Submitted by Eduarda Figueiredo (eduarda.ffigueiredo@ufpe.br) on 2015-03-05T14:15:06Z No. of bitstreams: 2 TESE Nayra Vicente.pdf: 6766112 bytes, checksum: f86cc3020d7d4206f08a4438b250092c (MD5) license_rdf: 1232 bytes, checksum: 66e71c371cc565284e70f40736c94386 (MD5) / Made available in DSpace on 2015-03-05T14:15:06Z (GMT). No. of bitstreams: 2 TESE Nayra Vicente.pdf: 6766112 bytes, checksum: f86cc3020d7d4206f08a4438b250092c (MD5) license_rdf: 1232 bytes, checksum: 66e71c371cc565284e70f40736c94386 (MD5) Previous issue date: 2012-04-30 / PRH-26, Agência Nacional de Petróleo, Petrobrás S/A / Compactação é um mecanismo relevante em muitos problemas da engenharia geotécnica e de reservatórios, no qual as deformações do meio poroso e o deslocamento dos fluidos no seu interior estão diretamente relacionados. Na indústria de petróleo este mecanismo tem sido abordado devido aos eventos ocorridos no passado que trouxeram grandes consequências econômicas (ex. Mar do Norte - Ekofisk). A compactação, em alguns trabalhos, é apontada como um fenômeno geomecânico resultante de processos físico-químicos na interação rocha mineral-fluido. Neste caso, o fluido é um agente de degradação que enfraquece rocha/solo e compromete seu comportamento mecânico segundo a resistência e rigidez, como caracterizado no efeito water-weakening. Apesar de ser um assunto ainda em discussão, alguns estudos apontam a pressão capilar (sucção) como um parâmetro chave da interação rocha-fluido para este “enfraquecimento”. Além da ação capilar outros mecanismos têm sido utilizados para explicar o fenômeno water-weakening na circunstância da compactação e subsidência, como o intemperismo químico. No entanto, para o entendimento de problemas que envolvem múltiplas físicas é necessário modelos matemáticos capazes de representar os processos simultâneos que ocorrem neste problema. Neste contexto, estudam-se aqui problemas acoplados hidro-mecânico e hidro-mecânico-químico envolvendo o mecanismo de compactação capilar e química pelo efeito do enfraquecimento do solo/rocha devido às interações rocha fluido, abrangendo o fenômeno water-weakening. Para modelar numericamente este enfraquecimento, variáveis associadas à capilaridade e ao processo químico serão consideradas na relação tensão-deformação do modelo constitutivo mecânico. A ferramenta numérica utilizada para as simulações foi o código em elementos finitos CODE-BRIGHT (COupled DEformation BRIne Gas and Heat Transport), formulado para problemas acoplados THMC (termo-hidro-mecanico-quimico). Como modelo constitutivo adotou-se o BBM (Modelo Básico de Barcelona), que é um modelo elasto-plástico que considera o efeito da sucção, introduzindo uma modificação para descrever as deformações plásticas decorrentes do efeito químico, representando a degradação química. Esta proposta foi baseada no modelo químico-elastoplástico de Castellanza e Nova (2004), aplicados a rochas e solos cimentados. Para validação do modelo proposto foram simulados ensaios divulgados na literatura. O modelo foi utilizado também para analisar um exemplo de compactação em reservatório de petróleo e aquífero, no qual foi possível observar que as deformações irreversíveis podem ocorrer tanto devido ao efeito da pressão (pressão capilar/sucção) e estado de tensão bem como, pelo ataque químico aos minerais.

En el diseño de elementos de piping especiales, como elementos con ramificaciones o cruces, las normas correspondientes ASME B31.3 y B31.11, proponen un procedimiento llamado método de las áreas equivalentes. En la literatura no se encuentra directamente la justificación de este método, el cual se ve completamente razonable. Sin embargo cuando el diámetro de los elementos que se intersectan, cambian, la porción de pared restante tiene un comportamiento mecánico diferente. En este escenario el estudio de un caso particular sorprendió dado que el método de elementos finitos predecía, a geometrías similares, tensiones superiores a la de fluencia. El objetivo principal de este trabajo es evaluar detalladamente este tipo de situaciones, realizando un estudio comparativo del comportamiento elasto-plástico de las ramas y cruces en un sistema de piping con respecto al procedimiento que indica la norma ASME, para casos de refuerzos extruidos y soldados. Con esto se busca evaluar el efecto que produce una condición de deformación plástica localizada en la redistribución de tensiones locales, en especial ver el efecto y magnitud que tienen las deformaciones locales en la estructura. Los resultados obtenidos utilizando el método de elementos finitos (cálculo aceptado por la norma) muestran que, en todos los casos, existen zonas críticas en la parte superior e inferior de la intersección de las líneas de piping. En estas zonas se sobrepasa el esfuerzo admisible y el límite de fluencia del material (pero siempre bajo el límite de ruptura), abarcando una porción importante de esta intersección. Los casos extruidos presentan menores niveles de esfuerzos que en los casos soldados. Se obtuvo que la porción de pared restante en la línea principal, luego de la perforación, genera mayores tensiones con el aumento de diámetro del arranque producto de la mayor flexibilidad de esta pared. Se concluye que es razonable entender por qué se ha tenido un buen funcionamiento de la metodología ASME, a pesar de haberse detectado tensiones locales que exceden los valores admisibles. Esto se explica por tener tensiones bajo del límite de ruptura y por la buena capacidad de redistribución de la energía de deformación en las zonas críticas ante incrementos de presión. Se recomienda realizar un estudio detallado utilizando el método de elementos finitos para casos de relaciones de diámetros superiores a 90%. Para los casos soldados, se recomienda preferir aquellos refuerzos que contemplan además un refuerzo en zona del arranque. Para una mejor modelación, es importante tener en cuenta las deformaciones residuales generadas en la fabricación de los sistemas extruidos.

O presente trabalho aborda o estudo do comportamento de túneis em maciços de solo. É dada ênfase na aplicação de análises numéricas com emprego de diferentes modelos constitutivos elasto-plásticos para solos. São apresentadas análises numéricas tridimensionais de um túnel amplamente instrumentado pertencente à Companhia do Metropolitano de São Paulo. As análises são realizadas com auxílio de um programa computacional de elementos finitos. O comportamento do maciço em pontos situados ao redor da escavação é minuciosamente estudado e a capacidade dos modelos em representar adequadamente o comportamento verificado na obra pelas instrumentações é avaliada. Além das análises numéricas o trabalho aborda os principais conceitos relacionados com escavações de túneis em maciços de solo. Conceitos relacionados com a engenharia prática de túneis são apresentados de maneira qualitativa, sem formulações teóricas e matemáticas. Uma revisão bibliográfica com publicações recentes das principais revistas e periódicos que tratam do tema de análise numérica aplicada a túneis é apresentada. O trabalho também apresenta uma revisão dos principais conceitos relacionados com os modelos constitutivos comumente utilizados para análise de problemas de geotecnia. Além do modelo elástico são apresentados os modelos elasto-plásticos de Tresca, von Misses, Drucker-Prager e Mohr-Coulomb. Uma breve introdução aos conceitos básicos de estado crítico, juntamente com as equações do modelo Cam-Clay original e Cam-Clay modificado são apresentadas. Antes da apresentação das equações desses modelos constitutivos, são introduzidos os conceitos básicos relacionados com o comportamento dos materiais elasto-plásticos. Os conceitos de material elástico perfeitamente plástico e de material com endurecimento (ou hardening) e amolecimento (ou softening) são apresentados. Os conceitos de superfície de plastificação e de superfície de potencial plástico também são apresentados. Por fim, são sintetizados os pontos mais relevantes da pesquisa realizada, apontando as limitações do trabalho com sugestões de novos estudos a serem realizados nessa mesma linha de pesquisa. / The present research approaches the study of the behaviour of tunnels in soil. It is given emphasis in the application of numerical analyses using different elasto-plastic constitutive models for soils. Three-dimensional numerical analyses of a widely instrumented tunnel belonging to the Company of the Metropolitan of São Paulo are presented. The analyses are carried through with aid of a computational program of finite elements. The behaviour of the soil mass in points located around the excavation is thoroughly studied and the capacity of the models in adequately representing the field behavior verified by the instrumentations is evaluated. Furthermore, the work approaches the main concepts related to tunneling in soils. Concepts related to practical engineering of tunnels are presented in a qualitative way, without theoretical and mathematical formulations. A literature review of recent publications of the most important periodic magazines and that deal with the subject of numerical analysis applied to tunnels is presented. The work also presents a revision of the main concepts related to the constitutive models normally used for analysis of geotechnical problems. Beyond the elastic model the elasto-plastics models of Tresca, von Misses, Drucker-Prager and Mohr-Coulomb are presented. Brief introductions to the basic concepts of critical state, together with the equations of the (original) Cam-Clay original and (modified) Cam-Clay modified models are presented. Before the presentation of the equations of these constitutive models, the basic concepts of the behaviour of the elasto-plastics materials are introduced. The concepts of perfectly plastic elastic material and material with hardening and softening are presented. The concepts of plastic surface and plastic potencial surface are also presented. Finally, the most relevant points of the research are synthesized, pointing the limitations of the developed work along with suggestions for new studies to be carried through in this line of research.

O presente trabalho aborda o estudo do comportamento de túneis em maciços de solo. É dada ênfase na aplicação de análises numéricas com emprego de diferentes modelos constitutivos elasto-plásticos para solos. São apresentadas análises numéricas tridimensionais de um túnel amplamente instrumentado pertencente à Companhia do Metropolitano de São Paulo. As análises são realizadas com auxílio de um programa computacional de elementos finitos. O comportamento do maciço em pontos situados ao redor da escavação é minuciosamente estudado e a capacidade dos modelos em representar adequadamente o comportamento verificado na obra pelas instrumentações é avaliada. Além das análises numéricas o trabalho aborda os principais conceitos relacionados com escavações de túneis em maciços de solo. Conceitos relacionados com a engenharia prática de túneis são apresentados de maneira qualitativa, sem formulações teóricas e matemáticas. Uma revisão bibliográfica com publicações recentes das principais revistas e periódicos que tratam do tema de análise numérica aplicada a túneis é apresentada. O trabalho também apresenta uma revisão dos principais conceitos relacionados com os modelos constitutivos comumente utilizados para análise de problemas de geotecnia. Além do modelo elástico são apresentados os modelos elasto-plásticos de Tresca, von Misses, Drucker-Prager e Mohr-Coulomb. Uma breve introdução aos conceitos básicos de estado crítico, juntamente com as equações do modelo Cam-Clay original e Cam-Clay modificado são apresentadas. Antes da apresentação das equações desses modelos constitutivos, são introduzidos os conceitos básicos relacionados com o comportamento dos materiais elasto-plásticos. Os conceitos de material elástico perfeitamente plástico e de material com endurecimento (ou hardening) e amolecimento (ou softening) são apresentados. Os conceitos de superfície de plastificação e de superfície de potencial plástico também são apresentados. Por fim, são sintetizados os pontos mais relevantes da pesquisa realizada, apontando as limitações do trabalho com sugestões de novos estudos a serem realizados nessa mesma linha de pesquisa. / The present research approaches the study of the behaviour of tunnels in soil. It is given emphasis in the application of numerical analyses using different elasto-plastic constitutive models for soils. Three-dimensional numerical analyses of a widely instrumented tunnel belonging to the Company of the Metropolitan of São Paulo are presented. The analyses are carried through with aid of a computational program of finite elements. The behaviour of the soil mass in points located around the excavation is thoroughly studied and the capacity of the models in adequately representing the field behavior verified by the instrumentations is evaluated. Furthermore, the work approaches the main concepts related to tunneling in soils. Concepts related to practical engineering of tunnels are presented in a qualitative way, without theoretical and mathematical formulations. A literature review of recent publications of the most important periodic magazines and that deal with the subject of numerical analysis applied to tunnels is presented. The work also presents a revision of the main concepts related to the constitutive models normally used for analysis of geotechnical problems. Beyond the elastic model the elasto-plastics models of Tresca, von Misses, Drucker-Prager and Mohr-Coulomb are presented. Brief introductions to the basic concepts of critical state, together with the equations of the (original) Cam-Clay original and (modified) Cam-Clay modified models are presented. Before the presentation of the equations of these constitutive models, the basic concepts of the behaviour of the elasto-plastics materials are introduced. The concepts of perfectly plastic elastic material and material with hardening and softening are presented. The concepts of plastic surface and plastic potencial surface are also presented. Finally, the most relevant points of the research are synthesized, pointing the limitations of the developed work along with suggestions for new studies to be carried through in this line of research.

O presente trabalho de pesquisa aborda a aplicação de análise por elementos finitos a maciços escavados por túneis, revisando relevantes estudos sobre análise numérica deste tipo de obra e realizando modelagem numérica própria, bi e tridimensional, voltada ao caso do Túnel Paraíso do Metrô de São Paulo (obra com dados de instrumentação e de ensaios), com uso do consagrado programa de elementos finitos Imperial College Finite Element Program (ICFEP), desenvolvido nos últimos trinta anos no Imperial College de Londres. Dentre os modelos constitutivos adotados nestas análises, destaca-se o Cinemático com Duas Superfícies Modificado do Imperial College, modelo elasto-plástico com endurecimento cinemático e isotrópico, baseado no estado crítico, com grande capacidade de representar as características de rigidez de argilas sobreadensadas (como são as argilas da região do Túnel Paraíso), cujas principais características são levantadas através de revisão bibliográfica. Da observação da etapa de reprodução numérica de ensaios e dos resultados conseguidos com as análises da escavação do túnel, são feitas considerações sobre o desempenho de todos os modelos constitutivos adotados (além do Cinemático com Duas Superfícies Modificado, o Cam-Clay Modificado e o elasto perfeitamente plástico com critério de ruptura de Mohr-Coloumb), bem como sobre a performance dos modelos numéricos desenvolvidos. / This research approaches the application of finite element analysis to tunnel excavation, making a survey of some numerical relevant studies of this kind of construction and performing a range of plane-strain and three-dimensional analyses, focused on the Paraíso Tunnel from Sao Paulo Underground (with field instrumentation and lab tests), using a powerful finite element program, the Imperial College Finite Element Program (ICFEP), developed in the last thirty years at Imperial College London. Among the constitutive models adopted in those analyses, it is highlighted the Modified Two Surfaces Kinematic from Imperial College, a elasto-plastic model with kinematic and isotropic hardening, based on the critical state, with great ability to represent the pre-failure stiffness of overconsolidated clays (as are the clays around Paraíso Tunnel), whose main features are raised through a literature survey. From the results of numerical simulation of lab tests and from the predictions of the tunnelling analyses, it is discussed the performance of all constitutive models adopted (including Modified Cam-Clay and elastic perfectly plastic model with Mohr-Coloumb failure criterion) and of the numerical models developed.

O presente trabalho de pesquisa aborda a aplicação de análise por elementos finitos a maciços escavados por túneis, revisando relevantes estudos sobre análise numérica deste tipo de obra e realizando modelagem numérica própria, bi e tridimensional, voltada ao caso do Túnel Paraíso do Metrô de São Paulo (obra com dados de instrumentação e de ensaios), com uso do consagrado programa de elementos finitos Imperial College Finite Element Program (ICFEP), desenvolvido nos últimos trinta anos no Imperial College de Londres. Dentre os modelos constitutivos adotados nestas análises, destaca-se o Cinemático com Duas Superfícies Modificado do Imperial College, modelo elasto-plástico com endurecimento cinemático e isotrópico, baseado no estado crítico, com grande capacidade de representar as características de rigidez de argilas sobreadensadas (como são as argilas da região do Túnel Paraíso), cujas principais características são levantadas através de revisão bibliográfica. Da observação da etapa de reprodução numérica de ensaios e dos resultados conseguidos com as análises da escavação do túnel, são feitas considerações sobre o desempenho de todos os modelos constitutivos adotados (além do Cinemático com Duas Superfícies Modificado, o Cam-Clay Modificado e o elasto perfeitamente plástico com critério de ruptura de Mohr-Coloumb), bem como sobre a performance dos modelos numéricos desenvolvidos. / This research approaches the application of finite element analysis to tunnel excavation, making a survey of some numerical relevant studies of this kind of construction and performing a range of plane-strain and three-dimensional analyses, focused on the Paraíso Tunnel from Sao Paulo Underground (with field instrumentation and lab tests), using a powerful finite element program, the Imperial College Finite Element Program (ICFEP), developed in the last thirty years at Imperial College London. Among the constitutive models adopted in those analyses, it is highlighted the Modified Two Surfaces Kinematic from Imperial College, a elasto-plastic model with kinematic and isotropic hardening, based on the critical state, with great ability to represent the pre-failure stiffness of overconsolidated clays (as are the clays around Paraíso Tunnel), whose main features are raised through a literature survey. From the results of numerical simulation of lab tests and from the predictions of the tunnelling analyses, it is discussed the performance of all constitutive models adopted (including Modified Cam-Clay and elastic perfectly plastic model with Mohr-Coloumb failure criterion) and of the numerical models developed.