Given their potential applications for a number of engineering purposes, the geomechanics of shale reservoirs is becoming one of the most important issues in modern geomechanics. Borehole stability modeling, geophysics, shale oil and shale gas reservoirs, and underground storage of CO2 and nuclear waste are some of these potential applications to name a few. The growing interest in these reservoirs, as a source for hydrocarbons production, has resulted in an increasing demand for fundamental material property data. Laboratory analysis and constitutive models have shown that rock elastic and deformational properties are not single-value, well-defined parameters for a given rock. Finding suitable values for these parameters is of vital importance in many geomechanical applications. In this thesis an extensive experimental program to explore geomechanical properties of shale was developed. A series of triaxial tests were performed in order to evaluate the elasticity, yielding, and failure response of Marcellus shale specimens as a function of pressure, temperature, and bedding angle. Additional characterization includes mineralogy, porosity, and fabric. Rock samples used in this study came from three different locations and depths: one actual reservoir (~7,500 ft. deep), and two outcrops (~300 ft. and ~0 ft. deep).

Estudos de condições oceanográficas tornam-se imperativos a cada dia, tanto no fornecimento de dados para fins de pesquisa quanto para aplicações de engenharia. Tais usos variam desde a validação de modelos de previsão de ondas até a determinação de forças em estruturas offshore, bem como em condições de navegabilidade e operações logísticas. O uso dos movimentos do navio para determinar qual condição de mar os induziu, adotando a embarcação como um sensor, em analogia às boias oceanográficas, é uma das tecnologias disponíveis para a medição das condições oceanográficas. Esta destaca-se pela simplicidade na implementação, além de atender às necessidades da indústria petrolífera, uma vez que o interesse é voltado para eventos de ondas extremas, os quais são bem representados pela tecnologia considerada, como verificado nesta tese. A facilidade de obtenção de dados através da tecnologia mencionada, sem a necessidade de equipamentos adicionais { especialmente no caso de plataformas de petróleo devido à disponibilidade de bases inerciais em muitas embarcações deste tipo { foi essencial para garantir ao presente trabalho um conjunto de dados de campo composto por registros ininterruptos dos movimentos de uma plataforma FPSO durante dois anos, através do qual foi possível realizar estimativas das ondas em intervalos de trinta minutos. Esta rica base de dados, inédita na literatura especializada, aliada às estimativas fornecidas simultaneamente por um sistema de radar de ondas, permitiu um estudo detalhado das características e padrões dos espectros direcionais de onda e uma importante validação da aplicação da tecnologia em campo. Face às incertezas inerentes ao processo, no entanto, observa-se que, para um mesmo registro de movimentos, muitas soluções diferentes e quase equiprováveis podem ser obtidas, uma característica que favorece a aplicação de um método de inferência Bayesiana, afim de fornecer alguma informação a priori sobre as variáveis de estimação. Na presente abordagem, esta informação corresponde a uma suposição de suavidade dos espectros direcionais de onda a serem estimados, cujo grau é controlado pelos chamados hiperparâmetros do processo de inferência - parâmetros dentro do método que controlam a influência da informação a priori sobre a solução. Estudos prévios realizados na EPUSP demonstraram que o uso de hiperparâmetros fixos ou pré-calibrados é vantajoso para tornar o método de estimação operacionalmente aplicável, proporcionando um tempo de execução compatível com aplicações em tempo real. Dada a importância do papel desempenhado pela informação a priori na determinação de soluções viáveis no intervalo de incertezas do método, torna-se patente a necessidade de se definir valores apropriados para estes hiperparâmetros. Assim, neste trabalho, é apresentada uma metodologia de calibração para os hiperparâmetros baseada na dependência destes no período médio de onda e no parâmetro espectral de largura de banda. Esta nova abordagem traz dois aspectos inovadores para a pesquisa: O primeiro é o desenvolvimento de um método iterativo e autossuficiente capaz de identificar erros de estimação causados por incertezas no modelo de previsão de movimentos do navio. O segundo ponto é a capacidade do método de mitigar os erros encontrados, forçando a suavidade espectral ao longo do intervalo de frequências de onda. / Studies of oceanographic conditions become imperative every day, both in the provision of data for research purposes and for engineering applications. Such uses range from the validation of wave prediction models to the determination of forces in offshore structures, as well as navigability and logistical operations. The use of vessel movements to determine which is the condition induced by them, adopting the vessel as a sensor, in analogy to oceanographic buoys, is one of the available technologies for the measurement of oceanographic conditions. It stands out for the simplicity of the implementation, in addition it meets the needs of the oil industry, since the interest is focused on extreme wave events, which are well represented by the technology considered, as verified in this thesis. Ease of data attainment through the mentioned technology, without the need for additional equipment - especially in the case of oil platforms due to the availability of inertial bases in many vessels of this type - was essential to guarantee the present work the data set of field the FPSO platform for two years, through which it was possible to make estimates of the waves in intervals of thirty minutes. This rich database, unprecedented in the specialized literature, together with the estimates provided by a wave radar system, allowed a detailed study of the characteristics and patterns of the directional wave spectra and an important validation of the application of the technology in the field. Given the uncertainties inherent in the process, however, it can be observed that, for the same record of movements, many different and almost equiprobable solutions can be obtained, a feature that favors the application of a Bayesian inference method, in order to provide some information on the variables of estimation. In the present approach, this information corresponds to an assumption of smoothness of the directional wave spectra to be estimated, the degree of which is controlled by so-called hyperparameters of the inference process - parameters within the method that control the influence of a priori information on the solution. Previous studies conducted at EPUSP have demonstrated that the use of fixed or precalibrated hyperparameters is advantageous to make the estimation method operationally applicable, providing a runtime compatible with real-time applications. Given the importance of the role played by a priori information in determining viable solutions in the uncertainty range of the method, it becomes clear that it is necessary to define appropriate values for these hyperparameters. Thus, in this work, the calibration methodology for the hyperparameters is presented, based on the dependency of these on wave mean period and on bandwidth spectral parameter. The _rst is the development of an iterative, self-sufficient method, capable of identifying estimations errors caused by uncertainties on the ship\'s motions prediction model. The second is the ability of the method to mitigate the errors found, forcing spectral smoothness throughout the range of wave frequencies.

Estudos de condições oceanográficas tornam-se imperativos a cada dia, tanto no fornecimento de dados para fins de pesquisa quanto para aplicações de engenharia. Tais usos variam desde a validação de modelos de previsão de ondas até a determinação de forças em estruturas offshore, bem como em condições de navegabilidade e operações logísticas. O uso dos movimentos do navio para determinar qual condição de mar os induziu, adotando a embarcação como um sensor, em analogia às boias oceanográficas, é uma das tecnologias disponíveis para a medição das condições oceanográficas. Esta destaca-se pela simplicidade na implementação, além de atender às necessidades da indústria petrolífera, uma vez que o interesse é voltado para eventos de ondas extremas, os quais são bem representados pela tecnologia considerada, como verificado nesta tese. A facilidade de obtenção de dados através da tecnologia mencionada, sem a necessidade de equipamentos adicionais { especialmente no caso de plataformas de petróleo devido à disponibilidade de bases inerciais em muitas embarcações deste tipo { foi essencial para garantir ao presente trabalho um conjunto de dados de campo composto por registros ininterruptos dos movimentos de uma plataforma FPSO durante dois anos, através do qual foi possível realizar estimativas das ondas em intervalos de trinta minutos. Esta rica base de dados, inédita na literatura especializada, aliada às estimativas fornecidas simultaneamente por um sistema de radar de ondas, permitiu um estudo detalhado das características e padrões dos espectros direcionais de onda e uma importante validação da aplicação da tecnologia em campo. Face às incertezas inerentes ao processo, no entanto, observa-se que, para um mesmo registro de movimentos, muitas soluções diferentes e quase equiprováveis podem ser obtidas, uma característica que favorece a aplicação de um método de inferência Bayesiana, afim de fornecer alguma informação a priori sobre as variáveis de estimação. Na presente abordagem, esta informação corresponde a uma suposição de suavidade dos espectros direcionais de onda a serem estimados, cujo grau é controlado pelos chamados hiperparâmetros do processo de inferência - parâmetros dentro do método que controlam a influência da informação a priori sobre a solução. Estudos prévios realizados na EPUSP demonstraram que o uso de hiperparâmetros fixos ou pré-calibrados é vantajoso para tornar o método de estimação operacionalmente aplicável, proporcionando um tempo de execução compatível com aplicações em tempo real. Dada a importância do papel desempenhado pela informação a priori na determinação de soluções viáveis no intervalo de incertezas do método, torna-se patente a necessidade de se definir valores apropriados para estes hiperparâmetros. Assim, neste trabalho, é apresentada uma metodologia de calibração para os hiperparâmetros baseada na dependência destes no período médio de onda e no parâmetro espectral de largura de banda. Esta nova abordagem traz dois aspectos inovadores para a pesquisa: O primeiro é o desenvolvimento de um método iterativo e autossuficiente capaz de identificar erros de estimação causados por incertezas no modelo de previsão de movimentos do navio. O segundo ponto é a capacidade do método de mitigar os erros encontrados, forçando a suavidade espectral ao longo do intervalo de frequências de onda. / Studies of oceanographic conditions become imperative every day, both in the provision of data for research purposes and for engineering applications. Such uses range from the validation of wave prediction models to the determination of forces in offshore structures, as well as navigability and logistical operations. The use of vessel movements to determine which is the condition induced by them, adopting the vessel as a sensor, in analogy to oceanographic buoys, is one of the available technologies for the measurement of oceanographic conditions. It stands out for the simplicity of the implementation, in addition it meets the needs of the oil industry, since the interest is focused on extreme wave events, which are well represented by the technology considered, as verified in this thesis. Ease of data attainment through the mentioned technology, without the need for additional equipment - especially in the case of oil platforms due to the availability of inertial bases in many vessels of this type - was essential to guarantee the present work the data set of field the FPSO platform for two years, through which it was possible to make estimates of the waves in intervals of thirty minutes. This rich database, unprecedented in the specialized literature, together with the estimates provided by a wave radar system, allowed a detailed study of the characteristics and patterns of the directional wave spectra and an important validation of the application of the technology in the field. Given the uncertainties inherent in the process, however, it can be observed that, for the same record of movements, many different and almost equiprobable solutions can be obtained, a feature that favors the application of a Bayesian inference method, in order to provide some information on the variables of estimation. In the present approach, this information corresponds to an assumption of smoothness of the directional wave spectra to be estimated, the degree of which is controlled by so-called hyperparameters of the inference process - parameters within the method that control the influence of a priori information on the solution. Previous studies conducted at EPUSP have demonstrated that the use of fixed or precalibrated hyperparameters is advantageous to make the estimation method operationally applicable, providing a runtime compatible with real-time applications. Given the importance of the role played by a priori information in determining viable solutions in the uncertainty range of the method, it becomes clear that it is necessary to define appropriate values for these hyperparameters. Thus, in this work, the calibration methodology for the hyperparameters is presented, based on the dependency of these on wave mean period and on bandwidth spectral parameter. The _rst is the development of an iterative, self-sufficient method, capable of identifying estimations errors caused by uncertainties on the ship\'s motions prediction model. The second is the ability of the method to mitigate the errors found, forcing spectral smoothness throughout the range of wave frequencies.

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The prediction of asphalt pavements performance in relation to their main distresses has been proposed by different researchers, by means of laboratory characterization and field data evaluation. In relation to fatigue cracking, there is no universal consensus about the laboratory testing to be performed, the damage criterion to be considered, the testing condition to be set (level and frequency of loading, and temperature), and the specimen geometry to be used. Tests performed in asphalt binders and in asphalt mixes are used to study fatigue behavior and to predict fatigue life. The characterization of asphalt binders is relevant, since fatigue cracking is highly dependent on the rheological characteristics of these materials. In the present research, the linear viscoelastic characterization, time sweep tests, and amplitude sweep tests were done. In respect to the laboratorial characterization of asphalt mixes, tests based on indirect tensile, four point flexural bending beam, and tension-compression were performed. Field damage evolution data of two asphalt pavement sections were collected from an experimental test site in a very heavy traffic highway. Three asphalt binders (one neat binder, one SBS-modified binder and one highly modified binder, HiMA), and one asphalt concrete constituted by the neat binder were tested in laboratory. The experimental test site was composed by two segments, constituted by different base layers (unbound course and cement-treated crushed stone) that provided different mechanical responses in the asphalt wearing course. The field damage data were compared to fatigue life models that use empirical results obtained in the laboratory and computer simulations. Correlations among the asphalt materials scales were discussed in this dissertation, with the objective of predicting the fatigue cracking performance of asphalt pavements. / A previsão do desempenho de pavimentos asfálticos em relação aos seus principais defeitos tem sido proposta por diferentes pesquisadores, por meio da caracterização em laboratório e da avaliação de dados de campo. No que diz respeito ao trincamento por fadiga, não há um consenso universal sobre o tipo de ensaio a ser realizado, o critério de dano a ser considerado, e as condições de ensaio a serem adotadas (nível e frequência de carregamento, e temperatura), além da geometria das amostras testadas. Ensaios realizados em ligantes asfálticos e em misturas asfálticas são usados para estudar o comportamento em relação à fadiga e para prever a vida útil. A caracterização dos ligantes asfálticos é relevante, uma vez que o trincamento por fadiga é altamente dependente das características reológicas desses materiais. Nesta pesquisa, a obtenção dos parâmetros viscoelásticos lineares e a caracterização por meio de ensaios de varredura de tempo e de varredura de deformação foram realizados. Em relação à caracterização laboratorial das misturas asfálticos, ensaios baseados em compressão diametral, vigota de quatro pontos e em tração-compressão axial foram realizados. Dados de evolução do dano de campo obtidos em duas seções de pavimentos asfálticos foram coletados de um trecho experimental construído em uma rodovia de alto volume de tráfego. Três ligantes asfálticos (um ligante não modificado, um ligante modificado por polímero do tipo SBS e um ligante altamente modificado, HiMA), e uma mistura asfáltica do tipo concreto asfáltico constituída pelo ligante não modificado foram testados em laboratório. O trecho experimental era composto por dois segmentos, constituídos por diferentes tipos de camadas de base (brita graduada simples e brita graduada tratada com cimento) que forneciam diferentes respostas mecânicas à camada de revestimento asfáltico. Os dados de campo foram comparados com modelos de previsão de vida de fadiga que utilizam resultados empíricos obtidos em laboratórios e simulações computacionais. Correlações entre as diferentes escalas são discutidas nesta tese, com o objetivo de prever o desempenho de pavimentos asfálticos ao trincamento por fadiga.

The prediction of asphalt pavements performance in relation to their main distresses has been proposed by different researchers, by means of laboratory characterization and field data evaluation. In relation to fatigue cracking, there is no universal consensus about the laboratory testing to be performed, the damage criterion to be considered, the testing condition to be set (level and frequency of loading, and temperature), and the specimen geometry to be used. Tests performed in asphalt binders and in asphalt mixes are used to study fatigue behavior and to predict fatigue life. The characterization of asphalt binders is relevant, since fatigue cracking is highly dependent on the rheological characteristics of these materials. In the present research, the linear viscoelastic characterization, time sweep tests, and amplitude sweep tests were done. In respect to the laboratorial characterization of asphalt mixes, tests based on indirect tensile, four point flexural bending beam, and tension-compression were performed. Field damage evolution data of two asphalt pavement sections were collected from an experimental test site in a very heavy traffic highway. Three asphalt binders (one neat binder, one SBS-modified binder and one highly modified binder, HiMA), and one asphalt concrete constituted by the neat binder were tested in laboratory. The experimental test site was composed by two segments, constituted by different base layers (unbound course and cement-treated crushed stone) that provided different mechanical responses in the asphalt wearing course. The field damage data were compared to fatigue life models that use empirical results obtained in the laboratory and computer simulations. Correlations among the asphalt materials scales were discussed in this dissertation, with the objective of predicting the fatigue cracking performance of asphalt pavements. / A previsão do desempenho de pavimentos asfálticos em relação aos seus principais defeitos tem sido proposta por diferentes pesquisadores, por meio da caracterização em laboratório e da avaliação de dados de campo. No que diz respeito ao trincamento por fadiga, não há um consenso universal sobre o tipo de ensaio a ser realizado, o critério de dano a ser considerado, e as condições de ensaio a serem adotadas (nível e frequência de carregamento, e temperatura), além da geometria das amostras testadas. Ensaios realizados em ligantes asfálticos e em misturas asfálticas são usados para estudar o comportamento em relação à fadiga e para prever a vida útil. A caracterização dos ligantes asfálticos é relevante, uma vez que o trincamento por fadiga é altamente dependente das características reológicas desses materiais. Nesta pesquisa, a obtenção dos parâmetros viscoelásticos lineares e a caracterização por meio de ensaios de varredura de tempo e de varredura de deformação foram realizados. Em relação à caracterização laboratorial das misturas asfálticos, ensaios baseados em compressão diametral, vigota de quatro pontos e em tração-compressão axial foram realizados. Dados de evolução do dano de campo obtidos em duas seções de pavimentos asfálticos foram coletados de um trecho experimental construído em uma rodovia de alto volume de tráfego. Três ligantes asfálticos (um ligante não modificado, um ligante modificado por polímero do tipo SBS e um ligante altamente modificado, HiMA), e uma mistura asfáltica do tipo concreto asfáltico constituída pelo ligante não modificado foram testados em laboratório. O trecho experimental era composto por dois segmentos, constituídos por diferentes tipos de camadas de base (brita graduada simples e brita graduada tratada com cimento) que forneciam diferentes respostas mecânicas à camada de revestimento asfáltico. Os dados de campo foram comparados com modelos de previsão de vida de fadiga que utilizam resultados empíricos obtidos em laboratórios e simulações computacionais. Correlações entre as diferentes escalas são discutidas nesta tese, com o objetivo de prever o desempenho de pavimentos asfálticos ao trincamento por fadiga.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / The civil construction industry is characterized for being the sector that suffers the most influence with the economy growth. Government policies to encourage housing instigate the sector to produce wildly, using outdated construction techniques and employing unskilled labor, in an attempt to reduce costs and shorten timeline. The result of this impetus is the great generation of waste which, when untreated, are thrown into nature, causing irreparable environmental impacts. However, the recycling and production processes of recycled aggregates from construction waste (C&D waste) are consolidated in Brazil, but the same cannot be said of the use of these aggregates. Therefore, this study aims to characterize the recycled aggregates produced in Santa Maria to promote their use in paving. For this, the research was divided into three stages which contemplated the current situation of the C&D waste in the city: treatment and processing, characterization of recycled aggregates and possible implementation. The first phase consisted of the analysis of the waste management system employed in the city, which exposes an assessment of the management system since the implementation of the C&D waste treatment area, as well as reports examples and consequences of irregular disposal. The second stage involved the laboratory analysis, where the aggregates were divided according to the commercial size of gravel in the region and dosed properly to fit standards within the limits shown in the DNIT for granular material. From this, the aggregates were characterized and tested to see if they meet the criteria adopted by the NBR 15116, which specifies limits for use of this material in pavement. The third part consisted of the analysis of economic viability. This analysis was estimated by scaling up floors consisting of crushed stone and the other by recycled aggregate that presented the same responses to these efforts, and then the costs for obtaining and execution of the respective layers executed with these materials were compared. The results demonstrated that the aggregates meet the regulatory specifications for even high traffic volumes. In general, recycled aggregates, achieve better results when subjected to intermediate compaction energy, behaving similarly to gravel. / A indústria da construção civil é caracterizada por ser o setor que mais sofre influência com o crescimento da economia. Políticas governamentais de incentivo à habitação instigam o setor a produzir desenfreadamente, utilizando técnicas construtivas ultrapassadas e empregando mão de obra desqualificada, na tentativa de diminuir custos e encurtar prazos. O resultado desse ímpeto é a grande geração de resíduos que, quando não tratados, são jogados na natureza, ocasionando impactos ambientais irreparáveis. No entanto, os processos reciclagem e produção de agregados reciclados provenientes de resíduos da construção civil (RCC) estão se consolidando no Brasil, mas o mesmo não se pode dizer do emprego desses agregados. Por isso, essa pesquisa tem como objetivo caracterizar os agregados reciclados produzidos em Santa Maria para propiciar a sua utilização em pavimentação. Para isso, a pesquisa foi dividida em três etapas que contemplaram a situação atual dos RCC na cidade: tratamento e beneficiamento, caracterização dos agregados reciclados e possível aplicação. A primeira etapa constou da análise do sistema de gestão de resíduos empregado na cidade, a qual expõe uma avaliação do sistema de gerenciamento desde a implantação da área de tratamento de RCC, assim como relata exemplos e consequências do descarte irregular. A segunda etapa englobou a análise laboratorial, onde os agregados reciclados foram divididos conforme o tamanho comercial das britas da região e dosados adequadamente para que enquadrassem nos limites exibidos nas normas do DNIT para material granular. A partir disso, os agregados foram caracterizados e ensaiados para observar se atendem os critérios adotados pela NBR 15116, que especifica limites para utilização desse material em pavimentação. A terceira parte consistiu na análise da viabilidade econômica. Essa análise foi estimada dimensionando-se pavimentos compostos por brita graduada e outro por agregado reciclado que apresentassem mesmas respostas aos esforços, então comparou-se os custos para obtenção e execução das respectivas camadas executadas com esses materiais. Os resultados demonstraram os agregados reciclados atendem as especificações normativas até mesmo para altos volumes de tráfego. No geral, os agregados reciclados alcançam melhores resultados quando submetidos à energia de compactação intermediária, comportando-se semelhantemente as britas.