modelado através de elementos bidimensionais considerando um modelo constitutivo Linear- Equivalente, acoplados ao duto por meio de elementos de interface localizados entre o duto e o solo. Finalmente são considerados contornos artificiais amortecidos para possibilitar a representação do problema através de um trecho finito. Foram usados para as análises históricos de acelerações do tipo sismo, entre estes o sismo ocorrido em Pisco-Perú no ano 2007. Desenvolve-se um programa para computador segundo a metodologia apresentada. Finalmente são estudados alguns exemplos com o objetivo de avaliar numericamente os resultados da análise obtidos e formular algumas conclusões sobre o comportamento de dutos enterrados sujeitos a cargas dinâmicas.

[en] This work presents a numerical methodology for the analysis of buried pipes employed by the transport of oil and gas subject to dynamic loads. Emphasis is given to seismic loads. A finite element model based on a special class of beam element for the pipe representation is employed. Both geometric and material nonlinearities are considered in a total Lagrangean formulation. The equilibrium equations are formulated based on the virtual work principle considering the stress and deformation components of the beam-pipe element. The Reduced Modulus Direct Integration (RMDI) technique is employed by which the elasto-plastic material behavior is incorporated. This technique excludes from the analysis the local buckling effects of the pipe walls. The corresponding finite element matrices for this element are obtained. In this methodology the effects of the constant internal pressure as well as the soil-pipe interaction are included. The soil is modeled through two-dimensional elements with material behavior described through a linear equivalent model. Interface elements couple beam-pipe elements with soil elements and account for soil-pipe interaction. Finally silent boundary elements are incorporated to the model to reproduce the semi-infinite boundary conditions in the finite size model. Distributed…

[pt] Neste trabalho é realizado um estudo da estabilidade de dutos enterrados submetidos a cargas térmicas. As cargas térmicas são devidas ao aquecimento do fluido com o objetivo de facilitar o transporte dos óleos que são escoados nos dutos. O duto expande devido a estas cargas térmicas. Como o duto está restringido em suas extremidades e devido à expansão são causadas forças axiais de compressão no duto. Para a análise destes dutos submetidos à variação da carga térmica foram utilizados modelos teóricos e numéricos para o problema de flambagem vertical e lateral, considerando o duto perfeito e com imperfeição. Os modelos numéricos foram desenvolvidos utilizando o programa ABAQUS. Para estes modelos numéricos o duto foi considerado como uma viga e a o solo como elementos de interface e elementos de mola. Foi desenvolvido também um modelo de viga-casca onde parte do duto é modelada como uma casca cilíndirca para permitir a análise de enrugamento e da deformação da seção transversal. São realizados estudos paramétricos numéricos para investigar o efeito do recobrimento do duto da forma e amplitude da imperfeição e da rigidez do solo na temperatura crítica de flambagem do duto.

[en] In this work a study of the stability of buried pipelines subjected to thermal loads is developed. The thermal loads are due to the heated fluid that flows through the pipe. Fluid heating is for ease of oil transportation. The pipe expands due to the thermal loading. Axial forces are developed in the pipe due to the expansion since the pipe is restricted on its ends. The analysis of pipes subject to thermal loadas were carried out with use of theoretical and numerical methods for upheaval and snaking buckling problems considering perfect pipes and pipes with imperfection. The numerical models were developed with the support of the ABAQUS software. The pipe was modeled as a beam and the soil is represented by interface elements and alternatively by spring elements. A beam-shell model was also developed where part of the pipe was modeled as a shell to allow a wrinkling analysis. Parametric studies were also carried out to investigate the effects of the soil stiffness, shape and amplitude or the imperfection and internal pressure on the critical temperature of the pipe.

[pt] Um dos resultados fundamentais na mecânica clássica é que, para sistemas lineares com n graus de liberdade, existem n modos de vibração ortogonais e que as freqüências naturais são independentes da amplitude de vibração. Além disso, qualquer movimento da estrutura pode ser obtido como uma combinação linear desses modos. No caso de sistemas não-lineares, isto não mais se verifica e a relação entre freqüência, amplitude e os modos de vibração precisa ser determinada. A obtenção dessas informações para estruturas se dá em geral pelo uso de programas de análise não-linear baseados em uma formulação em elementos finitos. Contudo, isto é um procedimento custoso computacionalmente. Uma abordagem mais viável é o uso de modelos discretos compatíveis de baixa dimensão, por meio dos quais as freqüências e os modos não- lineares são obtidos. Neste trabalho é proposto um procedimento para a derivação de modelos de redução de dimensão para vigas e pórticos planos esbeltos. As equações diferenciais de movimento são obtidas a partir da aplicação das técnicas variacionais a um funcional não-linear de energia. A obtenção do modelo se dá através do emprego dos métodos de Ritz ou Galerkin para a redução espacial e do balanço harmônico para redução no tempo. Os modos lineares são utilizados como uma primeira aproximação para os modos não-lineares. As relações freqüência-amplitude são satisfatoriamente obtidas para vibrações livre e forçada (não-amortecida e amortecida). Entretanto, essas curvas apresentam, em geral, no regime não-linear, pontos limites, sendo obtidas, portanto, com uso do método do controle de comprimento de arco. Uma correção para o modo- linear é obtida com uso dos métodos dos elementos finitos e da perturbação. Um estudo paramétrico e das condições de contorno é apresentado para vigas. O comportamento não-linear de pórticos em L é também analisado. Para esses pórticos é estudada a influência de cargas axiais e da geometria. Os resultados são comparados com soluções analíticas encontradas na literatura.

[en] One of the fundamental results in classical mechanics is that linear systems with n degrees of freedom have n orthogonal vibration modes and n natural frequencies which are independent of the vibration amplitude. Any motion of the system can be obtained as a linear combination of these modes. This does not hold for nonlinear systems in which case amplitude dependent vibrations modes and frequencies must be obtained. One way of obtaining these informations for arbitrary structures is to use a nonlinear finite element software. However, this is a cumbersome and time consuming procedure. A better approach is to derive a consistent low dimensional model from which the nonlinear frequencies and mode shapes can be derived. In this work a procedure for the derivation of low dimensional models for slender beams and portal frames is proposed. The differential equations of motion are derived from the application of variational techniques to a nonlinear energy functional. The linear vibration modes are used as a first…