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[pt] ESTUDO EXPERIMENTAL E NUMÉRICO DO COMPORTAMENTO DE COMPÓSITOS REFRATÁRIOS EM DIFERENTES TEMPERATURAS / [en] EXPERIMENTAL AND NUMERICAL STUDY OF REFRACTORY COMPOSITES BEHAVIOR AT DIFFERENT TEMPERATURES

WALTER GABRIEL BAREIRO 09 October 2019 (has links)
[pt] Neste estudo diferentes concretos a base de cimento aluminoso foram desenvolvidos e caracterizados em termos de seu comportamento termomecânico para uma ampla faixa de temperaturas (25-1200 graus Celsius). Primeiramente, três refratários com diferentes teores de alumina (51, 71 e 90 porcento em peso) foram estudados para caracterizar seus comportamentos químico e mecânico em diferentes temperaturas. Para isso vários tipos de ensaios experimentais, após aquecimento e resfriamento, foram realizados: ensaios microestruturais, químicos, de compressão uniaxial, tração direta e flexão em três pontos. Com esses resultados foi desenvolvido, através de simulações numéricas, um novo tipo de revestimento combinando os três refratários em camadas. A solução mais eficiente em termos de gradiente térmico foi a combinação que usou o refratário com 90 porcento de alumina como camada interna e os refratários de 71 porcento e 51 porcento como as camadas média e externa, respectivamente. Um material compósito refratário reforçado com fibras de aço inoxidável foi também desenvolvido. Para isso o concreto refratário com 51 porcento de alumina foi selecionado, pois apresentou o melhor comportamento mecânico nas temperaturas analisadas (até 1200 graus Celsius). Três tipos de fibras foram consideradas: lisa, ondulada e recartilhada. Além da realização dos mesmos tipos de ensaios feitos para a matriz refratária, foram também realizados ensaios cíclicos, de arrancamento de fibras e estruturais (painéis circulares). Os ensaios forneceram os parâmetros necessários para o modelo constitutivo de dano plástico disponível no programa de elementos finitos ABAQUS. O modelo constitutivo foi validado através de simulações termomecânicas do ensaio do painel circular. Concluiu-se que o comportamento termomecânico dos compósitos refratários com a adição de fibras de aço inoxidável foi significativamente melhor do que do refratário sem reforço. O compósito com a fibra recartilhada foi o que teve o melhor desempenho devido à forte aderência da fibra com a matriz. Os resultados experimentais e as simulações numéricas mostraram que o efeito de reforço beneficia o comportamento mecânico pré-pico e pós-pico dos compósitos refratários. A influência do endurecimento por deformação observada na fase inicial das curvas e do abrandamento (softening) pós-pico indicam a importância desses parâmetros para projetos estruturais. O dano do compósito refratário foi analisado através da análise de correlação digital de imagem para estudar a propagação da fissura nas várias temperaturas. Observou-se que com o aumento de temperatura a propagação da fissura fica mais lenta e a abertura da fissura fica menos acentuada. Conclui-se então que esses materiais são apropriados para utilização em aplicações que envolvem temperaturas elevadas. / [en] In this study different concretes based on aluminous cement were developed and characterized in terms of their thermomechanical behavior over a wide temperature range (25-1200 Celsius degrees). First, three refractories with different alumina contents (51, 71 and 90wt. percent) were studied to characterize their chemical and mechanical behavior at different temperatures. For this, several types of experimental tests, after heating and cooling, were carried out: microstructural, chemical, uniaxial compression tests, direct tensile tests and three-point bending test. With these results, a new type of coating was developed through numerical simulations combining the three refractories in layers. The most efficient solution in terms of thermal gradient was the combination that used the refractory with 90 percent of alumina as the inner layer and the refractories of 71 percent and 51 percent as the middle and outer layers, respectively. A refractory composite material reinforced with stainless steel fibers was developed. For this, the refractory concrete with 51 percent of alumina was selected, since it presented the best mechanical behavior at the analyzed temperatures (up to 1200 Celsius degrees). Three types of fibers were considered: straight, wavy and knurled. In addition to performing the same types of tests for the refractory matrix, cyclic, fiber pullout and structural tests (round panels) were also performed. The tests provided the parameters for the Damage Plasticity constitutive model available in the finite element software ABAQUS. The constitutive model was validated through thermomechanical simulations of the round panel test. It was concluded that the thermo-mechanical behavior of the refractory composites with the addition of stainless steel fibers was significantly better than the non-reinforced refractory. The composite with the knurled fiber was the one that had the best performance due to the strong bond of the fiber to the matrix. The experimental results and numerical simulations showed that the reinforcement effect benefits the pre-peak and post-peak mechanical behavior of the refractory composites. The influence of the strain-hardening observed in the initial phase of the curves and the softening post-peak indicated the importance of these parameters for structural projects. The damage of the refractory composite was analyzed through digital image correlation to study the crack propagation at various temperatures. It has been observed that with the increase in temperature the propagation of the crack becomes slower and the opening of the crack becomes less pronounced. It is therefore concluded that such materials are suitable for use in applications involving high temperatures.
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[pt] GEOMECÂNICA DE ROCHAS SALINAS APLICADA A PROJETOS ESTRATÉGICOS DE ENGENHARIA / [en] SALT GEOMECHANICS APPLIED TO STRATEGIC ENGINEERING PROJECTS

PEDRO ALCIDES LOBO PENNA FIRME 20 June 2022 (has links)
[pt] A importância do sal em diversas atividades humanas tem acompanhado as fases principais da civilização. Aplicações estratégicas e inovadoras envolvendo rochas salinas são planejadas até os dias atuais, tais como barreiras geológicas para abandono de poços e cavernas de estocagem para novas fontes de energia ou descarbonização. Esta tese foca no comportamento geomecânico do sal com atenção especial à fluência, dilatância, efeitos térmicos e seus impactos no comportamento hidráulico. Modelos deram suporte ao desenvolvimento de metodologias para avaliação de condições de integridade e estanqueidade de projetos estratégicos no contexto de energia. Eles incluem o abandono de poços do pré-sal, cavernas de sal e sal como rocha capeadora de reservatórios carbonáticos. Simulações numéricas avançadas utilizando o framework GeMA investigaram cenários representativos de cada projeto. Para tanto, modelos constitutivos de fluência, condições de contorno customizadas e variáveis de saída específicas foram implementados. Dentre os modelos de fluência, o EDMT foi desenvolvido no contexto desta pesquisa de doutorado, com foco no sal brasileiro. Os estudos de caso conduziram a observações importantes. Um poço do pré-sal pode fechar completamente por fluência após a remoção do revestimento. A redução da pressão e o aquecimento do poço aceleraram seu fechamento de modo significativo. No cenário mais crítico, a permeabilidade final foi ligeiramente superior a 100 vezes o valor inicial. Uma caverna de sal pode suportar mecanicamente ciclos de pressão causados por um esquema contingencial de fornecimento de hidrocarbonetos, embora uma permeabilidade final de 6,5 vezes o valor inicial tenha sido observada. Na geomecânica de reservatórios, a contribuição da fluência da rocha capeadora na subsidência é pequena e irreversível mesmo que a pressão do reservatório seja recuperada. As mudanças na permeabilidade foram sutis apesar da contribuição da fluência do sal e da variação de pressão do reservatório. A revisão da literatura, os modelos de fluência, as metodologias de análise, as funcionalidades incorporadas ao framework e as discussões motivadas pelos estudos de caso representam o valor agregado da tese para a comunidade científica e para a indústria no que tange ao aproveitamento estratégico de rochas salinas. / [en] The importance of salt in many human activities has accompanied the main phases of civilization. Strategic and innovative applications in salt rocks are planned until the present day, such as geological barriers for well abandonment and storage caverns for new energy sources or decarbonization. This thesis focuses on the geomechanical behavior of salt with special regards to creep, dilation, thermal effects and their impact on the hydraulic behavior. Models have supported the development of methodologies to assess integrity and tightness conditions of strategic projects in the context of energy. These include Pre-salt well abandonment, salt caverns and salt as caprock of carbonate reservoirs. Advanced numerical simulations using the framework GeMA have investigated representative scenarios of each project. To this end, creep constitutive models, customized boundary conditions and specific output variables have been implemented. Among the creep models, the EDMT has been developed in the context of this doctoral research, focusing on Brazilian salt. The case studies have led to important findings. A Pre-salt well can close completely by creep after casing removal. Pressure reduction and well heating have accelerated closure significantly. In the most critical scenario, the final permeability was slightly higher than 100 times the initial value. A salt cavern can mechanically support pressure cycles caused by a contingency hydrocarbon supply scheme; however, a final permeability of 6.5 times the initial value has been noticed. In reservoir geomechanics, the caprock creep contribution in the subsidence is small and irreversible even if the reservoir pressure is recovered. Permeability changes have been subtle despite the creep contribution and the reservoir pressure variation. The literature review, the creep models, the analysis methodologies, the capabilities incorporated into the framework and the discussions motivated by the case studies represent the added value of the thesis to the scientific community and industry regarding the strategic use of salt rocks.

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