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[pt] Existem muitas formações no mundo hoje que armazenam uma quantidade significante de petróleo, sendo um grande valor para a indústria petroleira. As bacias de Pré-sal da costa do Brasil atualmente estão em grande foco devido aos descobrimentos recentes de petróleo e os desafios que eles criam na perfuração. Ao contrário de muitas formações, a rocha salina exibe fluência, uma vez que, a perfuração seja realizada a rocha começa se realiviar das tensões geostáticas por fechamento com o tempo. A profundidade e os altos níveis de tensões induzidas pelo sal no revestimento requerem a cimentação para fornecer estabilidade adicional. Mesmo assim, um defeito no cimento complica a análise para os engenheiros a modelar e predizer seu comportamento. Um revestimento bem cimentado não é sempre alcançado em águas profundas. A geometria e o tamanho têm uma grande influência nas tensões no defeito do cimento. A ovalização do revestimento pode reduzir as tensões máximas de compressão induzidas pelo sal dependendo da geometria do defeito. Excentricidade reduz os efeitos da ovalização enquanto muda o estado de tensões do cimento. Portanto, é importante que o cimento e o sal sejam entendidos inteiramente a fim de realizar decisões racionais em engenharia. O foco desta pesquisa é atingir um conhecimento mais profundo de poços de offshore mal cimentados sujeitos ao carregamento não uniforme. Um modelo de elementos finitos foi gerado pelo software Abaqus para implementar simulações e análise de vários cenários de falhas no cimento. / [en] There exist several salt rock formations in the world today which store a substantial amount of oil, being a great asset to the petroleum industry. The pre-salt basins off the coast of Brazil have been a primary focus due to the challenges they provide in oil drilling. Unlike most formations, salt rock exhibits creep behavior where, once the drilling has been performed, the rock begins to relieve itself from the applied stress by closing gradually with time. This may lead to cases of well collapse and well abandonment, creating an economical issue to oil drillers. Well cementing is always seeked to be performed with excellence, caution and thoroughness. Nevertheless, an unevenly distributed cement job complicates the analysis for engineers to model and predict its behavior. A well-cemented casing is not always achieved in deepwater wells. Geometry and size greatly influence the stresses on the defected area. Hence, it is important that the cement and salt formation be fully understood in order to make rational engineering decisions. The focus of this research study is to attain a deeper understanding of poorly-cemented offshore wells subjected to non-uniform salt loading. A finite element model was generated by the commercial software program Abaqus to implement simulations and analyses of various failure scenarios.

[pt] A curva característica de água no solo é uma ferramenta importante na análise mecânica e hidráulica de solos não saturados, uma vez que expressa a relação entre a saturação e a sucção do solo. O objetivo principal dessa pesquisa foi, através da curva de retenção, analisar a viabilidade da utilização de uma estrutura porosa, criada com impressão 3D, como medidor de sucção. Além da curva de retenção, também se estudou a acurácia e precisão da metodologia de confecção com análise de imagem e pesagem das amostras. Empregou-se duas técnicas de manufatura aditiva. Com a primeira, Fused Deposition Modelling, não foi possível imprimir poros com diâmetro inferior a 1 mm, tendo essa técnica sido descartada. A segunda técnica foi a Vat Photopolymerization, tendo se atingido diâmetro mínimo do furo de 0,6 mm. Foram confeccionados nove corpos de prova (CP) cilíndricos, com furos idênticos de 0,6 mm de diâmetro e mesmo espaçamento entre si. Cinco CPs foram impressos com 30 mm de raio e 20 mm de altura, os demais com 20 mm de raio e 10 mm de altura. O método utilizado para a medição da sucção foi o do papel filtro. Como o objetivo da pesquisa não era obter a curva exata do corpo impresso, mas sim observar uma tendência de comportamento, optou-se por um período de equalização de apenas 7 dias. Posicionando um papel no topo e outro na base do CP foi possível analisar a equalização. A diferença entre topo e base constatada foi aproximadamente constante para todo o intervalo da curva, com exceção apenas no trecho de inflexão, no qual essa diferença foi significativamente maior. Observou-se dois trechos lineares (na escala semi-log) conectados por uma descontinuidade. Assim, um modelo bi-modal, como os utilizados no papel filtro, descreveram melhor os resultados obtidos. A curva de calibração obtida resultou em um erro na leitura de sucção de 13,7 por cento no primeiro trecho e 27,5 por cento no segundo. No entanto, considerou-se que o medidor ainda não é adequado devido a região de descontinuidade, que inviabilizou leituras entre 10 e 1500 kPa. Em relação ao método de confecção, entendeu-se que a impressora possui precisão adequada, tendo sido observado comportamento homogêneo entre os diferentes CPs, mesmo com geometrias distintas. A resolução da impressora utilizada impediu a confecção de CPs com vazios menores para a otimização das curvas. No entanto, o comportamento da curva e a precisão do equipamento sugerem que a manufatura aditiva pode ser capaz de contribuir para a mecânica dos solos com a criação de um novo tipo de medidor de sucção, desde que se utilize uma melhor configuração/geometria de vazios para otimizar o comportamento da curva de retenção. / [en] The soil water characteristic curve is an important tool in the mechanical and hydraulic analysis of unsaturated soils as it expresses the relationship between soil saturation and suction. The main objective of this research was to analyze, through the retention curve, the feasibility of using a porous structure created with 3D printing as a suction meter. In addition to the retention curve, the accuracy and precision of the manufacturing methodology were also studied through image analysis and sample weighing. Two additive manufacturing techniques were employed. With the first, Fused Deposition Modelling, it was not possible to print pores with a diameter smaller than 1 mm, and, because of this, the technique was discarded. The second technique was Vat Photopolymerization, a minimum pore diameter of 0.6 mm was achieved. Nine cylindrical specimens (CPs) were produced, with identical 0.6 mm diameter pores and the same spacing between them. Five CPs were printed with a radius of 30 mm and a height of 20 mm, and the remaining ones with a radius of 20 mm and a height of 10 mm. The suction measurement method used was the filter paper method. Since the research s goal was not to obtain the exact curve of the printed body but to observe a behavioral trend, an equilibration period of only 7 days was chosen. Placing a paper at the top and another at the base of the CP allowed the analysis of the equilibrium. The difference between the top and base was approximately constant throughout the curve interval, except for the inflection section, where this difference was significantly higher. Two linear sections (on a semi-log scale) connected by a discontinuity were observed. Therefore, a bi-modal model, like those used in filter paper experiments, better described the obtained results. The calibration curve resulted in a suction reading error of 13.7 percent in the first section and 27.5 percent in the second. However, it was considered that the meter is not yet suitable due to the discontinuity region, which made readings between 10 and 1500 kPa unfeasible. Regarding the manufacturing method, it was understood that the printer has adequate precision, with a homogeneous behavior observed among different CPs, even with distinct geometries. The printer s resolution prevented the production of CPs with smaller voids to optimize the curves. However, the curve behavior and equipment precision suggest that additive manufacturing may be capable of contributing to soil mechanics with the creation of a new type of suction gauge, provided a better void configuration/geometry is used to optimize the retention curve behavior.

[pt] No presente trabalho estudou-se numericamente a instabilidade das ondas na interface do escoamento estratificado de água e óleo em um canal plano. Esse padrão de escoamento, associado ao estágio inicial da formação de golfada, é comum em aplicações industriais, de áreas como produção de petróleo, nuclear, química e muitas outras. Através da introdução de perturbações controladas na interface do escoamento estratificado, analisou-se a evolução dessas perturbações à luz das teorias de estabilidade hidrodinâmica. Os experimentos numéricos foram realizados utilizando o método de Volume of Fluid (VOF) do simulador comercial ANSYS Fluent versão 15.0. Analisou-se o comportamento do escoamento em dois regimes distintos com relação a amplitude das ondas interfaciais. No primeiro regime, empregaram-se ondas pequenas o suficiente para que efeitos não lineares fossem desprezíveis. Os resultados obtidos apresentaram boa concordância com as previsões fornecidas por um solver das equações de Orr-Sommerfeld, para escoamento bifásico estratificado em um canal, indicando que a ferramenta numérica foi capaz de reproduzir o comportamento das ondas interfaciais. Mostrou-se que existe uma faixa de amplitudes, em torno de 0,2 porcento da altura do canal, a partir da qual os efeitos não lineares se tornam relevantes. No regime não linear foram avaliados diferentes cenários de interação não linear entre ondas, os quais geralmente são associados a transição do regime do escoamento estratificado para golfadas. Identificou-se o cenário mais relevante, analisando-se,a eficiência de cada uma dessas interações isoladamente. Observou-se que interações não lineares entre ondas de comprimento parecido são as que crescem mais rapidamente. Esse mecanismo parece ser dominante também na presença de um grande número de ondas, como é o caso esperado em um evento natural. Utilizou-se um modelo fracamente não linear, baseado nas equações de Stuart-Landau, para modelar o comportamento das ondas no escoamento, obtendo-se excelente concordância com os resultados das simulações. Isso é interessante do ponto de vista prático, pois sugere que modelos não lineares simples, como é o caso da equação de Stuart-Landau, podem ser implementados para melhorar as ferramentas utilizadas para prever mudanças de regime em escoamentos bifásicos. / [en] In the present work, the instability of waves at the interface of the stratified flow of water and oil in a plane channel was numerically studied. This flow pattern, which is associated with the initial stages of slug formation, is common in industrial application in areas such as oil production, nuclear, chemical and many others. Through the introduction of controlled perturbations at the interface of a stratified flow, the evolution of the perturbations was analyzed based on hydrodynamics stability theories. Numerical experiments were performed using the Volume of Fluid (VOF) method of the ANSYS Fluent release 15.0 commercial simulator. The behavior of the flow in two different regimes with respect to the amplitude of the interfacial waves was analyzed. In the first regime, small enough waves were employed so that non-linear effects were negligible. The results obtained presented good agreement with the predictions provided by a solver of the Orr-Sommerfeld equations for stratified two-phase flow in a channel, indicating that the numerical tool was able to reproduce the behavior of the interfacial waves. It was shown that there is a range of amplitudes, around 0.2 per cent of the channel height, above which the non-linear effects become relevant. In the nonlinear regime, different scenarios of nonlinear interaction between waves, which are usually associated with transition from stratified flow pattern to slug flow, were evaluated. The most relevant scenario was identified, based on the efficiency of each independent interaction. It was observed that non-linear interactions between waves of similar length present the fastest growth. This mechanism seems to be dominant also in the presence of a large number of waves, as present in natural events. A weakly nonlinear model, based on the Stuart- Landau equations, was employed to model the wave behavior in the flow, obtaining an excellent agreement with the results of the simulations. This is interesting from a practical point of view, since it suggests that simple nonlinear models, such as the Stuart-Landau equation, can be implemented to improve the tools used to predict regime changes in two-phase flows.

Made available in DSpace on 2014-07-29T16:02:22Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Trabalho - Joao Lopes Cardoso Filho.pdf: 808434 bytes, checksum: 704ba35b2a4ad822c43237b7d22af060 (MD5) Previous issue date: 2008-08-29 / In this dissertação we deducted a nonlinear evolution equations which model vertical propagation of chemical reaction fronts. We establish which the initial value problem ∂tu - ∂²x u - ½(∂xu)² - µ(1-∂²x) - ½u = 0, x Є [-π, π], t > 0 u(.,0) = ø, 2 π - periódica it is a the Cauchy problem locally well-posed. / Nesta dissertação deduzimos uma equação de evolução não-linear que modela a propagação vertical de frentes de reação em química. Também resolvemos o problema devalor inicial ∂tu - ∂²x u - ½(∂xu)² - µ(1-∂²x) - ½u = 0, x Є [-π, π], t > 0 u(.,0) = ø, 2 π - periódica Demonstrando a boa-postura do Problema de Cauchy, localmente no tempo.

[pt] Este trabalho tem como objetivo efetuar um estudo arqueometalúrgico de objetos ferrosos e não-ferrosos resgatados de sítios históricos do Rio de janeiro. A pesquisa experimental desenvolveu uma metodologia de análise utilizando-se de técnicas destrutivas como Microscopia Ótica (MO), Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV), Microscopia Eletrônica de Transmissão e não destrutivas como Fluorescência de Raio X (FRX) e Emissão de Raios-X por Indução de Partículas (PIXE). Os objetos foram analisados com o intuito de caracterizar sua composição, estrutura e método de elaboração. Estes correspondem a seis artefatos de natureza metálica não-ferrosa e um de natureza metálica ferrosa. O objeto metálico ferroso corresponde a uma enxada. As características microestruturais dos objetos estão correlacionadas com a função que esses desempenhavam na época e indicativa de que a enxada possa ter sido feita no Brasil por escravos africanos. A análise da enxada permite concluir que é constituída de um ferro pudlado e que foi processada por fundição e forjamento. Quanto aos objetos não-ferrosos, o rosário é constituído de um latão monofásico mais rico em cobre. Com relação à fabricação do rosário pode-se concluir de que seja de origem européia, sendo decorrente de um minério pirítico. As medalhas são de procedência européia constituídas de latão. Historicamente, pode-se deduzir que são referentes ao século XVIII. Conclui-se que as duas moedas do Sítio Rochedo sejam originárias de fontes diferentes, constatado pelas análises químicas. Porém, as concentrações químicas da moeda de 1821 são próximas a uma das moedas de 40 réis. A presente tese permitiu evidenciar a importância da sistemática de trabalho experimental de caracterização, a partir de técnicas destrutivas e nãodestrutivas de materiais, de objetos arqueológicos para estabelecer seu contexto histórico. / [en] This work undertakes an archeometallurgical study of ferrous and non-ferrous artifacts recovered from historical sites of Rio de Janeiro. The experimental research developed an analytical methodology based on destructive techniques, such as Optical Microscopy (OM), Scanning Electronic Microscopy (SEM) and Transmission Electronic Microscopy (TEM); as well as non- destructive techniques, namely X-Ray Fluorescence (XRF) and Particle Induction X-Ray Emission (PIXE). These artifacts were analyzed in order to characterize their composition, structure and elaboration/processing methods. There are six artifacts with a non-ferrous metallic nature and one with a ferrous metallic nature. The ferrous metallic artifact was a hoe. The microstructure characteristics is related to the usage of this object at that time, and indicates that the hoe could have been made in Brazil by African slaves. The analysis of the hoe indicates that it was elaborated from puddle iron and that it had been processed by foundry and forging. The rosary, one of the non-ferrous artifacts, is formed by singlephase brass riche in copper; and according to historical research it is of European origin, deriving from pyrite ore. The medals are also of European origin and are based on brass. Historically one can deduce that they are dated from the 18th century. The two coins from the Rochedo site most probably came from distinct sources, as validated by the chemical analysis. However, the chemical composition of the 1821 coin is close to that of the 40 réis coin. The present thesis has shown the importance of a systematic methodology to characterize ancient objects combining both destructive and non- destructive techniques.

[pt] O presente trabalho mostra uma versão do método Rayleigh-Ritz com funções especializadas para a análise de placas circulares e anulares finas e espessas sujeitas a cargas fora do plano e em plano. As funções de aproximação para deslocamentos são polinómios em direção radial combinada com funções trigonométricas na direção circunferencial. Um recurso conveniente é o uso de funções nodais lineares, que permitem a fácil consideração de cargas nodais e condições de contorno (incluindo forças seguidoras), enriquecidos por polinômios de ordem superior, sem inclusão de nós adicionais. O modelo permite a variação da espessura e é aplicado em MAPLE18, possibilitando o cálculo de deslocamentos e tensões sob carregamento constante e de variação linear, as frequências de vibração, cargas de flambagem com alguns efeitos do nível de carga conservativa e não conservativa. Os exemplos mostram a eficácia desta abordagem na análise de tal estrutura e leva um novo enfoque a este problema clássico, que apresenta comparações interessantes e originais que descrevem o efeito de deformação de cisalhamento, no caso de vibrações o efeito das rotações inerciais e variação de espessura em placas circulares e anulares, incluindo deslocamentos, momentos e forças de cisalhamento, frequências de vibração, cargas de flambagem e uma análise de cargas seguidoras tangenciais não conservativas na estabilidade, utilizando o critério dinâmico é executada. / [en] The present work shows a version of the Rayleigh-Ritz method with specialized functions for the analysis of thin and thick circular and annular plates subjected to out-of-plane and in-plane loads. The approximation functions for displacements are polynomials in the radial direction combined with trigonometric functions in the circumferential direction. A convenient feature is the use of linear nodal functions, which allows for easy consideration of nodal loads and boundary conditions (including follower forces), enriched by higher order polynomials without inclusion of additional nodes. The model allows for thickness variation and was implemented in MAPLE18, enabling the calculation of displacements and stresses under constant and linearly varying load, frequencies of vibration, buckling loads with a few commands and the effect of the level of conservative and non-conservative on load the stability. The examples show the effectiveness of this approach in the analysis of such structures and bring new light to this classical problem, presenting interesting and novel comparisons illustrating the effect of shear deformation, in case of vibrations of the inertial rotations analysis and thickness variation in circular and annular plates, including displacements, moments and shear forces, vibration frequencies, buckling loads and a stability analysis of non-conservative tangential follower loads, using the dynamic criterion is performed.

[pt] As torres estaiadas estão entre as estruturas mais altas construídas pelo homem. Estas estruturas usualmente são muito esbeltas e a interação cabos/mastro leva a comportamentos altamente não lineares. Devido a sua complexidade, modelos simplificados são desenvolvidos para as simulações dessas estruturas. Um modelo discreto de dois graus de liberdade investigado por diversos autores apresenta fenômenos característicos de estruturas não lineares, como a superabundância de modos normais não lineares similares e modos normais não similares (NNMs), bifurcações de NNMs, ressonância interna e interação modal. O presente trabalho visa investigar o comportamento de um modelo estrutural contínuo de uma torre estaiada com um a três níveis de estais. O método dos elementos finitos (MEF) com uma formulação não linear é usado para realizar análises paramétricas da influência na resposta estática e dinâmica, linear e não linear, das características geométricas e físicas dos cabos, do peso próprio dos cabos e do mastro e de imperfeições iniciais nas frequências naturais e carga crítica da torre. As simetrias geradas pela distribuição uniforme dos cabos têm grande influência na resposta, dando origem a cargas críticas e frequências naturais coincidentes. Isso gera interação modal na flambagem e ressonância interna 1:1, aumentando o efeito da não linearidade geométrica na resposta. Uma análise qualitativa é desenvolvida, comparando as respostas da análise de vibração não linear do modelo contínuo com as do modelo de dois graus de liberdade. Essa análise comparativa indica a existência de múltiplos NNMs e multimodos. A influência desses modos e simetrias inerentes à torre é investigada através de uma análise paramétrica da torre sob excitação harmônica lateral. Os resultados mostram que a torre exibe uma resposta altamente não linear, mesmo sob baixos níveis de carga, o que deve ser considerado com cuidado na fase de projeto e indica a necessidade de investigações adicionais da resposta dinâmica não-linear dessas estruturas, considerando as diferentes distribuições dos cabos utilizadas na prática. / [en] The guyed towers are among the tallest man-made structures. These structures are usually very slender and their guy/mast interaction leads to highly nonlinear behaviors. Due this, simplified models are developed for simulating these structures. The discrete model of tow-degree of freedom investigated by several authors exhibits characteristic phenomena of nonlinear structures such as a superabundance of similar nonlinear normal modes and non-similar normal modes (NMNs), bifurcations of NMNs, internal resonance, and modal interaction. The present work aims to investigate the behavior of a continuous structural model of a tower with one to three guyed levels. The nonlinear finite element method (FEM) is used to parametric analyzes of the influence on static and dynamic responses, linear and nonlinear, of the geometric and materials characteristics of the guys, of the mast and guys self-weight and initial imperfections of the tower s natural frequencies and critical loads. The symmetries generated by the uniform distribution of guys have a great influence on the response, given rise to coincident critical loads and natural frequencies. This generates modal interaction in the buckling and 1:1 internal resonance, increasing the effect of the geometric nonlinearity on the response. A qualitative analysis is developed, comparing as the response of the nonlinear vibration of the continuous model as those of the two degrees of freedom model. This comparative analysis indicates the existence of the multiple NNMs and multimodes. The influence of theses modes and tower inherent symmetries are investigated through a parametric analysis of the tower under lateral harmonic excitation. tower modes. The results show that the tower exhibits a highly nonlinear response, even at low load levels, which must be considered with care in the design stage and indicates the necessary of further investigations of the nonlinear dynamic response of these structures considering the different guys distribution used in practice.

[pt] O crescente uso de antenas para a transmissão de dados tem demandado a instalação de um número crescente de torres, com destaque para as torres estaiadas. Essas estruturas são compostas por um mastro central e diversos níveis de estais. As torres são estruturas esbeltas e apresentam um comportamento altamente não linear sob cargas estáticas e dinâmicas, devido à interação mastro-cabos e altura elevada da torre. O objetivo deste trabalho é estudar a influência da não linearidade no comportamento estático e dinâmico de uma torre estaiada. Para isto, desenvolvem-se modelos de torre estaiada em elementos finitos, com dois níveis de cabos pré-tensionados. Consideram-se dois tipos de geometria para a disposição dos cabos: em leque e em paralelo. Em particular, investiga-se o efeito da ruptura de um ou mais cabos e do comportamento elastoplástico dos materiais que compõem a torre estaiada na estabilidade e vibrações não lineares da estrutura. Inicialmente, avalia-se o comportamento linear da estrutura, obtendo-se as frequências naturais e cargas críticas. A seguir, obtêm-se os caminhos não lineares de equilíbrio de cada modelo, aplicando o conceito de imperfeição modal. Finalmente, realiza-se a análise da vibração livres e forçada amortecida. Para isto utilizam-se as respostas no tempo e plano de fase, transformadas de Fourier e espectrográficos. Em todos os casos analisa-se em detalhe o efeito da perda de cabos e da plastificação dos elementos na capacidade de carga, estabilidade e deslocamentos da estrutura. Os resultados demonstram que a perda de cabos e plastificação dos elementos têm grande influência nas frequências naturais e cargas críticas. Finalmente, nessas condições observa-se um comportamento não linear com perda de capacidade de carga e aumento significativo de deslocamentos, velocidades e acelerações, evidenciando a necessidade de investigação do comportamento não linear desse tipo de estrutura. / [en] The growing use of antennas for data transmission calls for the installation of growing number of high towers, with the cable-stayed towers standing out. These structures are composed of a central mast and several levels of stays. These towers are slender structures and exhibit a highly non-linear behavior under static and dynamic loads, due to the mast-cable interaction and the tower height. The objective of this work is to study the influence of the nonlinearity on the static and dynamic behavior of a cable-stayed tower. For this, finite element models of cable-stayed towers with two levels of pre-tensioned cables are developed. Two cable disposition geometries are considered: fan and parallel. In particular, the effect of the rupture of one or more cables and the elastoplastic behavior of the cable-stayed tower materials on the stability and non-linear vibrations of the structure is investigated. Initially, the linear behavior of the structure is evaluated through the natural frequencies and critical loads. Next, the non-linear equilibrium paths of each model are obtained, applying the concept of modal imperfection. Finally, free and forced damped vibration analysis is performed. For this purpose, responses in time and phase plane, Fourier transforms and spectrographs are used. In all cases, the effect of the loss of cables and the plastification of the elements on the load capacity, stability and displacements of the structure is analyzed in detail. The results demonstrate that the loss of cables and plastification of elements have a great influence on natural frequencies and critical loads. Under such conditions, non-linear behavior with loss of load capacity and significant increase in displacements, velocities and accelerations stand out, and highlight the need for investigation of the nonlinear behavior of this type of structure.