[pt] Este trabalho apresenta a formulação de um elemento recentemente proposto à análise de tubos curvos segmentados. A formulação do elemento inclui os deslocamentos axiais, de flexão, de torção e de ovalização, todos interpolados cubicamente ao longo do eixo longitudinal do tubo. Os efeitos da interação entre seções retas oblíquas de tubos adjacentes são modelados incluindo-se na matriz de rigidez as deformações correspondentes, e utilizando o método de penalidades para garantir a continuidade das rotações devido à flexão da casca ao longo da seção comum aos tubos. As possibilidades e limitações do modelo são ilustradas em algumas análises e os resultados comparados com soluções de outros modelos experimentais, analíticos ou de formulação numérica mais complexa. / [en] The formulation of a recently proposed displacement based straigth pipe element for the analysis of pipe mitred bends is summarized in this work. The element kinematics includes axial, bending, torsional and ovalisation displacements, all varying cubically along the axis of the element. Interaction effects between angle adjoined straigth pipe sections are modeled including the appropiate additional strain procedure to enforce continuity of pipe skin flexuaral rotations at the common helical edge. The element model capabilities are illustrated in some sample analysis and the results are compared with other available experimental, analystical or more complex numerical models.

[pt] Neste trabalho é estudado o problema do chicoteamento de tubulações de alta energia após a ruptura em guilhotina. O modelo físico é representado por uma viga em balanço sujeita à ação de uma força impulsiva aplicada em sua extremidade livre, e por um suporte projetado para absorver a máxima energia cinética associada ao tubo. O método de análise é baseado na teoria de Bernoulli para hastes retas em combinação com a lei momento-curvatura bi-linear para o tubo. A viga é discretizada em elementos finitos uni-dimensionais, e a solução das equações do movimento são obtidas através do procedimento passo-a-passo para a discretização temporal (Newmark). O suporte tem comportamento rígido-plástico. São investigadas as influencias da folga entre o tubo e o suporte, e da relação momento-curvatura na resposta dinâmica do problema. / [en] The dynamic behavior of a cantilever beam simulating a pipe after full rupture at a given cross-section is investigated. This problem, know as pipe whip, has to be analysed within the frame of plastic deformations. The physical model is represented by a cantilever, subjected to a step- load at the free end, and a support designed to absorb the maximum possible kinect energy of the tube generated by suddenly applied force. The analysis is performed using the Bernoulli theory for straight beams, assuming for the moment-curvature relation a bi-linear law. The beam is discretized into finite elements and the time integration is done througth a step-by-step integration technique (Newmark). The support is assumed to follow a rigid plastic constitutive relation. The influence of the gap between the support and the pipe in the dynamic response is investigated, the momento-curvature relations as well.

[pt] Neste trabalho, apresentam-se modelos mecânicos para previsão da integridade estrutural de tubulações anelásticas conduzindo líquidos, submetidas a transientes hidráulicos. A descrição do fenômeno de transiente hidráulico é feita com base em duas formulações unidimensionais: uma acoplada e outra desacoplada. A formulação acoplada considera a interação dinâmica fluido-estrutura entre os movimentos do fluido e do tubo, enquanto que a desacoplada refere-se ao modelo tradicional de golpe de ariete. A integridade da tubulação é modelada com base na Mecânica do Dano Continuo. O comportamento anelástico da parede do tubo assim como o dano induzido pela deformação anelástica são descritos por uma teoria constitutiva com variáveis internas e forte respaldo termodinâmico. A teoria engloba um grande número de equações constitutivas encontradas na literatura e permite descrever diferentes respostas mecânicas numa mesma estrutura matemática. As equações resultantes para ambos os modelos - acoplado e desacoplado - formam um sistema não linear de equações diferenciais parciais hiperbólicas. Apesar da forte não linearidade, mostra-se que métodos numéricos clássicos podem ser empregados para resolver as equações quando se utiliza uma técnica de decomposição do operador. No trabalho, emprega-se entre outros o método de Glimm. Exemplos numéricos que retratam a evolução do dano induzida por transientes de pressão em tubulações elasto-viscopláticas são apresentados e analisados. Comparações realizadas entre as previsões dos modelos e entre simulações com e sem dano permitem, na análise, caracterizar as influências do acoplamento fluido-estrutura e do dano. / [en] This work presents mechanical models for structural failure prediction of compliant inelastic pipings conveying liquids, submitted to hydraulic transients. Hydraulic transients are described based on two, a coupled and an uncoupled, onedimensional formulations. The coupled formulation takes into account the dynamical fluid-structure interaction between fluid flow and pipewall motions, whereas the uncoupled one refers to the well-known waterhammer model. Piping integrity is modelled on the basis of the Continuum bamage Mechanics. Both pipewall inelastic mechanical behavior and damage induced by inelastic deformations are described by an internal variable constitutive theory with strong thermodynamical support. It encompasses a great number of constitutive equations found in the literature and allows the treatment of several different mechanical responses within a same mathematical framework. The resulting equations of both coupled and uncoupled transient models forma non linear system of hyperbolic partial differential equations. In spite of its strong non linearity, it is shown that classical numerical methods can be used for solving the equations whether a operator splitting technique is employed. Among others, Glimm s scheme has been used in this work. Numerical examples concerning the damage evolution induced by pressure transients in elasto-viscoplastic pipings are presented and analysed. Comparisons between the predictions of the models and simulations with and without damage are presented, so that the fluid-structure coupling and the damage influences on the analysis are investigated.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / Environmental impact evaluation is a work that consists on some studies to identify, to interpret, as well as to prevent the environmental consequences or effects in a certain place. These studies will determine the actions necessary to minimize the damages that were caused to the environment. The general purpose of this work was to do the Environmental Impacts Evaluation (through an accord FUNDAE/ELETROBRAS), considering that the undertaking did not admit a complete EIA-RIMA. When investigating the damages that were caused by the pipe burst of the compelled conduit in the PCH of Quebra-Dentes, the AIA was done by the use of the Leopold Rocha Matrix. The methodology consisted on describing a bidimentional list of the probable impacts. The environment factors were horizontally enumerated, while the actions proposed in the project, resulting in interaction, were vertically enumerated. In the present analysis, it was determined 224 interactions in 28 crossings that were suitable with the undertaking in the studied area. The found values mean that the undertaking, just as it was, caused low to medium environmental damages (9% and 18% values taken from the mathematician model). Considering the total medium values, which were lower than 5,0 (for magnitude and relevance, 2 and 3 respectively inflexion value for the decisions that were taken), the magnitude deteriorations (9%), lower than 10%, and the importance (18%), above 10%, it can be said that some softened and compensatory measures are necessary to compensate the environmental damages caused by the pipes burst (negative environmental impacts). / Avaliação de Impacto Ambiental é um trabalho onde são realizados estudos para identificar e interpretar, assim como prevenir, as conseqüências ou efeitos ambientais num dado local, determinando ações para minimizar os danos causados ao ambiente. O objetivo geral do presente estudo foi efetuar a Avaliação dos Impactos Ambientais (através de um convênio FUNDAE/ELETROBRÁS) considerando que o empreendimento não comportava um EIA-RIMA completo, investigando os danos causados pelo rompimento da tubulação do conduto forçado na PCH de Quebra-Dentes, procedeu-se a AIA usando-se a Matriz de Leopold Rocha . A metodologia consistiu em descrever uma lista bidimensional de prováveis impactos, sendo enumerados horizontalmente, os fatores ambientais e verticalmente, as ações propostas no projeto resultando em interações. Na presente análise foram determinadas 224 interações em 28 cruzamentos condizentes com o empreendimento na área estudada. Os valores encontrados significam que o empreendimento, tal como se encontra, causou danos ambientais de criticidade baixa a média (valores 9% e 18% conseguidos pelo modelo matemático). Considerando-se os valores médios totais que se encontram abaixo de 5,0 (2 e 3, respectivamente, para magnitude e importância, valor de inflexão para a tomada de decisões) e as deteriorações para magnitude (9%) situando-se abaixo de 10% e importância (18%) pouco acima de 10%, significa que são necessárias algumas medidas mitigadoras e compensatórias para compensar os danos ambientais devidos ao rompimento das tubulações (impactos ambientais negativos).

[pt] O constante crescimento na demanda de combustíveis fósseis e as últimas descobertas de petróleo no Brasil têm tornado a modelagem de escoamentos multifásicos em tubulações e equipamentos na indústria do Petróleo numa tarefa crucial. Dentro as configurações possíveis que o escoamento multifásico pode adotar, o regime das golfadas possui uma enorme relevância devido às suas características intermitentes e seus fortes gradientes de pressão produzidos nas tubulações por onde escoa. Neste trabalho, estuda-se numericamente, com o método de volumes finitos, o regime das golfadas, determinando-se o campo de velocidade e pressão, assim como a forma do nariz da bolha de Taylor e a velocidade de translação de uma unidade básica de golfada tridimensional em uma tubulação horizontal. Considerou-se o escoamento isotérmico, e utilizouse o referencial coincidente com a bolha de Taylor. Para modelar o escoamento turbulento utilizou-se o modelo K−E RNG. A interface foi determinada com o modelo VOF (Volume of Fluid). Os resultados das simulações foram comparados com dados experimentais disponíveis, apresentando uma boa concordância. / [en] Pipeline and equipment multiphase flow modeling in oil industry has become a crucial task due to the constant increasing fossil fuel demand and latest oil discovers in Brazil. Among all possible flow configurations that multiphase flow can take, the slug flow regime plays an important role due to its intermittent characteristics and its strong pressure gradients in pipelines, where this flow regime can be found. In the present work, a numerical study of a slug flow is performed, with the finite volume method. The flow and pressure field are determined, as well as, the Taylor bubble nose shape and the translational velocity of a three dimensional single unit slug in a horizontal pipeline. The flow field was considered isothermal and it was employed a coordinate system coincident with the Taylor bubble. To model the turbulent flow, the RNG K−E model was selected. The interface was determined with the Volume of Fluid models (VOF). The results from the simulations were compared with available experimental data, presenting good agreement.

[pt] Este trabalho procura apresentar e discutir, através do estudo de um caso especifico, alguns aspectos da análise de tensões em tubulações compostas por curvas em gomos. O problema estudado corresponde às condições de operação de um sistema que liga o reator a um vaso de pressão de uma planta de produção de ácido fosfórico. A elevada relação diâmetro/espessura deste duto impede que os procedimentos usuais do cálculo de flexibilidade de tubulações, baseados na teoria de vigas, sejam aplicados. Assim, foi utilizado o método dos elementos finitos através de elementos tipo casca. Esta análise numérica foi validada através de modelagens experimentais - extensometros elétricos e medidas de ovalização num modelo reduzido - e analitica - solução de Kitching. Foram também examinados os efeitos sobre o comportamento da tubulação devido aos flanges e diferentes condições de contorno impostas às suas extremidades. Alem disso, o procedimento de calculo sugerido pela norma ANSI/ASME foi discutido. / [en] The aim of this work is to present and discuss the structural behaviour of piping systems containning mitred bends. A duct that joins a reactor to a catch-all vessel of a phosporic acid production unit was studied under the thermal loads (in-plane) imposed during its operation. The pipe high diameter to thichness ratio makes unsuitable the approach of usual flexibility analysis (beam theory) so the finite element method was applied using shell elements. The finite element model was verified by an experimental analysis and by comparing results with those obtainned from a theoretical solution proposed by Kitching. The end effects due to flanges and the piping behaviour when different boundary conditions are imposed at its ends were studied. Also the ANSI/ASME standards for flexibility analysis were discussed.

[pt] Os resultados apresentados referem-se à investigação dos mecanismos de interação entre dois sistemas vitais às usinas nucleares, ou seja: os sistemas Principal (SP) e o Secundário (SS). Estes mecanismos são avaliados por meio de sua influência nos espectros de resposta, em pontos da estrutura passíveis da existência de suportes das linhas de tubulação - SS. São usados dois tipos diferentes de análises para a geração dos espectros de resposta: a primeira não considera a interação dos sistemas e a segunda avalia esta interação com a introdução, em cada ponto de suporte no SP, de um S1GL com suportes únicos ou com multi- suportes. As respostas estruturais são obtidas por integração direta da equação de movimento do sistema sujeito a dois acelerogramas simultâneos, nas direções horizontal e vertical. Os resultados são analisados e comparados para identificação das principais tendências das análises e esclarecimento dos efeitos envolvidos. Estuda-se, também, a importância de não- linearidades concentradas nos suportes da tubulação, tendo- se em vista o nível sísmico a que as centrais nucleares brasileiras estão sujeitas. / [en] The results presented in this work refer to the investigation of the mechanics of the interaction between two important systems of nuclear power plants, i.e.: the Primary (PS) and Secondary (SS) systems. The influence of these effects on the response spectra is studied, in convenient points of the structure where could exist pipeline (SS) supports. Two different approaches are used to generate the response spectra: the first neglects the interaction between the two systems and the second considers this interaction by the addition, to every support point on the PS, of a single-supported or multi-supported SDOF system. The structural responses are obtained by the direct integration of the Primary System equations of motion subjected to two simultaneous design acceleration time-histories, in the horizontal and vertical directions. The results are analyzed and compared to identify the general trends of the solutions obtained by the two types of analysis, and to detect their effects on the SS response. The study is concerned, also, with the importance of nonlinearities concentrated in the pipeline supports; in the case of the Brazilian nuclear power plants. / [es] Los resultados presentados se refieran a la investigación de los mecanismos de interacción entre de los los sistemas Principal (SP) y el Secundario (S) de las plantas nucleares. Estos mecanismos son evaluados por medio de su influencia en los espectros de respuesta, en puntos de la extructura donde es posible(pausibles) la existencia de soportes de las líneas de tuberías - S. Son usados dos tipos diferentes de análisis para la generación de los espectros de respuesta: la primera no considera la interacción de los sistemas y la segunda evalúa esta interacción con la introdución, en cada ponto de soporte en el SP, de un S1GL con soportes únicos o con multisoportes. Las respuestas extructurales son obtenidas por integración directa de la ecuación de movimento del sistema sujeto a dos acelerogramas simultáneos, en las direcciones horizontal y vertical. Se analizan los resultados y se comparan para identificar las principales tendencias del análisis y esclarecer los efectos involucrados. Se estudia además, la importancia de no linealidades concentradas en los soportes de la tubería, teniendo en vista el nível sísmico a que las centrales nucleares brasileras están sujetas.

[pt] Apresenta-se um estudo de avaliação dos critérios e métodos que são empregados atualmente na análise e projeto dos sistemas de tubulação nas usinas nucleares assim como a verificação da aplicação de alguns dos novos critérios apresentados pela comunidade técnico-científica internacional, dentro do método de análise modal-espectral. Estudam-se os tópicos da interação entre o sistema de tubulação e a estrutura que o suporta mediante o uso de espectros acoplados, a consideração do efeito do deslocamento relativo dos apoios da tubulação, usando-se espectros que o consideram ou uma excitação espectral múltipla, a introdução da combinação dos máximos modais dependendo da posição relativa das suas freqüências e a inclusão da resposta espectral correspondente aos modos de alta freqüência ou modos rígidos. A ferramenta básica de análise é constituída pelo programa computacional ANSYS. A avaliação é feita sobre parâmetros de esforços internos em trechos de um modelo de um sistema real de tubulações da usina nuclear brasileira, Angra 3. Os padrões são obtidos por análises no tempo de cada modelo sob o acelerograma de projeto. Conclusões são apresentadas sobre as atitudes mais convenientes para a atual conjuntura brasileira de projeto. / [en] The main concern of this work is with the application of the modal spectral seismic analysis to secondary structural systems of nuclear power plants, with the large amount of conservatism which is included in them, and, of course, with the consequences to the particular case of the plants under construction in Brazil. One considers the design analysis methods which have been used so far in Brazil, as well as the most recent developments in the area, in USA and in Europe, to conclude about the adequacy of those procedures and recommend eventual changes to them. One then studies the subjects of the coupling effect between the primary and secondary system responses, the influence of the piping support relative displacements, the contribution of the cross-correlation among response modal components and the participation in the overall response of the so-called rigid modes. The main computer program aid is taken from an ANSYS-2 version and one uses a reduced model of a piping system as the secondary system and a 3-D beam element model of a reactor building as the primary system. The spectral analysis results are compared to time domain solutions using the same structural models excited by a design accelerogram. Conclusions and recommendations are oriented to the present design practice in Brazil. / [es] En esta tesis se presenta un estudio de evaluación de los criterios y métodos que se emplean actualmente en el análisis y proyecto de los sistemas de tubulación en las plantas nucleares así como la verificación de la aplicación de algunos de los nuevos criterios presentados por la comunidad técnico-científica internacional, dentro del método de análisis modal-espectral. Se estudian los tópicos de la interacción entre el sistema de tubulación y la extructura que él soporta mediante el uso de espectros acoplados; la consideración del efecto de deslocamiento relativo de los apoyos de la tubulación, utilizando espectros que lo consideran o una excitación espectral múltipla; la introdución de la combinación de los máximos modales dependiendo de la posición relativa de las sus frecuencias y la inclusión de la respuesta espectral correspondiente a los modos de alta frecuencia o modos rígidos. La herramienta básica de análisis es el programa computacional ANSYS. La evaluación se realiza sobre parámetros de esfuerzos internos en trechos de un modelo de un sistema real de tuberías de la planta nuclear brasilera, Angra 3. Los padrones se obtienen por análisis en el tiempo de cada modelo bajo el acelerograma de proyecto. Se presentan conclusiones sobre las actitudes más convenientes para la actual conyuntura brasilera.