In this study, we develop a method of life prediction of buried pipe using the concepts of a characteristic damage state and damage accumulation. A stress analysis corresponding to the different types of load during service with environmental effects, a moisture diffusion model, and a lifetime prediction analysis combining the above models has been constructed. The model uses an elasticity solution for axial-symmetric loading in the case of pressurized pipe, and an approximate non-linear solution for transverse loading due to soil pressure in the case of buried pipe. The axial-symmetric stress analysis has been constructed taking into account the moisture content and the temperature of each ply of the laminate. The moisture diffusion model takes into account the geometry of the laminate, the different diffusivity coefficients in each ply, and also the geometric changes due to ply failure. The failure mode and material behavior of the pipe has been investigated and identified according to Owens Corning data. Thus, the code that has been developed allows one to predict the time to failure of Owens Corning industrial pipes under any time-dependent profile of environmental and loading conditions. / Master of Science

[pt] Trocadores de calor consistindo de tubos aletados são largamente aplicados em sistemas de ar condicionado, aquecedores de ar, radiadores, etc. No presente trabalho é executada uma análise bidimensional da aleta, utilizando-se coeficientes de troca de calor locais, para a obtenção de sua distribuição de temperatura, eficiência e da distribuição da temperatura da corrente de ar ao longo da aleta, em trocadores de calor de tubos elípticos, de excentricidade 0,5 e 0,65 e com uma e duas fileiras, para diversos números de Reynolds. Através da analogia entre transferência de massa e de calor, os coeficientes locais de troca de massa obtidos por Ximenes[1] foram transformados em coeficientes de troca de calor. Novos resultados numéricos de eficiência de aleta para trocadores de calor de tubos elípticos foram comparados com aqueles para trocadores de calor de tubos circulares e a comparação revelou que o arranjo com tubos elípticos é superior ao arranjo com tubos circulares. Esta é uma conclusão positiva, porque o uso de tubos elípticos pode reduzir consideravelmente a queda de pressão, devido a sua melhor configuração aerodinâmica, o que, associado à comparação anterior, mostra que os trocadores de calor de tubos elípticos podem apresentar desempenho bastante superior aos convencionais trocadores de tubos cilíndricos. A comparação entre o uso de coeficientes médios de troca de calor para aletas isotérmicas e coeficientes locais para o cálculo da eficiência de aleta evidenciou que a utilização de coeficientes médios é uma hipótese muito boa, pois o erro relativo entre os dois resultados foi menor do que 7,52 por cento, nos casos analisados. Com a eficiência da aleta e com os números de nusselt médios de aletas isotérmicas é possível calcular a taxa real de transferência de calor dos trocadores de calor nas diversas configurações analisadas neste trabalho. / [en] Heat exchangers consisting of tubes and plate fins have many engineering applications such as air conditioning systems, air heaters, radiators, etc. In the present work it is performed a two-dimensional heat trasnfer analysis of the heat exchangers, using the local heat coefficients, in order to obtain the plate fin temperature distribuition, the fin efficiency and the air bulk temperature distribuition along the free stream. Two arrangements were tested, one-row and two-row elliptical tubes and plate fin heat exchangers of eccentricity 0.5 and 0.65, for several Reynolds numbers. The analogy between the processes of heat and mass trasnfer was invoked to transform the local mass trasnfer coefficients measured by Ximenes [1] in to local heat trasnfer coefficients. Novel numerical results of the fin efficiency elliptical tubes and plates fin hear exchangers were compared with existing data for circular tubes and plate fin heat exchangers [3] and this comparison has shown that the elliptical tubes configuration is better than circular tubes configuration, from the heat transfer point of wiew. This is a important conslusion because the use of elliptical tubes would reduce dramatically the drag force, owing to the aerodynamical configuration, which, in addition to the preceding comparison, shows that the elliptical heat exchangers have the potential to deliver a performance greater than the conventional circular tubes heat exchangers. The comparison netween the use of average heat transfer coefficients for isothermal fins and local coefficients to obtain the fin efficiency revealed that the use of average coefficients is a very good hypothesis, because the relative error between the two results was less than 7.52 por cento for all cases analyzed. With the fin efficiency and the average Nusselt numbers for isothermal fins it is possible to obtain the actual heat trasnfer rate of the heat exchangers analyzed in this work.

[pt] Hoje em dia trocadores de calor com tubos aletados são largamente empregados em sistemas de condicionamento de ar, radiadores, etc. O presente trabalho é uma tese teórico-experimental sobre trocadores de calor com uma e duas fileiras de tubos aletados. É feita uma análise bi-dimensional da aleta do trocador e coeficientes locais de troca de calor são utilizados na obtenção da distribuição da temperatura de mistura do ar ao alongo da aleta. Este procedimento é feito para vários números de Reynolds e materiais da aleta. Através da analogia entre transferência de massa e de calor, os coeficientes locais de troca de massa obtidos por Saboya e Sparrow 2, 3 e 6 foram transformados em coeficientes locais de troca de calor. Esta analogia emprega um expoente que geralmente é desconhecido. Devido ao desconhecimento do expoente da analogia, para o caso de trocadores com duas fileiras de tubos, foi realizada uma experiência onde foram coletados dados para o cálculo do expoente. São também apresentados os coeficientes médios de troca de calor para aletas isotérmicas, na forma adimensional de números de Nusselt, para trocadores com uma fileira de tubos aletados centrados e recuados e para trocadores com duas fileiras de tubos aletados. Com a eficiência da aleta e com números de Nusselt médios de aletas isotérmicas, é possível calcular a taxa real de transferência de calor ou a área real de trocar de calor. / [en] Nowadays heat exchangers consisting of tubes and plate fins have many engineering applications such as air contioning systems, radiators, etc. The present work is a theoretical-experimental thesis about one and two row tubes and plate fins heat exchangers. By means of a two-simensional analysis performance, and using local heat trasnfer coefficients, the plate fin temperature distrubution, the air bulk temperature along the stream path and the fin efficiency can be obtained, for several Reynolds numbers and fin materials. Using heat-mass transfer analogy, the local mass transfer coefficientes measured by Saboya and Sparrow 2, 3 and 6 were transformed into local heat trasnfer coeficcients. This analogy employs an exponent usually unknown. An experiment was accomplished, and data was collected for the calculus of such exponent in the case of two row tubes heat exchangers, confugurations. Herein are also presented the average heat trasnfer coefficientes for isothermal plate fins, referring to heat exchangers with central-tube and rear-tube row and two-row tubes heat exchangers configurations. It is possible to obtain the real tax or the real area of heat trasnfer, using the average heat trasnfer coefficients for isothermal plate fins and the fin efficiency.

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

[pt] As estruturas com cargas não conservativas podem perder a estabilidade por divergência, quando a amplitude da resposta estática se incrementa monotonamente, ou por flutter, através de oscilações com amplitudes exponencialmente crescentes. Neste trabalho estudam-se vários aspectos sobre o efeito do amortecimento e da deformação cisalhante na estabilidade dinâmica de vigas e tubos. Um programa computacional que permite obter cargas críticas e respostas no domínio do tempo é implementado, formulando as equações através do método dos elementos finitos. Comparam-se os resultados de vigas de Euler-Bernoulli e vigas de Timoshenko, considerando várias alternativas para a aplicação do amortecimento proporcional e viscoelástico. Tubos são modelados com elementos tridimensionais enriquecidos com modos adicionais incompatíveis. O amortecimento viscoelástico é introduzido na relação constitutiva do material, atuando sobre as deformações desviadoras. As cargas críticas dinâmicas são calculadas a partir do problema de autovalor característico, obtido aplicando a transformada de Laplace às equações de conservação de momentum. Nas análises dinâmicas um método implícito é utilizado para a integração do tempo e um algoritmo de segunda ordem na integração das relações constitutivas viscoelásticas. Os resultados mostram que para algumas formas de amortecimento, as respostas obtidas considerando a deformação cisalhante mudam qualitativamente o comportamento da carga crítica dinâmica, incluindo alguns paradoxos, conforme o amortecimento é incrementado. / [en] Structures with non-conservative loads can lose stability either by divergence, when static response amplitude increases monotonically, or by flutter, through oscillations with exponentially increasing amplitudes. Several aspects concerning the influence of damping and shear on the dynamic stability of beams and tubes are studied. A special-purpose computer program has been developed, enabling critical loads and time history responses to be obtained applying the finite element method to formulation of the equations. Results of Euler-Bernoulli and Timoshenko beams are compared for a number of alternative formulations of proportional and viscoelastic damping. Tubes are modeled with tridimensional elements implemented with additional incompatible modes. Viscoelastic damping is introduced in the constitutive relations of the material, acting on deviatoric strains. Flutter loads are calculated through the characteristic eigenvalue problem obtained applying the Laplace’s transform to the momentum equation. In the dynamic analysis an implicit method is used for time integration and a second order algorithm is used in the integration of viscoelastic constitutive relations. The results show that, for some types of damping, the responses obtained taking into account shear strains change qualitatively the behavior of the flutter load, including certain paradoxical phenomena, as damping is increased.

[pt] As propriedades mecânicas, reológicas e elétricas do polímero poli (fluoreto de vinilideno) – PVDF – têm sido extensivamente estudadas, mas em particular é sua propriedade piezoelétrica que motiva a maior parte dos trabalhos, visto que a piezoeletricidade ocorre em poucos materiais e é mais intensa no PVDF em relação a outros polímeros. O fator chave que define a faixa de aplicação de polímeros piezoelétricos é a sua utilização na concepção de transdutores, sensores e atuadores. Neste sentido, a presente pesquisa analisa a aplicabilidade do polímero PVDF em tubulações para medição de vazão de água, empregando como método de medição de vazão a técnica de Flow Induced Vibration (FIV), considerando as propriedades piezoelétricas peculiares do polimorfo PVDF-B(beta). De modo geral, a FIV é um fenômeno que causa instabilidade das tubulações que transportam fluidos, tido como um problema operacional que ocorre em muitas plantas industriais. No entanto, este fenômeno passou a ser investigado como uma técnica de medição de vazão, a qual considera que a massa de um fluido pode ser indiretamente medida, medindo-se a aceleração que ela transmite para outro corpo, de modo que o desvio padrão do sinal da vibração medida aumenta com a vazão, sendo mais bem ajustado por um polinômio de segundo grau. A metodologia de trabalho consistiu em caracterizar o material espectroscopicamente, por meio de técnicas de Espectroscopia no Infravermelho com Transformada de Fourier (FTIR) e Difração de Raios-X (DRX); eletromecanicamente, em um shaker mecânico no Laboratório de Sensores a Fibras Ópticas do Departamento de Engenharia Mecânica da PUC-Rio; e finalmente em um circuito hidráulico de testes do Laboratório de Escoamento de Fluidos do Departamento de Engenharia Mecânica da PUC-Rio. Ensaios foram realizados de forma a identificar os níveis de tensões elétricas geradas pela vibração oriunda da passagem da água no tubo de PVDF. Visando à comparação com os sinais de vibração, foram realizadas medições simultâneas com acelerômetros e um filme de PVDF. Para medir a deformação no tubo adotaram-se sensores de Rede de Bragg. Os resultados dos ensaios de FIV permitiram concluir que o desvio padrão do sinal da tensão medida pelo tubo de PVDF é proporcional à vazão. No entanto, algumas variáveis precisaram ser controladas. As incertezas associadas à medição de vazão pelo tubo mostraram uma considerável redução nos níveis mais altos de vazão. Por outro lado, nos níveis mais baixos de vazão observou-se uma instabilidade muito grande, possivelmente devido ao processo de acomodação mecânica inicial do tubo. Apesar disso, uma forte relação entre o sinal gerado pelo tubo de PVDF e a vazão que induziu esta vibração permitiu que a aplicabilidade do tubo de PVDF como medidor de vazão de água fosse comprovada. / [en] The mechanical, rheological and electrical properties of polymer poly (vinylidene fluoride) - PVDF - have been extensively studied, but in particular it is its piezoelectric property that motivates most of the works, since the piezoelectricity occurs in few materials and is more intense in PVDF relative to other polymers. The key factor that defines the range of applications of piezoelectric polymers is their use in the conception of transducers, sensors and actuators. In this sense, the present research analyzes the applicability of the PVDF polymer in pipes for the measurement of water flow rate, using as flow measurement method the Flow Induced Vibration (FIV) technique, considering the peculiar piezoelectric properties of the polymorph PVDF-B(beta). In general, the FIV is a phenomenon that causes instability of the pipes that transport fluids, considered as an operational problem that occurs in many industrial plants. However, this phenomenon has been investigated as a flow rate measurement technique, which considers that the mass of a fluid can be indirectly measured by measuring the acceleration it transmits to another body, so that the standard deviation of the signal of the measured vibration increases with the flow rate, being better adjusted by a second degree polynomial. The work methodology consisted in characterizing the material spectroscopically, using Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FTIR) and X-Ray Diffraction (XRD) techniques; electromechanically, in a mechanical shaker at the Optical Fiber Sensors Laboratory of the Mechanical Engineering Department of PUC-Rio; and finally in a test hydraulic circuit of the Laboratory of Fluid Flow of the Department of Mechanical Engineering of PUC-Rio. Tests were carried out in order to identify the levels of electrical voltages generated by the vibration caused by the passage of water in the PVDF tube. In order to compare the vibration signals, simultaneous measurements were made with accelerometers and a PVDF film. To measure the deformation in the tube, Bragg Network sensors were adopted. The results of the FIV tests allowed concluding that the standard deviation of the voltage signal measured by the PVDF tube is proportional to the flow rate. However, some variables had to be controlled. The uncertainties associated with flow rate measurement by tube showed a considerable reduction in the higher flow rates. On the other hand, in the lower levels of flow rate a very great instability was observed, possibly due to the process of initial mechanical accommodation of the tube. Nevertheless, a strong relationship between the signal generated by the PVDF tube and the flow rate that induced this vibration allowed that the applicability of the PVDF tube as a water flow meter was proved.

[pt] Em Influência de defeitos cilíndricos sobre o limite de resistência de anéis de resina éster vinílica reforçada com fibras de vidro é realizado um estudo da influência de defeitos sobre a resistência mecânica de um tubo compósito de resina vinil éster reforçada com fibras de vidro picadas e contínuas. Os defeitos, com geometria cilíndrica, são artificialmente fabricados e têm suas dimensões (raio e profundidade) variados. A resistência mecânica do material foi avaliada através do ensaio de tração de anéis previsto na norma ASTM D 2290. Os resultados são analisados pelo método da ANOVA, obtendo-se, assim, a significância das variáveis relacionadas ao defeito (raio e profundidade). Realiza-se também a modelagem por elementos finitos do ensaio de tração, a fim de se avaliar o comportamento mecânico do material durante o ensaio. / [en] Cilindrical defects influence on the tensile strength of fiberglass reinforced vinyl ester composite rings investigates the influence of defects on the mechanical strength of a fiberglass reinforced vinylester composite pipe. The defects are manufactured in cilindrical shape with dimensions (radius and depth) varying over a selected range. The samples are tested in accordance with the ASTM D 2290 standard and the results are analyzed by the ANOVA method. A finite element model of the test is made in order to investigate the mechanical behaviour of the material during testing.