[pt] Na presente pesquisa, foi realizada a interpretação de comportamento da obra de reforço em um dique de contenção para resíduos de mineração construído sobre solos moles. Foram definidos o perfil geotécnico e as etapas de alteamento a serem analisadas pelo método de elementos finitos, no software Plaxis 2D. Para definição dos parâmetros, foram interpretados ensaios de campo e laboratório, sendo que nos ensaios de laboratório em que as curvas eram conhecidas, foi possível aplicar a otimização de parâmetros com a simulação de ensaios em uma extensão do Plaxis (Soil test). No caso dos solos silto arenosos e dos materiais de aterro, as interpretações foram feitas com o modelo Hardening Soil Model. Já para as camadas argilosas, foram simulados cinco diferentes cenários com os modelos: Soft Soil Creep, Hardening Soil e Mohr Coulomb com parâmetros de resistência efetivos e Hardening Soil e Mohr Coulomb com resistência não drenada. Os resultados de deslocamentos foram comparados entre si e com os dados do monitoramento de campo. Para análise da estabilidade os cinco cenários foram comparados entre si e com os resultados de uma análise convencional com equilíbrio limite em termos de tensões totais. Foi realizada também a aplicação do Método dos Volumes Deslocados como uma forma de verificar sua adequação para acompanhamento in situ da estabilidade da obra em cada etapa construtiva. / [en] In this present research, it was done an interpretation of the reinforcement work s behavior in a containment dike/dam for mining waste built on soft soils. It was defined the geotechnical profile and the heightening steps to be performed using the finite element method in the Plaxis 2D software. To define the parameters, the field and laboratory tests were interpreted, and in the laboratory tests in which the curvatures were known, it was possible to apply parameters with the simulation of tests in an extension of Plaxis (Soil test). In the case of sandy silt soils and embankments materials, as was done with the Hardening Soil Model. For the clay layers, five different scenarios were simulated with the models: Soft Soil, Hardening Soil and Mohr Coulomb with effective strength parameters and Hardening Soil and Mohr Coulomb with undrained strength parameters. The displacement results were compared with each other and with field monitoring data. For the stability analysis the five scenarios were analyzed among themselves and with the results of a conventional analysis with limit equilibrium in terms of total strength. Also the application of the Displaced Volumes Method as a way of verifying its suitability to in situ monitoring of the stability of the work at each constructive stage.

[pt] A história registra ao longo dos séculos muitos casos de colapso de depósitos de solos arenosos, com consideráveis prejuízos econômicos, perdas de vidas humanas e danos ao meio ambiente, causados pela liquefação dinâmica ou por mobilidade cíclica. Quando um desempenho satisfatório de estruturas não puder ser garantido sob carregamento sísmico, métodos de mitigação devem ser empregados para reduzir o potencial de liquefação. Dentre estes, a execução de drenos verticais é solução interessante, mas desafiadora, pois drenos verticais podem ser utilizados caso dissipem suficientemente rápido os excessos de poropressão e transportem eficientemente o volume de água durante os poucos segundos de duração de terremotos. Uma dificuldade é a avaliação do coeficiente de permeabilidade do depósito de solo, o que afeta e torna incerta a distância desejável entre drenos. Nesta dissertação, análises do desempenho de drenos verticais para mitigação de liquefação dinâmica são realizadas com base em formulações matemáticas e modelos numéricos pelo método dos elementos finitos. / [en] Throughout centuries there are many recorded cases of collapse of sandy deposits with considerable economic losses, loss of human life and damage to the environment caused by the dynamic liquefaction or cyclic mobility. When a satisfactory performance of structures can’t be guaranteed under seismic loading, methods of mitigation must be employed in order to reduce the potential of liquefaction. Among these methods, the execution of prefabricated vertical drains is an interesting, but challenging, solution, because drains can be used if they dissipate very quickly the excess of porepressure generated during the small duration of earthquakes. One of the main challenges is to evaluate the coefficient of permeability of the deposit which affects and brings uncertainties to the desirable distance between the drains installed. On this work, analysis of the performance of vertical drains to mitigate dynamic liquefaction are performed based in mathematical formulations and numerical models through the Finite Element Method.

[pt] O presente estudo tem como objetivo investigar o processo de cimentação de poços de petróleo, na presença de zonas de perda de filtrado. Um aparato experimental foi projetado, construido e operado com o objetivo de simular a cimentação de um poço de petróleo. Com diâmetros característicos dos poços reais, esse simulador permite que o processo de cura da coluna de cimento seja monitorado com condições controladas. O aparato consiste em uma coluna anular concêntrica com 8m de comprimento. A zona de perda de filtrado é modelada por uma parede semi-permeável, e todo poço é equipado com sensores de pressão e temperatura. Isso possibilita a investigação dos mecanismos de cura da pasta de cimento, bem como o impacto da perda de filtrado na evolução do perfil de pressão. Para tentar prever esse comportamento, um modelo numérico 2D de Elementos Finitos foi proposto e implementado em Python, utilizando bibliotecas pré-compiladas de código aberto denominadas FEniCs. As equações de conservação de massa e momento são resolvidas para obter os campos de velocidade e pressão. A mistura da pasta de cimento é considerada um fluido incompressível e composta de duas espécies químicas: a fase aquósa(ou filtrado) e o cimento dissolvido. O transporte de massa é modelado usando a equação de advecção-difusão, e a pasta é modelada como um fluido viscoplástico que sofre redução volumétrica com a cura. Finalmente, os resultados das simulações foram confrontados com os dados experimentais obtidos, e uma boa concordância foi observada. Uma investigação adicional foi realizada no modelo numérico, através de uma análise de sensibilidade individual dos parâmetros de entrada e seu respectivo impacto na queda de pressão. Para o regime de taxas de cisalhamento avaliados, os resultados indicaram uma forte dependência entre a evolução do perfil de pressão e o tempo de cura, a magnitude da vazão de filtrado e o patamar newtoniano da viscosidade. / [en] This thesis aims to investigate the cementing process of an oil well in presence of a filtrate loss zone. An experimental setup was designed, built and operated to simulate an annular well field-like geometry where cement would cure under controlled conditions. This well simulator consisted of an 8m concentric annular column with a section of semi-permeable external wall, equipped with pressure and temperature sensors. It allows the investigation of the cementing cure mechanisms, as well as the impact of the fluid loss zone in the pressure drop behavior. In order to predict this behavior on real oil wells, a 2D transient numerical model is proposed. A finite element model was implemented in Python with the aid of an open source library named FEniCs. Mass and momentum conservation equations are solved to obtain the pressure and velocity fields, and the cement mixture is considered an incompressible single-phase mixture composed of two chemical species: the filtrate and the dissolved cement. Mass transport is modeled with an advection-diffusion equation and dissolved cement species is modeled as a viscoplastic fluid with shrinkage. Finally, the simulation results were confronted with the experimental data, and a good agreement was observed. Further investigation of numerical model parameters was performed, and a sensitivity analysis evaluated individual influence of those parameters in the pressure drop. The results indicate that pressure profile evolution has a strong dependency on thickening time, fluid loss flow rate magnitude and the Newtonian viscosity plateau for the evaluated shear rate regimen.

[pt] Edifícios com as mais diversas finalidades estão sujeitos a eventos extremos, tais como impacto de veículos, explosões, e perdas súbitas de membros essenciais para a garantia da sua estabilidade. O colapso progressivo pode ser definido como o processo no qual um dano localizado leva a uma ruína em cadeia, causando a queda de um edifício inteiro ou de parte considerável dele. A perda repentina de determinado membro essencial devido às cargas excepcionais pode desencadear o colapso progressivo de uma estrutura, causando enormes prejuízos humanos e econômicos. O colapso progressivo é fenômeno de natureza dinâmica e não linear, sendo assim, a sua modelagem é complexa. A técnica mais empregada para avaliação do colapso progressivo de estruturas é o método dos caminhos alternativos, que verifica o comportamento da estrutura ante a remoção de um membro essencial de suporte, analisando assim sua capacidade de redistribuição de esforços e resistência ao aumento súbito de carga em uma situação crítica. O trabalho realizou sucessivas análises de modelos da estrutura de um edifício em concreto armado, adotando grau de complexidade progressivo a cada uma delas, utilizando o método dos caminhos alternativos. Analisou-se ao final a efetividade e a importância de cada uma das etapas de análise empregadas no trabalho. A estrutura dimensionada conforme a norma brasileira de concreto armado necessitou de ajustes para atender aos requisitos mínimos de resistência ao colapso progressivo. / [en] Buildings with the most diverse purposes are subject to extreme events, such as vehicle impact, explosions, and sudden loss of members essential to their stability. Progressive collapse can be defined as the process in which a localized damage leads to chain failure, causing the fall of an entire building or a large part of it. The sudden loss of an essential member due to exceptional loads can trigger the progressive collapse of a structure, causing enormous human and economic damage. Progressive collapse is a dynamic nonlinear phenomenon, so its modeling is complex. The most employed technique for evaluation of progressive collapse is the alternative load path method, which verifies the structure behavior after the sudden loss of a load-bearing element, checking its stress redistribution capacity and strength to load increase in critical situations. This work realized successive analysis of structural models of a reinforced concrete building, adopting a progressive complexity to each of them, using the alternative path method. At the end, the effectiveness and importance of each of the analysis steps employed at work were analyzed. The structure designed acoording to the reinforced concrete brazilian standard needed adjustments to meet the minimum resistance requirements of progressive collapse.

[pt] Esta pesquisa visa o desenvolvimento de uma ferramenta numérica capaz de simular a inclusão de elementos drenantes em solos, sejam eles representados por drenos subhorizontais ou poços, constituindo sistemas de drenagem amplamente utilizado em estabilidade de encostas, túneis, escavações e outros. A implementação foi gerada nos programas de fluxo SWMS_2D e SWMS_3D (Simunek e outros, 1994). A formulação proposta considera a equação de fluxo do elemento drenante e a estratégia numérica de sua inclusão na equação de fluxo do solo pelo método dos elementos finitos. Algumas análises numéricas foram realizadas visando a validação do algoritmo. Para os poços foram analisados os casos confinados e não confinados e em regime permanente e transiente, comparando as soluções numéricas obtidas com as soluções analíticas de Theis (1935) (Freeze, 1979), para aqüífero confinado, e de Neumann (1975), para aqüífero não confinado. Para os drenos subhorizontais, propõe - se aqui uma metodologia de análise, levando em consideração os parâmetros hidráulicos e geométricos de um elemento de dreno. Sua aplicação atual não requer muito rigor e este estudo vem com a proposta de ser uma ferramenta geotécnica na fase de projeto de uma obra. / [en] This research aims at the development of a numerical tool capable to simulating the inclusion of draining elements in soils. These elements are represented by subhorizontais drains or wells, constituting systems geotechnical widely used in stability of slopes, tunnels and other problems. The implementation was based in the finite elements programs of flow SWMS_2D and SWMS_3D (Simunek e outros, 1994). The proposed formulation considers the equation of flow of the draining element and the numerical strategy of its inclusion by using the method finite elements. A few numerical analyses were carried out aiming at the validation of the proposed algorithm. For the wells, the confined and unconfined cases and in permanent and flow transient conditions have been analyzed, comparing the obtained numerical solutions with the analytical one by Theis (1935) (Freeze, 1979), for water-bearing confined, and one by Neumann (1975), for water-bearing unconfined. For the subhorizontais drains, an analysis methodology is proposed here, taking in to consideration the hydraulical and geometric parameters of a drain element. In this case illustrative examples are presented. The implementation carried out is a simplified one but is should be adequate for the design of geotechnical structures.

[pt] Esta pesquisa tem como objetivo a implementação de uma ferramenta numérica que contabiliza as inclusões horizontais e subhorizontais na parcela de solo devidamente discretizada por elementos finitos. Este modelo implementa a análise de esforços axiais e cisalhantes solicitados nas interfaces grampo/nata, nata/solo e no próprio aço (grampo) e, também, esforços fletores de um material “equivalente” formado pela combinação das rigidezes do grampo e da nata. Este objetivo é alcançado através da implementação de mais um “pacote” de subrotinas, denominado grampo, no programa DYNREL, desenvolvido no Departamento de Engenharia Civil da PUC-Rio (Figueiredo, 1991). A formulação proposta para contabilizar o efeito das inclusões considera, além dos deslocamentos nodais horizontal e vertical, a influência das rotações no sistema de forças envolvido. A parcela reativa do grampo é calculada iterativamente em função das variáveis primárias obtidas no programa principal para o meio discretizado sem reforço e, assim, acrescida ao vetor de forças internas contrárias. Logo o novo vetor de forças desbalanceadas do sistema incorpora o efeito das inclusões passivas (grampo). O presente trabalho apresenta detalhes da técnica de estruturas grampeadas, do modelo numérico de análise implementado, de exemplos de validação do comportamento das estruturas grampeadas e de exemplos ilustrativos destas estruturas. / [en] The present research has as its main objective the development of a numerical tool capable of simulating the introduction of long structural inclusions in a soil mass discretized by finite elements. Models of the behaviour of the nail/grout system and its interaction with the soil mass were implemented. These models take into account the normal and shear loads transferred at the nail-grout and grout-soil interfaces besides the axial loads and moments acting in the nail itself. The models are able to consider both elastic and inelastic behaviour both at the interfaces and the nail. The proposed models , consisting on a set of subroutines, were implemented in the program DYNREL, developped at the Civil Engineering Department of PUC Rio (Figueiredo,1991). DYNREL is a finite element program which uses dynamic relaxation as the solution algorithm for the equilibrium equations. In the implementation carried out, it is considered that the soil mass is discretized without taking into account the nail. The reactions of the nails are calculated at each time step from the displacements of the elements intercepted by the nails. These displacements are used in the developped subroutines to generate the force reactions from the nails which in turn are transferred back to the finite element mesh for the following time step calculations. The present work presents detais of the implemented models as well as validation and illustrative examples. Conclusions are drawn relative to the numerical implementation carried out and to the results obtained on the analysis of hypothetical nailed retaining structure. / [es] Esta investigación tiene como objetivo principal, el desarrollo de una herramienta numérica capaz de simular la introducción de refuerzos en una masa de suelo discretizada por elementos finitos. Fueron implementados modelos de comportamiento del sistema clavo/nata y sus interacciones con el suelo. Estos modelos consideran las cargas normales y cisallantes que actúan en las interfaces clavo - nata y nata - suelo debido a la acción de momentos y cargas axiales. Los modelos consideran tanto el comportamiento inelástico como el elástico en las interfaces y los clavos. Los modelos propuestos, que consisten en una serie de subrutinas, fueron implementados en el programa DYNREL, desarrollado en el Departamento de Ingeniería Civil de la PUC-Rio (Figueiredo, 1991). O DYNREL es un programa en elementos finitos que utiliza del Relajamiento Dinámico como algoritmo de solución para las ecuaciones de equilibrio. En la implementación se considera una masa de suelo discretizada sin llevar en cuenta el clavo. Las reacciones de los clavos se calculan en cada instante de tiempo por los desplazamientos de los elementos interceptados por los clavos. Estos desplazamientos se utilizan en las subrutinas desarrolladas para generar las fuerzas de reacción de los clavos, que son transferidos nuevamente para la red de elementos finitos para los cálculos en el instante de tiempo siguiente. Este trabajo presenta detalles de los modelos implementados, así como ejemplos de evaluación y aplicación. Se arriban a conclusiones relativas a la implementación numérica y a los resultados obtenidos del análisis de extructuras de contención clavadas hipotéticas.

[pt] O objetivo deste trabalho é ser uma contribuição ao entendimento dos mecanismos envolvidos na migração por gravidade dos compostos orgânicos chamados de DNAPLs, quando eles são liberados em meios porosos e em meios porosos fraturados, para aportar ao desenvolvimento de tecnologias efetivas orientadas principalmente à localização e à remediação do sistema subterrâneo contaminado. Primeiramente são apresentados os conceitos elementares envolvidos nos modelos matemáticos que descrevem o fluxo bifásico em meios porosos, o processo de modelagem de um problema geral da natureza, os modelos conceituais, os matemáticos e os numéricos, e a aplicabilidade dos modelos conceituais conforme a considerações de escala. Em segundo lugar, são desenvolvidas as equações matemáticas que governam os fenômenos em estudo e são apresentadas as soluções às equações governantes a partir de técnicas computacionais e esquemas de integração numérica. As equações do fluxo bifásico são resolvidas mediante técnicas de elementos finitos mistos hibridizados (EFHM) e elementos finitos descontínuos (GD), e as equações do transporte de contaminantes são resolvidas mediante a técnica dos elementos finitos convencionais (EF). Seguidamente são avaliados numericamente problemas de transporte de contaminantes em 1D e 2D, problemas de transporte de contaminantes com transferência de massa, problemas de fluxo bifásico em 2D, e problemas acoplados envolvendo tanto fluxo bifásico como transporte de contaminantes com transferência de massa. Finalmente, são apresentadas as conclusões do trabalho desenvolvido bem como sugestões para trabalhos futuros. / [en] The objective of this work is to contribute to the understanding of the mechanisms involved in the gravity migration of organic compounds, called DNAPLs, when they are released in a porous media and in a fractured porous media, and to contribute to the development of effective technologies mainly oriented to the location and remediation of contaminated underground system. Firstly, some basic concepts are presented, especially those involved in the mathematical models that describe the two-phase flow in porous media, the conceptual models, the mathematical models, as well as the numerical models. Secondly, the mathematical equations that govern the phenomena under study are developed and the solutions to the governing equations from computational techniques and numerical integration schemes are presented. The biphasic flow equations are solved using mixed and hybridized finite element techniques (EFHM) and discontinuous finite element (GD), and the contaminant transport equations are solved by the conventional technique of finite element (FE). Then, some problems are numerically evaluated in 1D and 2D, such as transport of contaminants with and without mass transfer, two-phase flow problems in 2D, and attached problems involving both biphasic flow and contaminant transport with mass transfer. Finally, the conclusions of this thesis as well as the suggestions for future works are presented.

[pt] Soluções poliméricas diluídas podem ser usadas na indústria de Óleo e Gás para injeção em reservatórios de petróleo como agentes de controle de mobilidade em técnicas de recuperação avançada de óleo, com o objetivo de aumentar o fator de recuperação do campo e postergar a indesejada alta taxa de produção de água. No entanto, o fenômeno macroscópico esperado, aumento da eficiência de varrido, é influenciado diretamente por fatores microscópicos que ocorrem na escala de poro. Devido às suas grandes cadeias moleculares, ao avançar através do meio poroso, soluções poliméricas de alto peso molecular dificultam o avanço da água alterando a razão de mobilidades água/óleo. Porém, o estudo de escoamento de soluções poliméricas ainda é um desafio devido ao comportamento não Newtoniano da relação vazão x diferença de pressão e à sensibilidade a diversos fatores como: tipo de polímero utilizado, concentração, razão de viscosidades, temperatura, salinidade e taxa de cisalhamento. O presente trabalho analisa a implementação de dois modelos constitutivos, Oldroyd-B e FENE-CR, aplicados ao método de solução de elementos finitos, EF, utilizando a formulação dos resíduos ponderados de Galerkin para modelar o escoamento de soluções poliméricas diluídas através de capilares com constrição e entender os fenômenos viscosos e elásticos envolvidos. Os resultados obtidos fornecem uma descrição mais detalhada da aplicação dos modelos testados e do escoamento de soluções poliméricas diluídas em gargantas de poros. / [en] Diluted polymeric solutions can be used in Oil & Gas industry for reservoir injection as mobility control agents in enhanced oil recovery technics, which goal is to increase the oil field recovery factor and postpone the high water production rates. However, the macroscopic expected phenomena, increase of the areal sweep, is directly influenced by microscopic factors that occurs at the pore scale. Due to their huge molecular chains, by advancing through the porous media, high molecular weight polymer solutions hinder the water flow changing the water/oil mobility ratio. Nevertheless, the comprehension of polymeric solutions flow is still a great challenge due to the Non-Newtonian behavior of the flow rate x pressure gradient relation and the sensibility to several variables such as: type of polymer used, concentration, viscosity ratio, temperature, salinity and shear rate. The present work analyzes the implementation of two constitutive models, Oldroyd-B and FENE-CR, coupled with the Finite Element method using the Galerkin weighted residual formulation to model the flow of diluted polymeric solutions through constricted capillaries and understand the viscous and elastic phenomena involved. The obtained results provide a more detailed portrait of the constitutive models and the flow of diluted polymeric solutions through pore throats.

[pt] Os deslizamentos ocorridos em grandes escalas ao redor do mundo decorrentes, principalmente, de eventos chuvosos extremos criaram um sinal de alerta para a necessidade de compreensão dos mecanismos de deflagração desses movimentos de massa. No entanto, a influência de variáveis fundamentais, como a espessura de solo e as condições iniciais de umidade, no estudo de estabilidade de bacias hidrográficas ainda não foi totalmente esclarecido. Nesta dissertação, simulações numéricas de fluxo e análise de estabilidade de encostas são realizadas nas bacias hidrográficas dos rios Quitite e Papagaio. Primeiramente, dois modelos analíticos de espessura de solo são utilizados em simulações envolvendo o fluxo tridimensional saturado-não saturado com o uso do método dos elementos finitos. A condição inicial de umidade também é analisada utilizando-se dados de precipitação por um período de spin-up. Posteriormente, o fator de segurança (FS) da região, via talude infinito, é analisado após a imposição de um evento chuvoso extremo. Dessa forma, é possível verificar que os intervalos de espessuras de solo de 0 a 3 m são os que mais se assemelham às cicatrizes mapeadas, sugerindo uma abordagem mais realística de espessura média para a bacia. Além disso, é verificado que, em eventos extremos, o uso do spin-up time para condição inicial de umidade variável pode não ter muita influência no fator de segurança, pois a intensidade e duração da chuva serão os agentes deflagradores. / [en] The large-scale landslides that have occurred around the world, mainly due to extreme rainfall events, serve as a warning signal for the need to understand the triggering mechanisms of these mass movements. However, the influence of fundamental variables, such as soil thickness and initial moisture conditions, in the study of watershed stability has not been fully clarified. In this dissertation, numerical flow simulations and slope stability analysis are carried out for the hydrographic basins of the Quitite and Papagaio rivers. In this study, two analytical soil thickness models are applied to saturated-unsaturated three-dimensional finite element flow simulations. The initial moisture condition is analyzed using precipitation data for a spin-up period. Subsequently, the safety factor (SF) is analysed, using the infinite slope method, after the imposition of an extreme rainfall event. From these results, it is possible to verify that the ranges of soil thicknesses from 0 to 3 m are the ones that most resemble the mapped scars, suggesting a more realistic approach for considering the average basin thickness. In addition, it is verified that, in extreme events, the use of spin-up time for initial variable humidity conditions may not have much influence on the safety factor, since the intensity and duration of the rain will be the triggering agents.

[pt] O uso de sistemas estruturais mistos no mercado brasileiro tem aumentado nos últimos anos. Nesses sistemas as seções de diversos elementos estruturais são compostas por aço e concreto e suas resistências à tração e à compressão, respectivamente, são utilizadas de forma otimizada. Este estudo tem por objetivo avaliar o comportamento estrutural do vigamento de piso misto tipo Stub-Girder, modificado para melhor aproveitamento dos perfis em sua fabricação. O estudo é baseado em formulações não lineares físicas por meio do método dos elementos finitos (MEF), com uso do software ANSYS. Para calibrar o modelo numérico, foram utilizados dados de ensaios em escala real disponíveis na literatura, além de um ensaio em escala real realizado no Laboratório de Estruturas do departamento de Engenharia Civil e Ambiental da PUC-Rio. Uma análise paramétrica foi realizada utilizando diversos tipos de perfis disponíveis no mercado brasileiro para que o sistema Stub-Girder modificado pudesse ser avaliado no que diz respeito à resistência e rigidez. Foi ainda mostrado que os modelos constitutivos adotados para o concreto apresentam resultados coerentes e próximos dos obtidos em laboratório. / [en] Steel-concrete composite structural systems are increasingly adopted in Brazil s construction industry. In these systems steel and concrete are used to create sections that behave in structurally efficient manner by utilizing steel s tensile strength and concrete s compressive strength. The purpose of this research is to evaluate the structural behavior of a Stub-Girder floor system, modified to improve the use of steel profiles in its manufacturing process. A numerical procedure is developed, based on nonlinear analysis through the use of the finite element method (FEM), employing the software ANSYS. To calibrate the numerical model, data from full-scale tests available in the literature were used in addition to a full-scale test carried out in the Structures Laboratory (Civil Engineering and Environment department, PUC-Rio). A parametric analysis was performed using several types of profiles available in the Brazilian market so that the modified stub-girder system could be evaluated regarding strength and stiffness. The constitutive models for concrete were shown to be coherent with laboratory results.