[pt] Movimentos de terra em encostas frequentemente causam grandes prejuízos econômicos, ambientais, sociais e, com freqüência, perda de vidas humanas. O mecanismo que desencadeia o processo de movimentação geralmente ocorre em períodos de chuvas intensas, principalmente nas encostas com pouca cobertura vegetal ou naquelas que sofreram mudanças recentes na topografia, geralmente pela execução de cortes. Neste trabalho foram realizadas análises de estabilidade da um trecho da encosta da BR-376, que liga as cidades de Curitiba a Joinville no km 55+800 do oleoduto OSPAR da Transpetro. Em 1995, cortes executados para duplicação da rodovia provocaram instabilidade em certa área da encosta. Em janeiro de 1997, durante um período de fortes chuvas, um novo escorregamento da porção inferior do talude provocou a ruptura do muro existente e uma série de escorregamentos sucessivos, que chegaram a atingir a faixa dos oleodutos. Diante desse cenário, utilizou-se primeiramente o programa de elementos finitos PLAXIS para as análises de estabilidade e posteriormente, a fim de comparação, o programa Slope/W e Sigma/W. Para as análises no PLAXIS foi utilizado o hardening soil model para o solo, com os parâmetros sendo determinados através de ensaios triaxiais com amostras obtidas de dois blocos de solo coletados das encosta. Os efeitos da movimentação da encosta no oleoduto OSPAR foram analisados por programa 3D de elementos finitos, dando-se ênfase às tensões e deformações para se a fim de verificar a integridade do duto. / [en] In densely populated urban areas, landslides generally cause large economic, social and environmental damages as well as, quite frequently, the loss of human lives. The main triggering factor for soil slope failures is the occurrence of heavy rainfalls and the most affected slopes are those with little vegetal covering or that had suffered recent changes in topography, generally due to the execution of cuts and excavations. In this work, stability analyses of a soil slope located at km 55+800 of the Transpetro’s OSPAR oil pipeline were carried out In 1995, the works for the duplication of the BR-376 highway, connecting the cities of Curitiba and Joinville, caused some instability in certain area of the soil slope. Later, in January 1997, during a period of heavy rainfall, a new landslide near the slope toe provoked the failure of the existing retaining wall and triggered a series of successive slides that reached the protected area were the oil pipeline was buried. In order to better understand the mechanics involved in this process, numerical analyses were carried out using the computational programs Slope/W, Sigma/W and Plaxis v.8. The soil behavior was simulated considering the hard soil model, whose constitutive parameters were estimated from triaxial tests. The influence of soil movements on the OSPAR oil pipeline were investigated through a 3D finite element analysis, with emphasis on stress and strain distributions in order to check the pile line structural integrity.

[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] O conhecimento dos esforços de flexão e normal provocados por movimentação de solo é importante para a análise de integridade estrutural de dutos. A existência de tensões residuais é um dos principais obstáculos para obtenção de resultados precisos na determinação de tais esforços. Este trabalho foi desenvolvido com o objetivo de analisar o comportamento das tensões residuais de fabricação em tubos ao longo de sua circunferência e de seu comprimento. Foram feitas medições de tensões residuais em corpos de prova de um tubo novo e de outros retirados de operação utilizando a técnica de furo cego e uma nova técnica de seccionamento. As medições foram realizadas ao longo da circunferência e em diferentes seções dos tubos. As medições com a técnica de seccionamento proposta, denominada técnica do furo elíptico, mostraram-se coerentes com as medições com o furo cego, principalmente para as tensões longitudinais. A partir dos resultados obtidos nos experimentos realizados, foram feitas recomendações e propostas metodologias para separar as tensões residuais de fabricação das tensões atuantes no duto em operação. Para cada método proposto foi feita uma simulação para avaliar seus erros. As tensões residuais de fabricação circunferenciais e longitudinais possuem magnitudes consideráveis (por vezes até próximas à resistência ao escoamento dos tubos). Desprezá-las em medições realizadas em campo, como é feito na maioria das vezes para calcular os esforços existentes, pode acarretar grandes erros na determinação dos esforços agindo sobre o duto. Os resultados das simulações mostraram que, se as tensões residuais forem baixas, os esforços de trabalho obtidos desconsiderando-as são próximos dos valores reais. No mais, os procedimentos propostos para a determinação dos esforços, mediante a separação das tensões residuais existentes, apresentaram erros menores ou, no mínimo, próximos aos encontrados quando o cálculo foi feito negligenciando-se as tensões residuais. / [en] The knowledge of the bending and axial efforts caused by soil movement is important for the structural integrity analysis of pipelines. The existence of residual stresses is one of the main obstacles for obtaining good results in the determination of such efforts. This work was developed to analyze the behavior of the residual stresses of manufacturing in pipes throughout its circumference and length. Measurements of residual stresses had been made in samples of a new pipe and others samplers removed from operation, using the hole drilling technique and a new sectioning technique. The measurements had been carried throughout the circumference and different sections of the pipes. The measurements with the sectioning technique proposed, called elliptical hole technique, are coherent with the measurements of the hole drilling technique, mainly for the longitudinal stresses. From the experimental results, recommendations had been made and methodologies had been proposed to separate the manufacturing residual stresses from the operating stresses in the pipelines. For each method considered in this work, a simulation was made to evaluate its errors. The circumferential and longitudinal residual stresses of manufacturing have considerable magnitudes (sometimes next to the yield strength of the pipes). Not considering the residual stresses in measurements carried through in situ to calculate the existing loads, as it is made most of the time, can cause significant errors in the determination of the efforts acting on the pipeline. The results of the simulations had shown that, if the residual stresses are low, the work loads obtained when the residual stresses are not considered are comparable with the correct loads. The procedures proposed for the determination of loads, considering the separation of the existing residual stresses, had presented smaller errors or closer to those when the calculation was made neglecting the residual stresses.

[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.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / Os recentes desastres ocorridos no país, como o rompimento da adutora em Campo Grande e os desastres relacionados às enchentes urbanas, mostram a necessidade de desenvolvimento de pesquisas científicas que auxiliem na compreensão e no dimensionamento das estruturas projetadas para atender a demanda da população. Os métodos analíticos e experimentais mais utilizados possuem algumas limitações de ordem teórica ou prática. Por outro lado, os métodos numéricos, capazes de simular etapas construtivas e envolver materiais com diferentes modelos constitutivos numa mesma análise, buscam atender às necessidades práticas dos projetos de geotecnia e, ao mesmo tempo, complementam os modelos analíticos e experimentais. Nesse trabalho foram realizadas comparações entre resultados obtidos em ensaios experimentais e resultados extraídos do modelo computacional, buscando aumentar a compreensão sobre a interação solo-estrutura em relação à distribuição de tensões mobilizadas e aos deslocamentos e deformações provocados. A simulação numérica foi feita com a utilização do PLAXIS/3D, software de análise geotécnica baseado no método dos elementos finitos. Os ensaios foram confeccionados na Escola de Engenharia de São Carlos/USP por Costa (2005) e envolveram dutos enterrados submetidos à perda de apoio ou elevação localizada. O estudo experimental foi realizado através de modelos físicos compostos por um maciço de areia pura, contendo um tubo repousando sobre um alçapão no centro do vão. Os modelos físicos foram equipados com instrumental capaz de medir as deflexões e as deformações específicas ao longo do duto, além das tensões totais no maciço de solo circundante e na base do equipamento. / Recent disasters that occurred in this country, like the failure of a pipeline in Campo Grande and others disasters related to urban flooding, show us the need for developing scientific researches that help us to understand the behavior of these structures and to design them to serve the population. Analytical and experimental methods have some theoretical and practical limitations. On the other hand, numerical methods are capable to simulate staged constructions and to analyze together materials with different constitutive models, supplying practical necessities of geotechnical projects and complementing analytical and experimental models. In this dissertation comparisons between experimental results and numerical results have been made, trying to increase the comprehension about the interaction of soil and pipe with respect to mobilized stress distribution, displacements and strains. The numerical modeling was performed on PLAXIS 3D software, based on Finit Elements Method. The experimental test was made by Costa (2005) at São Carlos Engineering School/USP and involved buried pipes undergoing loss of support or elevation in a localized region along its length. Tests have been performed with physical models comprising dry and pure dry sand and a tube resting on a rigid trapdoor base located at the center of its length. The models were equipped with devices for measuring deflections and strains in the pipe, and total stresses in soil mass and in the lower boundary of the model.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / Os recentes desastres ocorridos no país, como o rompimento da adutora em Campo Grande e os desastres relacionados às enchentes urbanas, mostram a necessidade de desenvolvimento de pesquisas científicas que auxiliem na compreensão e no dimensionamento das estruturas projetadas para atender a demanda da população. Os métodos analíticos e experimentais mais utilizados possuem algumas limitações de ordem teórica ou prática. Por outro lado, os métodos numéricos, capazes de simular etapas construtivas e envolver materiais com diferentes modelos constitutivos numa mesma análise, buscam atender às necessidades práticas dos projetos de geotecnia e, ao mesmo tempo, complementam os modelos analíticos e experimentais. Nesse trabalho foram realizadas comparações entre resultados obtidos em ensaios experimentais e resultados extraídos do modelo computacional, buscando aumentar a compreensão sobre a interação solo-estrutura em relação à distribuição de tensões mobilizadas e aos deslocamentos e deformações provocados. A simulação numérica foi feita com a utilização do PLAXIS/3D, software de análise geotécnica baseado no método dos elementos finitos. Os ensaios foram confeccionados na Escola de Engenharia de São Carlos/USP por Costa (2005) e envolveram dutos enterrados submetidos à perda de apoio ou elevação localizada. O estudo experimental foi realizado através de modelos físicos compostos por um maciço de areia pura, contendo um tubo repousando sobre um alçapão no centro do vão. Os modelos físicos foram equipados com instrumental capaz de medir as deflexões e as deformações específicas ao longo do duto, além das tensões totais no maciço de solo circundante e na base do equipamento. / Recent disasters that occurred in this country, like the failure of a pipeline in Campo Grande and others disasters related to urban flooding, show us the need for developing scientific researches that help us to understand the behavior of these structures and to design them to serve the population. Analytical and experimental methods have some theoretical and practical limitations. On the other hand, numerical methods are capable to simulate staged constructions and to analyze together materials with different constitutive models, supplying practical necessities of geotechnical projects and complementing analytical and experimental models. In this dissertation comparisons between experimental results and numerical results have been made, trying to increase the comprehension about the interaction of soil and pipe with respect to mobilized stress distribution, displacements and strains. The numerical modeling was performed on PLAXIS 3D software, based on Finit Elements Method. The experimental test was made by Costa (2005) at São Carlos Engineering School/USP and involved buried pipes undergoing loss of support or elevation in a localized region along its length. Tests have been performed with physical models comprising dry and pure dry sand and a tube resting on a rigid trapdoor base located at the center of its length. The models were equipped with devices for measuring deflections and strains in the pipe, and total stresses in soil mass and in the lower boundary of the model.

[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.

Perante diversas situações da engenharia são utilizadas formulações empíricas de dimensionamento baseadas em dados de campo e experiência profissional que definem muito o caráter subjetivo da metodologia padrão de projeto. O presente trabalho de pesquisa aborda os diversos métodos de obtenção dos esforços gerados em dutos enterrados submetidos a cargas dinâmicas e estáticas e sua posterior reavaliação através de modelagem numérica com o programa Plaxis 3D. Os métodos analíticos não convencionais foram comparados com o método padrão de cálculo sendo que o mesmo demonstrou ter uma boa precisão mesmo sem considerar outros fatores importantes como a parcela de resistência devida à coesão do solo e sua deformabilidade. A modelagem numérica demonstrou o conservadorismo do método de Marston e o subdmensionamento do espraiamento em prisma devido aos efeitos locais ocasionados pela adoção do recobrimento mínimo e sobrecarga dinâmica elevada. Também se observou, através da modelagem 3D, que a utilização dos dois métodos clássicos favorecem a obtenção de resultados dentro da razoabilidade.Verificou-se também, como resultado desta pesquisa, que a proposta de um método clássico modificado permite uma melhor aproximação da carga que atinge o duto. / In various engineering situations, empirical formulations of design, based on field data and professional experience which highly define the subjective nature of the standard design methodology, are used. This paper discusses the various methods of obtaining the stresses generated in buried pipelines, which are subjected to static and dynamic loads, and their subsequent re-evaluation by numerical modeling with Plaxis 3D program. The non-conventional analytical methods were compared with the standard method of calculation and it has demonstrated good accuracy even without considering other factors such as soil cohesion and deformability. The numerical modeling demonstrated the conservatism of the Marston method and subsiding of the prism spread due to local effects caused by the adoption of minimum cover and high dynamic overload and due to how the use of two classical methods favor reasonable results. A classic modified method that would allow a closer approximation of the load was also proposed.

Perante diversas situações da engenharia são utilizadas formulações empíricas de dimensionamento baseadas em dados de campo e experiência profissional que definem muito o caráter subjetivo da metodologia padrão de projeto. O presente trabalho de pesquisa aborda os diversos métodos de obtenção dos esforços gerados em dutos enterrados submetidos a cargas dinâmicas e estáticas e sua posterior reavaliação através de modelagem numérica com o programa Plaxis 3D. Os métodos analíticos não convencionais foram comparados com o método padrão de cálculo sendo que o mesmo demonstrou ter uma boa precisão mesmo sem considerar outros fatores importantes como a parcela de resistência devida à coesão do solo e sua deformabilidade. A modelagem numérica demonstrou o conservadorismo do método de Marston e o subdmensionamento do espraiamento em prisma devido aos efeitos locais ocasionados pela adoção do recobrimento mínimo e sobrecarga dinâmica elevada. Também se observou, através da modelagem 3D, que a utilização dos dois métodos clássicos favorecem a obtenção de resultados dentro da razoabilidade.Verificou-se também, como resultado desta pesquisa, que a proposta de um método clássico modificado permite uma melhor aproximação da carga que atinge o duto. / In various engineering situations, empirical formulations of design, based on field data and professional experience which highly define the subjective nature of the standard design methodology, are used. This paper discusses the various methods of obtaining the stresses generated in buried pipelines, which are subjected to static and dynamic loads, and their subsequent re-evaluation by numerical modeling with Plaxis 3D program. The non-conventional analytical methods were compared with the standard method of calculation and it has demonstrated good accuracy even without considering other factors such as soil cohesion and deformability. The numerical modeling demonstrated the conservatism of the Marston method and subsiding of the prism spread due to local effects caused by the adoption of minimum cover and high dynamic overload and due to how the use of two classical methods favor reasonable results. A classic modified method that would allow a closer approximation of the load was also proposed.