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As vast networks of high pressure buried energy pipelines traverse North America and other continents, the stability of such essential buried infrastructure must be maintained under a variety of earth loading conditions. The pipe-soil interaction and the longitudinal behaviour of buried pipes due to relative ground movements is poorly understood. This thesis presents full scale testing and numerical modeling of steel and Glass Fibre Reinforced Polymer (GFRP) pipelines to better understand the flexural performance of buried pipes subjected to lateral earth movement. For the experimental phase of the study, a series of pipe bending experiments have been conducted on 102 mm nominal diameter and 1830 mm long steel and GFRP pipes buried in dense sand. Pipe loading was carried out by pulling pipe ends using two parallel cables attached to a spreader beam outside the test region, using a hydraulic actuator. The different tests covered burial depth-to-diameter (H/D) ratios of 3, 5 and 7. During the steel pipe testing phase, special consideration was given to assess the effect of boundary limits, friction within the pulling mechanism, and consistency of results using repeated tests. For the GFRP pipes, the experimental work investigated the effect of the laminate structure of the pipes, including both cross-ply and angle-ply laminates. Test results showed that burial depth significantly influenced the ultimate pulling forces, longitudinal strains, and pipe net deflection at mid-span. The results were also compared between the two types of pipes. The failure mechanism for all tests was consistently governed by soil failure, except for the angle-ply GFRP pipe that failed at a burial depth of H/D=7. For the numerical analysis, the study presents the development and verification of two and three-dimensional numerical models including material constitutive models for both the pipe and for the soil using a stress-dependent modulus. Calculations are presented for different burial depths and are compared to experimental data. It was shown that the numerical model can successfully capture the pipe-soil interaction behaviour for both pipe types in terms of load-displacement responses and net bending deflection. Also, the effect of material variation and laminate structure were in agreement with test data. / Thesis (Ph.D, Civil Engineering) -- Queen's University, 2013-04-18 22:21:53.025

O presente trabalho tem por objetivo desenvolver um aparato experimental para estudar, em modelo físico de escala reduzida, o comportamento mecânico de um duto enterrado submetido a variações do estado de tensões da massa de solo circundante e a um potencial movimento de massa gravitacional, com avaliação concomitante das deformações desenvolvidas no solo por meio da técnica de correlação de imagens digitais. A alteração do estado de tensão no maciço foi feita por meio da aplicação de incrementos de inclinação ao modelo. Foram realizados ensaios com o duto nas posições transversal e longitudinal no interior da caixa de ensaios, enterrado em areia pura e seca, com razão entre altura de cobertura e diâmetro do duto de 3,55. A compacidade do maciço, controlada por meio da utilização da técnica de chuva de areia, foi avaliada nas situações densa (D = 111,5 %) e fofa (Dr = 58,2%). O comportamento mecânico do duto foi avaliado por meio de instrumentação para medição da deformação específica e deflexão da parede, sendo verificado efeito de flexão lateral no duto disposto na transversal, com maiores deformações observadas na situação de maciço fofo. Para o duto disposto na longitudinal, maiores deformações específicas foram observadas para a seção instrumentada central na situação de maciço denso, contudo verificou-se a necessidade de realização de ensaios adicionais para elucidação dos resultados, em termos da interação solo/tubo ao longo do comprimento do elemento. Para a utilização da técnica de correlação de imagens digitais, as imagens foram adquiridas em um ambiente com iluminação padronizada e resolução de partícula igual a 4. A qualidade da textura da imagem foi garantida por meio da preparação de material com adição de 20% de areia colorida. O refinamento da malha de análise, avaliado por meio da alteração do tamanho dos subsets e espaçamento entre subsets, não exerceu grande influência nos campos de deslocamentos obtidos, porém maiores refinamentos permitiram extrair observações mais detalhadas do campo de deformações. A utilização da técnica permitiu ainda avaliar a evolução dos vetores de deslocamento ao longo das etapas de inclinação e a influência do duto enterrado, na posição transversal, nos deslocamentos das partículas de solo circundante. / The present work aims the development of an experimental apparatus to study the behavior of a buried pipe under different soil stress states and potential landslides in a small-scale physical model. Digital image correlation technique is also used to evaluate soil deformation. A controlled slope increment squeme were responsible for soil stress state changes. The tests were performed with the model pipe buried in pure dry sand with a buried depth ratio of 3.55. A series of four tests involving two pipe configurations inside the test box (transversal and longitudinal) and two relative density (111.5% and 58.2%) was conducted. Soil density was controlled by pluviation method. The model pipe was instrumented in order to evaluate its behavior in terms of linear strain and deflection of the pipe wall. For the transversely disposed pipe, it was observed lateral bending effect and larger strains when buried in loose sand. For the longitudinally diposed pipe, the largest strains occurred in the pipe central cross section and in the tests conducted in dense sand. Nevertheless, additional testing is needed to better clarify the results, in terms of soil/pipe interaction along the pipe length. Daily digital images were acquired under standardized conditions of illumination for the use of digital image correlation technique. The particle/pixel size ratio was set equal to 4. Image texture quality was improved by adding 20% colored sand to the material used in the investigation. The level of refinement of the analysis mesh, evaluated by varying the subset size and the spacing of subsets, did not shown significant effect in the displacement fields. However, finer meshes allowed more detailed observations in the engineering shear strain fields obtained. Additionally, the digital image correlation technique allowed the evaluation of the displacement vectors evolution along the different slope stages considered. Moreover, this technique also captured the effect of the transversely disposed pipe on surrounding soil particles displacements.

O presente trabalho tem por objetivo desenvolver um aparato experimental para estudar, em modelo físico de escala reduzida, o comportamento mecânico de um duto enterrado submetido a variações do estado de tensões da massa de solo circundante e a um potencial movimento de massa gravitacional, com avaliação concomitante das deformações desenvolvidas no solo por meio da técnica de correlação de imagens digitais. A alteração do estado de tensão no maciço foi feita por meio da aplicação de incrementos de inclinação ao modelo. Foram realizados ensaios com o duto nas posições transversal e longitudinal no interior da caixa de ensaios, enterrado em areia pura e seca, com razão entre altura de cobertura e diâmetro do duto de 3,55. A compacidade do maciço, controlada por meio da utilização da técnica de chuva de areia, foi avaliada nas situações densa (D = 111,5 %) e fofa (Dr = 58,2%). O comportamento mecânico do duto foi avaliado por meio de instrumentação para medição da deformação específica e deflexão da parede, sendo verificado efeito de flexão lateral no duto disposto na transversal, com maiores deformações observadas na situação de maciço fofo. Para o duto disposto na longitudinal, maiores deformações específicas foram observadas para a seção instrumentada central na situação de maciço denso, contudo verificou-se a necessidade de realização de ensaios adicionais para elucidação dos resultados, em termos da interação solo/tubo ao longo do comprimento do elemento. Para a utilização da técnica de correlação de imagens digitais, as imagens foram adquiridas em um ambiente com iluminação padronizada e resolução de partícula igual a 4. A qualidade da textura da imagem foi garantida por meio da preparação de material com adição de 20% de areia colorida. O refinamento da malha de análise, avaliado por meio da alteração do tamanho dos subsets e espaçamento entre subsets, não exerceu grande influência nos campos de deslocamentos obtidos, porém maiores refinamentos permitiram extrair observações mais detalhadas do campo de deformações. A utilização da técnica permitiu ainda avaliar a evolução dos vetores de deslocamento ao longo das etapas de inclinação e a influência do duto enterrado, na posição transversal, nos deslocamentos das partículas de solo circundante. / The present work aims the development of an experimental apparatus to study the behavior of a buried pipe under different soil stress states and potential landslides in a small-scale physical model. Digital image correlation technique is also used to evaluate soil deformation. A controlled slope increment squeme were responsible for soil stress state changes. The tests were performed with the model pipe buried in pure dry sand with a buried depth ratio of 3.55. A series of four tests involving two pipe configurations inside the test box (transversal and longitudinal) and two relative density (111.5% and 58.2%) was conducted. Soil density was controlled by pluviation method. The model pipe was instrumented in order to evaluate its behavior in terms of linear strain and deflection of the pipe wall. For the transversely disposed pipe, it was observed lateral bending effect and larger strains when buried in loose sand. For the longitudinally diposed pipe, the largest strains occurred in the pipe central cross section and in the tests conducted in dense sand. Nevertheless, additional testing is needed to better clarify the results, in terms of soil/pipe interaction along the pipe length. Daily digital images were acquired under standardized conditions of illumination for the use of digital image correlation technique. The particle/pixel size ratio was set equal to 4. Image texture quality was improved by adding 20% colored sand to the material used in the investigation. The level of refinement of the analysis mesh, evaluated by varying the subset size and the spacing of subsets, did not shown significant effect in the displacement fields. However, finer meshes allowed more detailed observations in the engineering shear strain fields obtained. Additionally, the digital image correlation technique allowed the evaluation of the displacement vectors evolution along the different slope stages considered. Moreover, this technique also captured the effect of the transversely disposed pipe on surrounding soil particles displacements.

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Este trabalho apresenta um estudo experimental sobre o comportamento de dutos enterrados sofrendo perda de apoio ou elevação em uma determinada região ao longo do comprimento. Foram realizados ensaios com modelos físicos compostos por um maciço de areia pura contendo um tubo repousando sobre um alçapão localizado no centro do vão. A pesquisa envolveu dois programas experimentais distintos. O primeiro foi desenvolvido na Escola de Engenharia de São Carlos/USP e contou com o desenvolvimento e a construção de um equipamento de ensaios possuindo um sistema de alçapão. Os modelos eram dotados de 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. O segundo programa experimental foi conduzido na Universidade do Colorado em Boulder, EUA, e envolveu ensaios em centrífuga. Essa fase da pesquisa teve por finalidade realizar uma investigação visual dos mecanismos de ruptura do sistema composto pelo solo e pelo duto sujeito à perda de apoio. Ambas as etapas do trabalho contaram com a execução de testes com modelos sem tubo. Os ensaios realizados revelaram aspectos importantes do problema investigado. A movimentação ativa ou passiva do alçapão exerceu uma forte influência na redistribuição das tensões no maciço de solo exterior à estrutura, a qual abrangeu distâncias horizontais superiores a 5 B e verticais superiores a 4 B. Após a perda de apoio ou a elevação, o topo, a base e as demais partes do conduto assumiram perfis de deflexão distintos ao longo do comprimento, os quais foram consideravelmente influenciados pela densidade relativa do solo e pela sobrecarga aplicada. A movimentação ativa do alçapão revelou ainda padrões de ruptura incluindo localizações de deformação propagando-se para a região do maciço de solo fora do alçapão / This thesis presents an experimental study on the behavior of buried pipes undergoing a loss of support or elevation in a localized region along its length. Tests with physical models comprising a pure dry sand and a tube resting on a rigid trapdoor base located at the center of its length were performed. The research included two distinct testing programs. The first testing program was carried out at the School of Engineering of Sao Carlos/USP, and included the construction of a laboratory facility containing a trapdoor system. The models were equipped with devices for measuring deflections and strains in the pipe, and total stresses in the soil mass and in the lower boundary of the model. The second phase of this investigation was conducted at the University of Colorado at Boulder, USA, and involved centrifuge testing. The main goal of this part of the research was to assess the failure mechanisms that take place when the pipe experiences loss of support. Models without the pipe were also tested in both phases. Important aspects of the soil-structure interaction were verified with the testing programs carried out in this study. A strong influence on the stress redistribution within the soil mass in the vicinity of the structure was achieved after the active or passive conditions were established, encompassing horizontal distances greater than 5 B and vertical distances greater than 4 B. The crown, the base, and the other parts of the pipe assumed distinct deflection profiles after the loss of support or elevation, which were strongly influenced by the relative density of the surrounding soil and by the surficial applied surcharge. The imposed downward boundary movement included the formation of shear bands initiating at the edge of the void and propagating towards the soil mass in the vicinity of the trapdoor

Este trabalho apresenta um estudo experimental sobre o comportamento de dutos enterrados sofrendo perda de apoio ou elevação em uma determinada região ao longo do comprimento. Foram realizados ensaios com modelos físicos compostos por um maciço de areia pura contendo um tubo repousando sobre um alçapão localizado no centro do vão. A pesquisa envolveu dois programas experimentais distintos. O primeiro foi desenvolvido na Escola de Engenharia de São Carlos/USP e contou com o desenvolvimento e a construção de um equipamento de ensaios possuindo um sistema de alçapão. Os modelos eram dotados de 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. O segundo programa experimental foi conduzido na Universidade do Colorado em Boulder, EUA, e envolveu ensaios em centrífuga. Essa fase da pesquisa teve por finalidade realizar uma investigação visual dos mecanismos de ruptura do sistema composto pelo solo e pelo duto sujeito à perda de apoio. Ambas as etapas do trabalho contaram com a execução de testes com modelos sem tubo. Os ensaios realizados revelaram aspectos importantes do problema investigado. A movimentação ativa ou passiva do alçapão exerceu uma forte influência na redistribuição das tensões no maciço de solo exterior à estrutura, a qual abrangeu distâncias horizontais superiores a 5 B e verticais superiores a 4 B. Após a perda de apoio ou a elevação, o topo, a base e as demais partes do conduto assumiram perfis de deflexão distintos ao longo do comprimento, os quais foram consideravelmente influenciados pela densidade relativa do solo e pela sobrecarga aplicada. A movimentação ativa do alçapão revelou ainda padrões de ruptura incluindo localizações de deformação propagando-se para a região do maciço de solo fora do alçapão / This thesis presents an experimental study on the behavior of buried pipes undergoing a loss of support or elevation in a localized region along its length. Tests with physical models comprising a pure dry sand and a tube resting on a rigid trapdoor base located at the center of its length were performed. The research included two distinct testing programs. The first testing program was carried out at the School of Engineering of Sao Carlos/USP, and included the construction of a laboratory facility containing a trapdoor system. The models were equipped with devices for measuring deflections and strains in the pipe, and total stresses in the soil mass and in the lower boundary of the model. The second phase of this investigation was conducted at the University of Colorado at Boulder, USA, and involved centrifuge testing. The main goal of this part of the research was to assess the failure mechanisms that take place when the pipe experiences loss of support. Models without the pipe were also tested in both phases. Important aspects of the soil-structure interaction were verified with the testing programs carried out in this study. A strong influence on the stress redistribution within the soil mass in the vicinity of the structure was achieved after the active or passive conditions were established, encompassing horizontal distances greater than 5 B and vertical distances greater than 4 B. The crown, the base, and the other parts of the pipe assumed distinct deflection profiles after the loss of support or elevation, which were strongly influenced by the relative density of the surrounding soil and by the surficial applied surcharge. The imposed downward boundary movement included the formation of shear bands initiating at the edge of the void and propagating towards the soil mass in the vicinity of the trapdoor

[pt] Este trabalho estuda problemas geotécnicos e de interação solo-estrutura utilizando o método dos elementos finitos acoplado com a transformada de Fourier. Pela aplicação da transformada de Fourier, as equações diferenciais que governam o problema elástico linear, com as correspondentes condições de contorno, são reescritas no plano de Fourier, permitindo que um problema de natureza tridimensional possa ser numericamente analisado por uma discretização bidimensional. Esta técnica foi empregada neste trabalho para certos problemas de engenharia, como dutovias, túneis e fundações tipo radier, onde a geometria e os parâmetros dos materiais mantêm-se constantes ao longo do eixo longitudinal do corpo, porém admitindo-se variações espaciais no carregamento imposto ao sistema, gerando , assim, um estado tridimensional de tensões. Alguns elementos de interface, com formulação publicada na literatura, foram também considerados na implementação computacional, visto que em problemas de interação solo- estrutura o comportamento do sistema é bastante influenciado pelas propriedades e características mecânicas do solo imediatamente vizinho à estrutura. Os exemplos numéricos apresentados são comparados, sempre que possível, com os resultados obtidos por outra solução analítica ou numérica, procurando discutir as vantagens e limitações do acoplamento da transformada de Fourier com o método dos elementos finitos para a análise de determinada classe de problemas geotécnicos tridimensionais. / [en] In this work some geotechnical and soil-structure interaction problems are studied using the finite element method coupled with a Fourier transform technique. For linear elastic problems, Fourier transforms are applied to the governing field equations, thus enabling that some specific tridimensional problems can be analyzed using a 2D finite element mesh. In conventional finite element applications, a 3D discretization is usually required, but difficulties associated with the preparation of the finite element mesh and the involved computational efforts prevent, in general, the use of a true 3D model. The integral transform method is used in this research for the analysis of some very common problems in geotechnical engineering, such as piping systems, raft foundations and tunnels, where the geometry and the soil profile may be considered constant along a coordinate direction. The applied loading, however, can assume any possible surface distribution, which does not allow to treat the problem under the plane strain assumptions. Some special finite elements presented in the literature, called joint or interface elements, are also incorporated into the finite element computational program written in this research, given that for soil-structure interaction problems the material behavior at the common interface may greatly affect the entire system results. Some numerical examples are presented, and their numerical results are compared, whenever possible, with other solutions obtained using analytical or other numerical technique. Advantages and limitations of the integral transform method to solve tridimensional geomechanics problems are also discussed in this work. / [es] Este trabajo estudia problemas geotécnicos y de interacción suelo-extructura utilizando el método de los elementos finitos acoplado con la transformada de Fourier. Por la aplicación de la transformada de Fourier, las ecuaciones diferenciales que goviernan el problema elástico lineal, con las correspondentes condiciones de contorno, son reescritas en el plano de Fourier, permitiendo que un problema de naturaleza tridimensional pueda ser numericamente analizado por una discretización bidimensional. Esta técnica fue utilizada en este trabajo para ciertos problemas de Ingeniería, como canales, túneles y fundaciones tipo radier, donde la geometría y los parámetros de los materiales se mantienen constantes a lo largo del eje longitudinal del cuerpo, aunque se admiten variaciones espaciales en la carga impuesta al sistema, generando , así, un estado tridimensional de tensiones. En la implementación computacional fueron considerados algunos elementos de la interfaz, con formulación publicada en la literatura, ya que en problemas de interacción suelo-extructura, el comportamiento del sistema está bastante influenciado por las propiedades y características mecánicas del suelo imediatamente vecino a la extructura. Los ejemplos numéricos presentados se compararon, siempre que fue posible, con los resultados obtenidos por otra solución analítica o numérica, discutiendo las ventajas y limitaciones del acoplamiento de la transformada de Fourier con el método de los elementos finitos para el análisis de determinada clase de problemas geotécnicos tridimensionales.

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