[pt] O efeito da granulometria no comportamento mecânico do lastro tem sido estudado por vários pesquisadores. A revisão destes estudos indicou que uma granulometria mais uniforme que as atualmente usadas pela indústria ferroviária diminuiria a deformação permanente e a degradação do lastro ferroviário. Neste estudo, foi utilizado o equipamento prismoidal triaxial cíclico, projetado e construído na Universidade de Wollongong - Austrália. O deslocamento lateral do lastro ferroviário no campo não está restrito, devido a insuficiente tensão lateral (tensão confinante); por isso a câmera prismoidal triaxial com lados não restritos é uma instalação ideal para a modelagem física das deformações do lastro. Duas granulometrias de lastro foram testadas, sob tensão vertical cíclica máxima de 450 kPa. Uma delas estava de acordo com a granulometria recomendada por Indraratna et al. (2004), para revisão da Norma Australiana AS 2758.7 (1996) e a outra foi preparada em concordância com a norma Brasileira, NBR 5564. Os resultados mostram que a granulometria tem grande influência na deformação permanente e na quebra de lastro ferroviário. Também se apresenta a modelagem de um ensaio de compressão sobre lastro ferroviário utilizando o método dos elementos discretos. Utilizaram-se propriedades típicas de lastro ferroviário tais como peso específico, granulometria, índice de vazios e espessura das camadas. O ensaio virtual compreende a aplicação de uma carga vertical monotônica mediante uma peça de dimensões similares a um dormente, sobre partículas que simulam o lastro colocado numa caixa de dimensões 600 x 800 x 800 mm. São observadas as tensões e velocidades desenvolvidas nas partículas, características difíceis de serem observadas nos ensaios convencionais reais. / [en] The effect of the particle-size-distribution on mechanical behaviour of ballast has been studied by several researchers in the past. The review of these past studies indicated that more uniform gradation than actually used by the railway industry would decrease permanent deformation and degradation of railroad ballast. In this study, the prismoidal cyclic triaxial apparatus designed and built at the University of Wollongong was used. The lateral displacement of railroad ballast in the field is not restricted in the absence of sufficient lateral stress (confining pressure); hence the prismoidal triaxial chamber with unrestrained sides provides an ideal facility for physical modeling of the deformations of ballast. Two different particle size distributions of ballast were tested under cyclic vertical maximum stress of about 450 kPa. One of them was according to PSD recommended by Indraratna et al. (2004) as an improvement to Australian Standard AS 2758.7 (1996) and the other one was prepared in accordance with Brazilian standard NBR 5564. The results showed that gradation had major influence on the permanent deformation and breakage of railroad ballast. Also, it is presented a compression test modelling on railway ballast using the discrete element method. Typical railways ballast properties, such as specific weight, particle-size-distribution, void ratio, layers thickness were used. The virtual test comprises monotonic vertical loading through a piece with similar dimensions to sleeper on particles that simulates ballast inside a 600 x 800 x 800 mm box. Stresses and velocities developed in particles are observed, which are difficult sighting characteristics in real conventional tests.

[pt] Esta pesquisa é motivada, principalmente, por problemas da geomecânica do petróleo como produção de sólidos em poços produtores e dano mecânico de formação. Produção de sólidos é o fenômeno onde partículas sólidas são produzidas juntamente com os fluidos de um reservatório de formação geralmente pouco ou não consolidada, podendo também ocorrer em formações mais resistentes. Dano de formação é o termo usado para identificar a redução da permeabilidade por diversos processos que ocorrem nas formações geológicas, e que reduzem a produtividade e injetividade de poços de sistemas de produção de óleo e gás. Neste trabalho desenvolveu-se uma ferramenta numérica com acoplamento fluidomecânico (mono e bifásico) para ser utilizada em análises destes problemas na microescala (poro e grão). Utilizou-se o método dos elementos discretos (DEM) para a simulação do movimento e interação das partículas sólidas e o método de lattice-Boltzmann (LBM) para a simulação do fluxo nos poros do meio geológico. A principal diferença desta ferramenta numérica em relação a trabalhos anteriores que acoplam o DEM com o LBM (DEM-LBM) está na implementação da formulação do LBM incompressível sugerida por (He e Luo, 1997) permitindo a aplicação de gradientes de pressão sensivelmente maiores do que na formulação convencional, o que é importante para as simulações de produção de sólidos. A ferramenta desenvolvida pode ser vista como um laboratório virtual para testar/verificar leis constitutivas, e que aliada a dados experimentais poderá melhorar o entendimento de mecanismos básicos envolvidos nos processos de dano mecânico de formação e de produção de sólidos. O programa computacional implementado foi verificado através de comparações com soluções analíticas ou resultados publicados na literatura. Simulações relacionadas às aplicações de interesse foram realizadas. / [en] The present research was mainly motivated by petroleum geomechanics problems such as solids production and formation damage. Solids production is related to phenomena whereby solid particles are produced together with fluids from reservoir rocks having little or no consolidation although it is reported that those phenomena have already happened to more resistant materials. Formation damage is the term used in order to identify permeability reduction occurring for various processes and which reduce productivity and injectivity of wells in oil and gas production systems. In the present work, a numerical tool considering fluidmechanical coupling (one and two phase flow) was developed for analyses in the microscale (pores and grains). The DEM (Discrete Element Method) was used for the simulation of motion and interaction of solid particles and the lattice Boltzmann method (LBM) for the simulation of flow inside pores of the geological media. The main difference between the developed tool and the ones developed in previous works that couple DEM with LBM is the introduction of incompressible LBM as suggested by (He e Luo, 1997), one that allows the application of pressure gradients considerably larger than the conventional formulation which is important for the simulation of solids production. The developed tool can be viewed as a virtual laboratory for testing and verification of constitutive laws which together with experimental data may improve the understanding of basic phenomena involved in formation damage and solids production. The numerical implementation was verified through comparisons with analytical solutions and other results from the literature. Simulations related to practical applications were carried out and discussed.

[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 pumping is a leading cause of production decline in fractured wells, besides causing damage to the production equipment. The proposed algorithm was implemented in Java language and the optimization of packings was performed according to the porosity using genetic algorithms. Applications of the algorithm to some packings of particles and the problem of filling of fractures are presented.

[pt] A técnica para estimulação de um campo de petróleo através de fraturamento hidráulico inclui a injeção, com o fluido de fraturamento, de um material para sustentação da abertura da fratura, denominado propante. Uma das dificuldades deste processo é o refluxo do material de sustentação para o interior do poço durante a fase de produção de óleo, ocasionando diversos problemas que podem chegar, em situações extremas, à interrupção definitiva da produção. O controle do fluxo de propante representa, portanto, um grande desafio para a indústria do petróleo. Alguns modelos empíricos - correlação Stimlab, modelo de cunha livre, modelo da velocidade mínima de fluidificação, modelo semi- mecânico - foram desenvolvidos para a previsão desse fenômeno, mas não contemplam todas as variáveis que influenciam no refluxo do material de sustentação da fratura. Uma alternativa aos modelos empíricos é utilizar o método dos elementos discretos para simular computacionalmente a instabilidade do pacote granular. Nesta dissertação busca-se modelar o comportamento do refluxo do propante utilizando uma modelagem 3D da fratura, partículas e fluxo de óleo com auxílio do programa computacional PFC3D baseado no método dos elementos discretos. Os dados das análises (tipos de propante, temperatura, características do fluido e do propante, etc) se referem a 4 cenários principais considerando fraturas sob diversos níveis de tensão e forças de arraste. Foram feitas discussões considerando os resultados numéricos obtidos por análises computacionais bi e tridimensionais, bem como comparações com modelos empíricos de previsão do refluxo do material de sustentação. / [en] The technique for stimulating an oil field through hydraulic fracturing consists of pumping into the oil bore the fracturing fluid mixed with a material to hold the fracture open, called proppant. One of the difficulties in this process is the occurrence of proppant flowback into the well bore during oil production, causing several problems that can result, in critical situations, in a definitive interruption of the oil production. Control of proppant flowback represents a great challenge for the petroleum industry. Some empirical models - Stimlab correlation, propped- free wedge model, minimum fluidization velocity, semi-mechanistic model - were developed for prediction of proppant flowback, yet they do not encompass all variable that play a role in this complex phenomenon. An alternative is to employ the discrete element method in order to computationally simulate the instability of the granular package. The main goal of this thesis is to investigate the proppant flowback phenomenon, through a 3D model of the fracture, particles and flow conditions using the computational program PFC3D, a code based on the discrete element method. The input data (type of proppant, temperature, characteristics of the fluid and proppant, etc.) relate to 4 main scenarios that consider fractures under several levels of stress closure and drag forces. The numerical results computed from 2D and 3D analyses were discussed, as well as comparisons were done with the predictions obtained with empirical methods.

[pt] A proposta deste trabalho é viabilizar e acelerar a simulação de um sistema de grãos implementado inteiramente na GPU, utilizando o Método dos Elementos Discretos (MED). O objetivo de implementar todo o sistema na GPU é evitar o custo de transferência de informações entre a placa gráfica e a CPU. O sistema proposto simula partículas de diferentes diâmetros, com tratamento de colisão entre partículas e entre partículas e o ambiente. Com o Método dos Elementos Discretos são consideradas forças normais e forças tangenciais aplicadas sobre as partículas. Algoritmos paralelos foram desenvolvidos para construção e armazenamento do histórico de forças tangenciais existente em cada contato entre partículas. São comparadas duas propostas de construção de grade regular de células para realizar a detecção de contato. A primeira proposta é muito eficiente para partículas com raio fixo, enquanto que a segunda se mostra com maior escalabilidade para modelos com variação de raio. O sistema é composto por diversos algoritmos executados em threads, responsáveis por cada etapa da simulação. Os resultados da simulação foram validados com o programa comercial PFC3D. O sistema de partículas em GPU consegue ser até 10 vezes mais rápido do que o programa comercial. / [en] The purpose of this work is to make possible and speed up a grain system simulation implemented entirely on GPU, using the Discrete Element Method (DEM). The goal of implementing all the system on GPU is to avoid the cost of data transfer between the graphics hardware and the CPU. The proposed system simulate particles of different diameters, with collision treatment between particles and between particles and the environment. The Discrete Element Method consider normal forces and tangential forces applied on the particles. Parallel algorithms were designed to construct and storage the tangential forces history present in each contact between particles. Two ideas for the construction of the regular grid of cells are proposed and compared to perform the collision detection. The first one is very efficient to particles with fixed radius, while the second one shows more scalability in models with radius variation. The system consists of several algorithms running in threads, responsible for each step of the simulation. The results of the simulation were validated with the commercial program called PFC3D. The GPU particle system can be up to 10 times faster then the commercial program.

É uma verdade incontestável que a fadiga constitui um dos problemas mais críticos em engenharia, especialmente em estruturas formadas por materiais dúcteis. Por essa razão, uma grande quantidade de métodos e estudos tem sido desenvolvida para tratar deste problema. No entanto, no caso de materiais quase frágeis como concreto, rochas cerâmicas e alguns tipos de materiais compostos, o efeito que cargas oscilantes produzem sobre estes materiais é menos conhecido e aparentemente também menos crítico. No presente trabalho, se utiliza uma versão do método dos elementos discretos formado por barras para explorar as possibilidades do mesmo na simulação do efeito de fadiga em materiais quase frágeis. Simulações sobre corpos de prova simples são apresentadas e vários aspectos deste estudo são discutidos, entre eles: influência da escala, influência da aleatoriedade nas propriedades do material simulado e se a lei de crescimento prevista por Paris (1961) se apresenta nas simulações realizadas. Finalmente, nas considerações finais, são salientadas as possibilidades que se abrem ao aplicar o modelo de elementos discretos apresentado no estudo de materiais quase frágeis submetidos à ação de cargas oscilantes. / It is an unquestionable truth that fatigue consists in one of the most critical problems of engineering, especially in ductile material structures. For that reason, a great amount of methods and studies has been developed to deal with this matter. However, when it comes to quasi brittle materials like concrete, ceramic stones and a few kinds of composites, the effect of cyclic loading on these materials is less well known, and apparently also less critical. In this work, a version of the discrete elements method formed by bars is applied to explore the possibilities of its use on simulating the effect of fatigue over quasi brittle materials. Simulations are presented over simple test specimens and several features of this study are discussed, among them: the influence of specimen scale, the influence of random distribution on material properties and if crack growth laws previewed by Paris, (Paris et al., 1961) are verified in the performed simulations. In the final considerations, the possibilities brought by applying the discrete elements method in this study of quasi brittle materials submitted to cyclic loading are highlighted.

É uma verdade incontestável que a fadiga constitui um dos problemas mais críticos em engenharia, especialmente em estruturas formadas por materiais dúcteis. Por essa razão, uma grande quantidade de métodos e estudos tem sido desenvolvida para tratar deste problema. No entanto, no caso de materiais quase frágeis como concreto, rochas cerâmicas e alguns tipos de materiais compostos, o efeito que cargas oscilantes produzem sobre estes materiais é menos conhecido e aparentemente também menos crítico. No presente trabalho, se utiliza uma versão do método dos elementos discretos formado por barras para explorar as possibilidades do mesmo na simulação do efeito de fadiga em materiais quase frágeis. Simulações sobre corpos de prova simples são apresentadas e vários aspectos deste estudo são discutidos, entre eles: influência da escala, influência da aleatoriedade nas propriedades do material simulado e se a lei de crescimento prevista por Paris (1961) se apresenta nas simulações realizadas. Finalmente, nas considerações finais, são salientadas as possibilidades que se abrem ao aplicar o modelo de elementos discretos apresentado no estudo de materiais quase frágeis submetidos à ação de cargas oscilantes. / It is an unquestionable truth that fatigue consists in one of the most critical problems of engineering, especially in ductile material structures. For that reason, a great amount of methods and studies has been developed to deal with this matter. However, when it comes to quasi brittle materials like concrete, ceramic stones and a few kinds of composites, the effect of cyclic loading on these materials is less well known, and apparently also less critical. In this work, a version of the discrete elements method formed by bars is applied to explore the possibilities of its use on simulating the effect of fatigue over quasi brittle materials. Simulations are presented over simple test specimens and several features of this study are discussed, among them: the influence of specimen scale, the influence of random distribution on material properties and if crack growth laws previewed by Paris, (Paris et al., 1961) are verified in the performed simulations. In the final considerations, the possibilities brought by applying the discrete elements method in this study of quasi brittle materials submitted to cyclic loading are highlighted.

É uma verdade incontestável que a fadiga constitui um dos problemas mais críticos em engenharia, especialmente em estruturas formadas por materiais dúcteis. Por essa razão, uma grande quantidade de métodos e estudos tem sido desenvolvida para tratar deste problema. No entanto, no caso de materiais quase frágeis como concreto, rochas cerâmicas e alguns tipos de materiais compostos, o efeito que cargas oscilantes produzem sobre estes materiais é menos conhecido e aparentemente também menos crítico. No presente trabalho, se utiliza uma versão do método dos elementos discretos formado por barras para explorar as possibilidades do mesmo na simulação do efeito de fadiga em materiais quase frágeis. Simulações sobre corpos de prova simples são apresentadas e vários aspectos deste estudo são discutidos, entre eles: influência da escala, influência da aleatoriedade nas propriedades do material simulado e se a lei de crescimento prevista por Paris (1961) se apresenta nas simulações realizadas. Finalmente, nas considerações finais, são salientadas as possibilidades que se abrem ao aplicar o modelo de elementos discretos apresentado no estudo de materiais quase frágeis submetidos à ação de cargas oscilantes. / It is an unquestionable truth that fatigue consists in one of the most critical problems of engineering, especially in ductile material structures. For that reason, a great amount of methods and studies has been developed to deal with this matter. However, when it comes to quasi brittle materials like concrete, ceramic stones and a few kinds of composites, the effect of cyclic loading on these materials is less well known, and apparently also less critical. In this work, a version of the discrete elements method formed by bars is applied to explore the possibilities of its use on simulating the effect of fatigue over quasi brittle materials. Simulations are presented over simple test specimens and several features of this study are discussed, among them: the influence of specimen scale, the influence of random distribution on material properties and if crack growth laws previewed by Paris, (Paris et al., 1961) are verified in the performed simulations. In the final considerations, the possibilities brought by applying the discrete elements method in this study of quasi brittle materials submitted to cyclic loading are highlighted.

[pt] Considerando o investimento do governo federal na expansão da malha ferroviária com o programa de aceleração do crescimento (PAC2) e com o programa de investimento em logística (PIL), vem sendo desenvolvidas no país inúmeras pesquisas envolvendo ferrovias, inclusive na área de materiais, como o lastro ferroviário, objeto de estudo deste projeto. Paralelamente, pesquisas com foco em modelagem computacional vem sendo desenvolvidas a fim de otimizar a avaliação do comportamento dos materiais. O projeto tem como objetivo desenvolver modelos computacionais para avaliar a capacidade do método dos elementos discretos em reproduzir o comportamento mecânico de lastro ferroviário submetido a carregamentos cíclicos, com base em um ensaio triaxial cíclico. O ensaio analisou o comportamento mecânico de duas distribuições granulométricas de lastro ferroviário, sendo a primeira sugerida por Indraratna et al. (2004), referente a alterações para melhorias da normativa australiana, enquanto a segunda, utiliza a normativa brasileira. O modelo computacional foi desenvolvido no software WooDEM (2012). Foram realizadas análises mecânicas do comportamento do lastro ferroviário considerando as coordenadas das partículas em relação ao tempo e a profundidade, a fim de determinar o deslocamento gerado pelo carregamento cíclico. / [en] Considering the federal government s investment in the expansion of the railway network with the growth acceleration program (PAC2) and with the investment in logistics program (PIL), numerous surveys involving railways have been developed in the country, including in the area of materials, such as the rail ballast, object of study of this project. In parallel, research focused on computational modeling has been developed in order to optimize the evaluation of the behavior of materials. This dissertation aims to develop computational models to evaluate the ability of the discrete element method to reproduce the mechanical behavior of cyclically loaded rail ballast, based on a cyclic triaxial test. The study analyzed the mechanical behavior of two rail ballast granulometric distributions, the first being suggested by Indraratna et al. (2004), regarding changes to improve Australian regulations, while the second, uses the Brazilian legislation. The computational model was developed in WooDEM software (2012). Mechanical analysis of the rail ballast behavior was performed considering the coordinates of the particles in relation to time and depth in order to determine the displacement generated by the cyclic loading.

[pt] Este trabalho tem como finalidade comparar e analisar diferentes modelos numéricos na análise do processo de queda de blocos com diferentes geometrias, para que seja possível determinar os riscos à infraestrutura e à população local que este evento pode causar. Foram utilizados o software RAMMS e o programa de modelagem PFC3D para simulação de queda de blocos. O primeiro foi desenvolvido pelo instituto suíço WSL, o software utiliza a dinâmica não suave (nonsmooth), não havendo penetração dos blocos com a superfície, e as leis de contato são feitas por restrições. O segundo utiliza o método dos elementos discretos através de dinâmica de contato suave. Na primeira parte do trabalho foram realizadas simulações de casos simples de queda de blocos para ambos os modelos, a fim de analisar o principal parâmetro do contato rocha-solo de cada programa com o alcance das rochas. O modelo de contato no programa PFC3D utilizado foi o método linear, e depois foi adicionada uma força de resistência ao rolamento para que o modelo conseguisse reproduzir o comportamento de solos mais macios. Os modelos foram simulados para casos reais, primeiro foram aplicados para uma encosta na BR116, onde um evento de deslizamento já tinha ocorrido. Foram realizadas simulações com os dois modelos na região, comparando-os e analisando com os vestígios deixados pelo evento. Outro caso estudado foi o de blocos susceptíveis ao deslizamento no bairro Glória, no município de Petrópolis. E por último, foram criados modelos para analisar o comportamento da vegetação em ambos os modelos. Com os resultados obtidos, conclui-se que o PFC3D consegue simular o processo de queda com melhor precisão através do auxílio da força de resistência ao rolamento. Para ambas simulações, o caso da BR116 e o do bairro Glória, os modelos apresentarem uma mesma tendência quanto a trajetória do bloco, mas melhorias na calibração do modelo linear com resistência ao rolamento precisam ser realizadas para que melhores resultados sejam obtidos. A presença de vegetação se mostrou como um mecanismo muito eficiente para perdas de energia no sistema, diminuindo significativamente a velocidade dos blocos. / [en] The aim of this work is to compare and analyze different numerical models on the rockfall process with different geometries, to determine the risks to the local infrastructure and population. It was used the software RAMMS and the modeling program PFC3D to simulate rockfall events. The first software was developed by the Swiss institute WSL, it uses the nonsmooth dynamics system, it is a dynamic behavior where there is no penetration between the rock and the surface and the contact laws are created by restrictions laws. And the second one uses the discrete element method applying the smooth dynamics system to simulate the event. On the first part of the work, numerical models were created on both models to simulate simple cases of rockfall events, to compare the main soil-rock parameter of both modeling program with the distance reached of the rocks. The contact model used on the PFC3D program was the linear method, and after the first simulations was added a rolling resistance force to the model reproduce soft. Both models were applied to real cases, the BR116 was the first case modeled, where some natural hazards have already happened. The results of the numerical simulations were compared and analyzed. It was also created a model to simulate the rockfall event of the Gloria neighborhood, in Petropolis; rocks that could fall were determined and simulations for those blocks were performed, the deposition area and the blocks trajectory of each model were examined. And finally, it was studied the vegetation effect of each model and its particularities. Through the results, it is possible to conclude that the PFC3D can simulate the rockfall process with better accuracy using the rolling resistance method. For both simulation, the BR116 and the Gloria neighborhood, the models showed the same tendency of the blocks trajectory, but it is necessary to improve the calibration of the rolling resistance coefficient. The existence of the vegetation revealed as a very effect lose energy mechanism on the system, decreasing significantly the velocity of the blocks.