Neste trabalho, propõe-se uma formulação não linear baseada no método dos elementos de contorno, para representação de domínios poro-elasto-plásticos reforçados. Esta formulação é apresentada para os casos saturado e não saturado. Para o problema poroso enrijecido um acoplamento com o método dos elementos finitos é empregado, e a técnica de mínimos quadrados permite a regularização dos deslocamentos e do vetor de forças de superfície ao longo das interfaces de acoplamento. São empregadas expressões analíticas para o tratamento das integrais de contorno e de domínio presentes na formulação do método dos elementos de contorno. A formulação de Biot é empregada para a descrição de meios porosos saturados e uma formulação energética baseada nos trabalhos de Coussy é adaptada para a extensão ao caso não saturado. Neste caso, a pressão capilar e energia das interfaces são levadas em consideração. O nível de saturação é descrito pelo modelo de Van Genuchten e o comportamento do esqueleto é descrito ou pelo modelo de Drucker-Prager ou pelo modelo de Cam-Clay modificado. O problema não linear obtido por uma descrição temporal associada a discretização espacial é resolvido pelo método de Newton-Raphson. No caso saturado, o operador tangente consistente é definido e utilizado para obtenção da solução do sistema. Exemplos numéricos são apresentados para validar a formulação proposta. / In this work a nonlinear formulation of the boundary element method (BEM) is proposed to deal with saturated and unsaturated poro-elasto-plastic 2D reinforced domains. To model reinforced porous domains a BEM/FEM (Finite Element Method) modified coupling technique is employed. The coupling is made by using the least square method to regularize the displacement and traction distributions along the interfaces. Analytical expressions have been derived for all boundary and domain integrals required for the formulation. The Biot formulation is used for the description of the saturated porous environments and an energetic consistent formulation based on work of Coussy is adopted for its extension to the framework of unsaturated porous media. In this case, the capillar pressure and the interface energy are taken into account. The Van Genuchten model is used for the determination of saturation level in non-saturated poro-elasto-plastic problems. The Drucker-Prager modified model if used for the saturated poro-elasto-plastic problems and the modified Cam-Clay model for the representation of non-saturated poro-elasto-plastic problems. For the saturated case, the consistent tangent operator is derived and employed inside a Newton procedure to solve non-linear problems. Numerical solutions are presented to validate the proposed models.

O objetivo do presente trabalho é o desenvolvimento de um código computacional que possibilite a análise dinâmica de estruturas tridimensionais em regime elástico-linear acopladas ao solo, tratado como meio infinito elastoplástico. As superestruturas são tratadas por elementos finitos simples de casca e de barra geral, as estruturas de fundações são tratadas por elementos de casca que simulam o contato com o solo, modelando radiers, túneis e reservatórios enterrados. Blocos são modelados por elementos de contorno tridimensionais. O solo é modelado de duas maneiras distintas: na região plastificada emprega-se a solução fundamental de Kelvin (estática) e na região não plastificada (elástica) adota-se a solução fundamental do problema de Stokes. O acoplamento entre os meios é feito aplicando-se a técnica de subregiões. Deve ficar claro que todo procedimento estático equivalente foi implementado. Vários exemplos numéricos são apresentados, onde se percebe a eficiência do código computacional desenvolvido / The objective of the present work is the development of a computational code that makes possible dynamic analyses of three-dimensional structures in elastic-linear behavior coupled to the soil, modeled as elastoplastic infinite medium. Simple finite elements, shell and general bars, are used to model elastic structures. The structures of foundations are modeled by shell’s elements which simulate the contact with the soil, modeling radiers, tunnels and buried reservoirs. Blocks are modeled by three-dimensional boundary elements. The soil is modeled in two different ways: in the plastic region Kelvin’s fundamental solution (static) is used and in the elastic region the fundamental solution of the Stoke’s problem is adopted. The coupling among the media is done applying the sub-region technique. It is important to note that the equivalent static procedure has been implemented. Several numerical examples are presented, demonstrating the efficiency of the developed computational code

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Made available in DSpace on 2014-12-17T14:07:00Z (GMT). No. of bitstreams: 1 MariaDMP_pre_textuais_ate_cap_3.pdf: 1552357 bytes, checksum: 286c69a88a6d2c4ec8689ee9514da8ec (MD5) Previous issue date: 2008-10-28 / Oil wells subjected to cyclic steam injection present important challenges for the development of well cementing systems, mainly due to tensile stresses caused by thermal gradients during its useful life. Cement sheath failures in wells using conventional high compressive strength systems lead to the use of cement systems that are more flexible and/or ductile, with emphasis on Portland cement systems with latex addition. Recent research efforts have presented geopolymeric systems as alternatives. These cementing systems are based on alkaline activation of amorphous aluminosilicates such as metakaolin or fly ash and display advantageous properties such as high compressive strength, fast setting and thermal stability. Basic geopolymeric formulations can be found in the literature, which meet basic oil industry specifications such as rheology, compressive strength and thickening time. In this work, new geopolymeric formulations were developed, based on metakaolin, potassium silicate, potassium hydroxide, silica fume and mineral fiber, using the state of the art in chemical composition, mixture modeling and additivation to optimize the most relevant properties for oil well cementing. Starting from molar ratios considered ideal in the literature (SiO2/Al2O3 = 3.8 e K2O/Al2O3 = 1.0), a study of dry mixtures was performed,based on the compressive packing model, resulting in an optimal volume of 6% for the added solid material. This material (silica fume and mineral fiber) works both as an additional silica source (in the case of silica fume) and as mechanical reinforcement, especially in the case of mineral fiber, which incremented the tensile strength. The first triaxial mechanical study of this class of materials was performed. For comparison, a mechanical study of conventional latex-based cementing systems was also carried out. Regardless of differences in the failure mode (brittle for geopolymers, ductile for latex-based systems), the superior uniaxial compressive strength (37 MPa for the geopolymeric slurry P5 versus 18 MPa for the conventional slurry P2), similar triaxial behavior (friction angle 21? for P5 and P2) and lower stifness (in the elastic region 5.1 GPa for P5 versus 6.8 GPa for P2) of the geopolymeric systems allowed them to withstand a similar amount of mechanical energy (155 kJ/m3 for P5 versus 208 kJ/m3 for P2), noting that geopolymers work in the elastic regime, without the microcracking present in the case of latex-based systems. Therefore, the geopolymers studied on this work must be designed for application in the elastic region to avoid brittle failure. Finally, the tensile strength of geopolymers is originally poor (1.3 MPa for the geopolymeric slurry P3) due to its brittle structure. However, after additivation with mineral fiber, the tensile strength became equivalent to that of latex-based systems (2.3 MPa for P5 and 2.1 MPa for P2). The technical viability of conventional and proposed formulations was evaluated for the whole well life, including stresses due to cyclic steam injection. This analysis was performed using finite element-based simulation software. It was verified that conventional slurries are viable up to 204?F (400?C) and geopolymeric slurries are viable above 500?F (260?C) / Po?os sujeitos ? inje??o c?clica de vapor apresentam importantes desafios para desenvolvimento de pastas de cimenta??o, devido principalmente aos esfor?os de tra??o causados pelos gradientes t?rmicos durante a sua vida ?til. Falhas em cimenta??es que empregaram pastas convencionais de elevada resist?ncia ? compress?o levaram ao emprego de pastas mais flex?veis e/ou d?cteis, com destaque para as pastas de cimento Portland com adi??o de l?tex. Recentes pesquisas t?m apresentado pastas geopolim?ricas como alternativa. Estas pastas cimentantes s?o baseadas na ativa??o alcalina de aluminosilicatos amorfos como o metacaulim ou a cinza volante e possuem propriedades vantajosas como alta resist?ncia ? compress?o, r?pido endurecimento e estabilidade t?rmica. Encontram-se na literatura formula??es geopolim?ricas b?sicas que atendem ?s especifica??es da ind?stria de petr?leo, incluindo reologia, resist?ncia ? compress?o e tempo de espessamento. Neste trabalho, desenvolveu-se novas formula??es geopolim?ricas ? base de metacaulim, silicato de pot?ssio, hidr?xido de pot?ssio, micross?lica e fibra mineral, utilizando o estado da arte em composi??o qu?mica, modelagem de misturas e aditiva??o para otimizar as propriedades relevantes para a cimenta??o de po?os. Partindo de raz?es molares consideradas ideais na literatura (SiO2/Al2O3 = 3,8 e K2O/Al2O3 = 1,0), realizou-se um estudo de misturas secas baseado no modelo do empacotamento compress?vel, obtendo-se um volume ?timo de 6% para o material s?lido adicional. Este material (micross?lica e fibra mineral) serve tanto como fonte de s?lica adicional (no caso da micross?lica) quanto refor?o mec?nico, principalmente no caso da fibra mineral, a qual incrementou a resist?ncia ? tra??o. Realizou-se o primeiro estudo mec?nico triaxial desta classe de pastas. Para efeito de compara??o, tamb?m foi realizado um estudo mec?nico de pastas convencionais ? base de l?tex. Apesar de diferen?as no modo de ruptura (fr?gil no caso dos geopol?meros, d?ctil no caso das pastas com l?tex), a superior resist?ncia compressiva uniaxial (37 MPa para a pasta geopolim?rica P5 versus 18 MPa para a pasta convencional P2), comportamento triaxial similar (?ngulo de atrito 21? para P5 e P2) e menor rigidez (na regi?o el?stica 5,1 GPa para P5 versus 6,8 GPa para P2) das pastas geopolim?ricas permitiu uma capacidade de absor??o de energia (155 kJ/m3 para P5 versus 208 kJ/m3 para P2) compar?vel entre as duas, sendo que os geopol?meros atuam no regime el?stico, sem a microfissura??o presente nas pastas com l?tex. Assim, os geopol?meros estudados neste trabalho devem ser dimensionados para aplica??es no regime el?stico para evitar fraturas fr?geis. Finalmente, a resist?ncia ? tra??o do geopol?mero ? originalmente pobre (1,3 MPa para a pasta geopolim?rica P3) devido ? sua estrutura fr?gil. Entretanto, ap?s a aditiva??o desse sistema com fibra mineral, a resist?ncia ? tra??o do mesmo tornou-se equivalente (2,3 MPa para P5 e 2,1 MPa para P2) ? das pastas com l?tex. A viabilidade t?cnica das formula??es convencionais e geopolim?ricas foi avaliada durante toda a vida ?til do po?o, incluindo os esfor?os devidos ? inje??o c?clica de vapor. Esta an?lise foi feita utilizando um software de simula??o ? base de elementos finitos. Verificou-se que as pastas convencionais s?o vi?veis at? a temperatura de 204?C (400?F) e as geopolim?ricas acima de 260?C (500?F)

Made available in DSpace on 2015-03-03T15:15:26Z (GMT). No. of bitstreams: 1 EliangelaPB_DISSERT.pdf: 614353 bytes, checksum: 050737d0ef158e6082d81254619adac0 (MD5) Previous issue date: 2011-09-19 / Conselho Nacional de Desenvolvimento Cient?fico e Tecnol?gico / Considering a non-relativistic ideal gas, the standard foundations of kinetic theory are investigated in the context of non-gaussian statistical mechanics introduced by Kaniadakis. The new formalism is based on the generalization of the Boltzmann H-theorem and the deduction of Maxwells statistical distribution. The calculated power law distribution is parameterized through a parameter measuring the degree of non-gaussianity. In the limit = 0, the theory of gaussian Maxwell-Boltzmann distribution is recovered. Two physical applications of the non-gaussian effects have been considered. The first one, the -Doppler broadening of spectral lines from an excited gas is obtained from analytical expressions. The second one, a mathematical relationship between the entropic index and the stellar polytropic index is shown by using the thermodynamic formulation for self-gravitational systems / Considerando um g?s ideal n?o relativ?stico, os fundamentos da teoria cin?tica padr?o s?o investigados no contexto da mec?nica estat?stica n?o-gaussiana introduzida por Kaniadakis. O novo formalismo ? baseado na generaliza??o do teorema-H de Boltzmann e na dedu??o de Maxwell da distribui??o estat?stica. A distribui??o lei de pot?ncia calculada ? parametrizada por um par?metro medindo o grau de n?o-gaussianidade do sistema. No limite = 0, a teoria gaussiana de Maxwell-Boltzmann ? recuperada. Duas aplica??es dos efeitos n?o-gaussiano s?o estudados. Na primeira, o -alargamento Doppler das linhas espectrais de um g?s excitado ? obtido a partir das express?es anal?ticas. Na segunda, uma rela??o matem?tica entre o ?ndice entr?pico e o ?ndice politr?pico estelar ? mostrada usando uma formula??o termodin?mica para sistemas autogravitantes

[pt] Atualmente está bem difundido o uso de novas modelagens matemáticas para o estudo do comportamento de micro e nano sistemas mecânicos e eléctricos. O problema de escala é notável quando o tamanho das moléculas, partículas, grãos ou cristais de um sólido é relativamente considerável em relação ao comprimento do microdispositivo. Nesses casos a teoria clássica dos meios contínuos não descreve apropriadamente a solicitação estrutural e é necessária uma abordagem mais geral através de teorias generalizadas não-clássicas que contém a elasticidade clássica como um caso particular delas, onde os parâmetros constitutivos que representam às partículas são desprezíveis. Quando os efeitos microestruturais são importantes, o comportamento não responde como um material homogêneo se não como um material homogêneo. Cem anos atrás os irmãos Cosserat desenvolveram uma teoria de grãos rígidos imersos dentro de um macromeio elástico; posteriormente Toupin, Mindlin e outros pesquisadores na década de 60 formularam a chamada teoria gradiente de deformações, que recentemente é um objeto de muitas investigações analíticas e experimentais. Na década de oitenta, Aifantis e colaboradores conseguiram desenvolver uma teoria de gradiente de deformações simplificada, baseada em só uma constante elástica adicional não-clássica representativa da energia de deformação volumétrica para caracterizar satisfatoriamente os padrões dos fenômenos não-clássicos. Beskos e colaboradores estenderam o campo de aplicações da proposta inicial de Aifantis e fizeram as primeira implementações de elementos de contorno 2D e 3D para análises de elasticidade gradiente estática, no domínio da frequência e a mecânica da fratura. Desde o tempo de Toupin e Mindlin, procura-se estabelecer uma base variacional da teoria e uma formulação consistente das condições de contorno cinemáticas e de equilíbrio, o que parece ter tido êxito com os recentes trabalhos de Amanatidou e Aravas. Esta tese apresenta a formulação do método híbrido de elementos de contorno e finitos na elasticidade gradiente desenvolvida por Dumont e Huamán decompondo o potencial de Hellinger-Reissner em dois princípios de trabalhos virtuais: o primeiro em deslocamentos virtuais e o segundo em forças virtuais. Com esta finalidade é considerado além dos parâmetros clássicos, o trabalho realizado pelas tensões, deformações, forças e deslocamentos não-clássicos. É apresentado o desenvoltimento das soluções fundamentais singulares e polinomiais atráves das equações diferenciais de sexta ordem obtidas da equação de equilíbrio em termos de deslocamento na elasticidade gradiente. É apresentada também a aplicaçõ do método híbrido de contorno para problemas de tensão axial unidimensional e flexão bidimensional de vigas. Finalmente mostra-se a aplicação numérica do método em elementos finitos, é verificado o patch test de elementos finitos de diferentes ordem e mostra-se também análises de convergência. / [en] The use of new mathematical modeling in the study of micro and Nano electro mechanical systems is currently becoming widespread. The scaling problem is apparent when the length of molecules, particles or grains immersed in the material is relatively important compared with the whole micro device dimension. Under this approach the classical theories of mechanics cannot describe suitably the structural requirement and it is necessary a more general outlook through non classical generalized theories which enclose the classical elasticity as a particular case where the non-classical constitutive parameters are negligible. When the microstructural effects are important, the material does not respond as a homogeneous but as a non-homogeneous one. A hundred years ago Cosserat brothers formulated a new theory of rigid grains which were embedded in an elastic macro medium; later Toupin, Mindlin along others researchers in 1960s developed a gradient strain theory which has been recently the source of many analystics and experimental investigations. In 1980s Ainfantis et al could develop a simplified strain gradient theory with just one additional non classical elastic constant which represents the volumetric elastic strain energy and characterized successfully the whole non classical pattern phenomenon. Beskos et al extended the treatment proposed initially by Aifantis and developed the first numerical applications for 2D and 3D boundary element methods and solved static as dynamic and crack problems. Since the times of Toupin and Mindlin it is looking for to establish a variational theory with a consistent cinematic and equilibrium boundary conditions, which seemed to have had success in the recent works of Amanatiodou and Aravas. This work presents the formulation of the hybrid boundary and finite element methods under the strain gradient scope which were developed by Dumont and Huamán through the versatile decomposition of the Hellinger-Reissner potential in two work principles: the displacements virtual work and the forces virtual work; both principles contain the virtual work performed by the non-classical magnitudes. Following, it is presented the complete development of singular and polynominal fundamental solutions abtained through the sixth order strain gradient differential equilibrium equations in terms of displacements. Next it is shown an application of the method to unidimensional truss element and bidimensional beam. Finally, it is presented a numerical application to strain gradient finite element, it is checked the patch tests to different elements orders and it is also shown a series of convergence analysis.