[pt] Este trabalho aborda uma análise do problema de interação solo-duto através de modelagem em centrífuga da movimentação lateral e axial de dutos em modelos de areia submersa. Foi quantificada a resposta do solo ante a movimentação do duto em termos de mobilização das resistências pico (breakout), da evolução das forças resistentes durante a formação das bermas, e das trajetórias de forças vertical-lateral/axial combinadas que definem uma possível envoltória de fluência. Foi adotada uma simplificação básica dos cenários encontrados comumente na prática offshore. Para tanto, foram realizadas duas séries de ensaios em centrífuga geotécnica, aplicando deslocamentos laterais e axiais controlados em dutos com células de carga horizontal e vertical. Analisou-se históricos de carregamento plausíveis de acontecer no processo de lançamento do duto. Avaliou-se a influência do relaxamento das forças verticais decorrentes do enterramento do duto na mobilização das resistências lateral e axial. Resultados típicos dos ensaios são apresentados. Foi identificada a variação da resistência mobilizada, em termos de forças de breakout e forças máximas nas bermas, em função à relação entre as forças verticais de enterramento e as forças verticais no início da movimentação do duto. Os resultados revelam superfícies de fluência parabólicas em condições de carregamento vertical e lateral/axial combinado. Foi observado que as distâncias de mobilização das resistências axiais de breakout aumentaram em relação à porcentagem de enterramento do duto (w/D) divergindo de valores estimados na prática offshore que propõem distâncias constantes. / [en] This study concerns the analysis of soil-pipeline interaction through centrifuge modelling of cyclic lateral and axial of pipeline movement in submerged sand models. Soil response related to pipeline movement was quantified in terms of breakout, evolution of resistance forces during berm formation, combined vertical-lateral/axial trajectories of forces that define a possible yield envelope. A simplification of common offshore scenarios was adopted. Two series of geotechnical centrifuge tests were accomplished by applying controlled lateral and axial movements to assess load history possible to occur in the process of pipeline laying. The influence of vertical stress relaxation due to pipeline embedment was assessed relative to vertical forces in the instance of the movements. Typical assay results are related. The variation of the mobilized resistance was identified in terms of breakout forces and maximum forces in the berms relative to vertical force history due to pipeline embedment. The results revealed parabolic yield surface in combined vertical-lateral/axial loading conditions. The mobilized distances of the breakout axial resistance increased in relation to pipeline embedment percentage (w/D) diverging from values estimated in offshore practice that propose constant distances.

[pt] Com o crescente aumento de lâminas d`água na área de exploração e produção de petróleo no mar, surgiu também o aumento de unidades de exploração e produção tipo semi - submersíveis. Os risers rígidos em catenária surgiram então como solução para exportar óleo e gás das plataformas semi- submersíveis até os dutos de transporte. Do ponto de vista de fadiga, existem duas regiões críticas onde ocorrem as maiores tensões, em um projeto de riser: o trecho junto ao ponto de conexão na plataforma e o trecho junto ao piso marinho (TDP). Os risers rígidos em catenária, SCRs ou steel catenary risers, constituem-se hoje em uma das principais soluções para águas profundas e ultra-profundas. Sua principal aplicabilidade baseia-se no fato de ser a única solução viável em lâminas d`água acima de 1500m, onde as linhas flexíveis ainda não podem ser utilizadas, em função da elevada pressão externa. Este trabalho apresenta um estudo da interação solo-duto de risers rígidos é constituído de duas partes: na primeira são relatados os resultados de um modelo físico realizado no IPT (Instituto de Pesquisas Tecnológicas), e, na segunda os resultados de análises numéricas que procuraram reproduzir os ensaios no modelo físico. São apresentadas também comparações entre os dois modelos. Os resultados permitiram estabelecer um modelo constitutivo simplificado do comportamento do contato solo-duto em condições de carregamento lateral. / [en] The necessity for offshore oil exploration to reach greater depths, pushed the demands for semi-submersible exploration and production units. Presently, steel catenary risers (SCR) appear to be the best recommended technical solution for oil and gas exploration.Concerning to the fatigue analysis there are two critical stress points to be considered: close to the platform connection and a second one at the touch down point - TDP. SCR is currently one of the main solutions for deep and ultra deep water projects. It is the only technical solution available for water depths beyond 1500m where flexible lines cannot yet be used due to excessive external pressure.The present work presents a study on the interaction between SCRs and soil. It is divided in two parts. The first describes an experiment (physical model) which was carried out at the laboratories of IPT (Instituto de Pesquisas Tecnológicas) in São Paulo. The second part presents a numerical, finite element analysis of the soil-SCR interaction. The comparison between experimental and numerical results allowed the determination of a simplified constitutive model for the representation of soil-pipe contact under horizontal loads.

[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 loads are considered constant with respect to the global axis. Acceleration histories are applied to simulate seismic dynamic loads among which the acceleration histories of the earthquake which occurred in Pisco-Perú in 2007. A finite element 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 subject to seismic loads.

[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] 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.