Dissertações/Teses

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2022
Dissertações
1
  • SAMARA THAÍS LIMA RAMOS
  • Análise comparativa de métodos de verificação de carregamentos em OAE visando à emissão de autorização especial de trânsito.

  • Orientador : WAYNE SANTOS DE ASSIS
  • MEMBROS DA BANCA :
  • HUDSON CHAGAS DOS SANTOS
  • FLAVIO BARBOZA DE LIMA
  • WAYNE SANTOS DE ASSIS
  • Data: 03/03/2022

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  • Visando desenvolver uma avaliação comparativa dos princípios para análise de cargas em pontes, este trabalho propõe-se a realizar a verificação estrutural de uma obra de arte especial – OAE, mediante o estudo das cargas móveis adotadas pelas normativas brasileira (NBR 7188:2013), americanas (AASHTO: 2002 e 2020) e europeia (Eurocode 1: 2003). A verificação das cargas solicitantes, geradas por meio dos carregamentos móveis descritos nas respectivas normas, foi realizada sobre a ponte do rio Croatá, localizada na BR-423/AL, município do Canapi/AL, observando os limites de peso e dimensões, relacionados a veículos de carga nas rodovias brasileiras, estabelecidos pelas resoluções do Conselho Nacional de Trânsito – CONTRAN. As informações de projeto da ponte foram disponibilizadas pelo DNIT/AL, viabilizando a avaliação dos esforços solicitantes gerados pelos carregamentos de projeto descritos nas normas referidas e por um trem-tipo especial de carga. Empregou-se modelagem numérica, através do método dos elementos finitos – MEF, para analisar os efeitos da passagem dos trens-tipo, determinando-se as solicitações máximas geradas na superestrutura com a passagem dos trens-tipo, comparando-as e aplicando as determinações estabelecidas nas normativas. Fazendo uso dos esforços solicitantes oriundos da análise numérica, aplicou-se aos resultados obtidos a metodologia estabelecida pelo DNIT para elaboração das concessões de Autorizações Especiais de Trânsito – AET, a qual estabelece os critérios de verificação de segurança estrutural em pontes rodoviárias. Por meio deste estudo, concluiu-se que a OAE em discussão se encontra em condições estruturais adequadas para a passagem dos carregamentos especiais e dos carregamentos das normas internacionais, cujos fatores de segurança apresentados nas verificações são superiores à unidade. Concluiu-se ainda que a normativa brasileira, em contraste com as normas internacionais, apresentou no caso analisado valores de fatores de segurança maiores durante a verificação estrutural.


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  • Aiming to develop a comparative evaluation of the principles for load analysis in bridges, this work proposes to perform the structural verification of a special work of art - OAE, through the study of the mobile loads adopted by the Brazilian (NBR 7188:2013), American (AASHTO: 2002 and 2020) and European (Eurocode 1: 2003) standards. The verification of the loads, generated by means of the mobile loads described in the respective standards, was performed on the Croatá river bridge, located on BR-423/AL, in the municipality of Canapi/AL, observing the limits of weight and dimensions, related to cargo vehicles on Brazilian highways, established by the resolutions of the National Traffic Council - CONTRAN. The bridge design information was made available by DNIT/AL, enabling the evaluation of the applied loads generated by the design loads described in the referred standards and by a special freight train. Numerical modeling was employed, through the finite element method (FEM), to analyze the effects of the passage of the standard trains, determining the maximum loads generated in the superstructure with the passage of the standard trains, comparing them and applying the determinations established in the standards. Using the internal forces from the numerical analysis, the methodology established by DNIT was applied to the results obtained in order to elaborate the Special Transit Authorizations - STA, which establishes the criteria for verifying structural safety in highway bridges. Through this study, it was concluded that the OAE under discussion is in adequate structural conditions for the passage of special loads and loads from international standards, whose safety factors presented in the verifications are higher than the unit. It was also concluded that the Brazilian standards, in contrast with the international standards, presented in the case analyzed higher safety factor values during the structural verification.

2
  • ISAQUE SOARES FIGUEIREDO
  • ANÁLISE DA DETERMINAÇÃO DO ESTADO DE ESTRATOS ROCHOSOS EM TORNO DE POÇOS DIRECIONAIS PELO MÉTODO DOS ELEMENTOS FINITOS

  • Orientador : JOAO PAULO LIMA SANTOS
  • MEMBROS DA BANCA :
  • BEATRIZ RAMOS BARBOZA
  • FRANCISCO PATRICK ARAUJO ALMEIDA
  • JOAO PAULO LIMA SANTOS
  • WILLIAM WAGNER MATOS LIRA
  • Data: 26/05/2022

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  • A perfuração de poços direcionais desempenha um papel importante na exploração de petróleo. Em comparação com perfurações verticais, a perfuração direcional é muito mais complexa. A curvatura do eixo do poço, passando através da massa rochosa estratificada, faz com que as condições ao redor de sua seção transversal sejam fortemente anisotrópicas. Não raramente, o mesmo material rochoso de cada camada exibe propriedades anisotrópicas. Portanto, a determinação adequada dos estados de tensão, deformação e deslocamento ao redor do furo é crítica no projeto de poços direcionais. Ferramentas de análise numérica, que consideram a estrutura do maciço rochoso e as propriedades mecânicas das rochas ao longo da trajetória
    do poço são usadas para este propósito. O objetivo deste trabalho é avaliar a influência da taxa de variação da inclinação de trajetórias direcionais (Dogleg Severity - DLS) nos campos de deslocamento (Magnitude), tensões e deformações de estratos rochosos perfurados por poços direcionais. Os cálculos são conduzidos com os modelos baseados no Método dos Elementos Finitos (MEF) considerando modelos constitutivos linear elástico e viscoelástico para os modelos dos estratos rochosos. Com base nos resultados, é discuta a influência do comportamento da taxa de inclinação (DLS ) na estabilidade do poço direcional.


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  • Directional drilling techniques are applicable in fields, such as petroleum, buildings and the mineral extraction industry. Compared to vertical drilling, directional drilling is much more complex. The curvature of the well axis passing through the stratified rock mass causes the conditions around its cross section to be strongly anisotropic. Not infrequently, the same rock material in each layer exhibits anisotropic properties. Proper determination of the stress, strain, and displacement states around the borehole is critical in the design of directional boreholes. Numerical analysis tools that take into account the rock mass structure and rock mechanical properties along the well path are used for this purpose. This paper aims to numerically evaluate the structural stability of rock masses around a directional well using the Finite Element Method. The calculations are conducted with linear elastic and viscoelastic constitutive models, used in the rock strata models. Based on the results, the influence of rock behavior on the stability of the directional well is discussed.

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  • BRUNO CORREIA DE ARAUJO MOURA
  • ANÁLISE DA INFLUÊNCIA DE TENSÕES AXIAIS NA INTEGRIDADE DE REVESTIMENTOS DE POÇOS

  • Orientador : WILLIAM WAGNER MATOS LIRA
  • MEMBROS DA BANCA :
  • EDUARDO TOLEDO DE LIMA JUNIOR
  • EMÍLIO CÉSAR CAVALCANTE MELO DA SILVA
  • JOAO PAULO LIMA SANTOS
  • WILLIAM WAGNER MATOS LIRA
  • Data: 08/07/2022

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  • O objetivo deste trabalho é avaliar a influência da ação de efeitos que provocam tensões axiais sobre os cálculos de verificação de integridade dos tubulares de revestimento. Essa avaliação é relevante, pois, em projetos de poços, alguns cenários submetidos a carregamentos combinados são capazes de penalizar a resistência ao colapso, podendo causar uma falha inesperada no revestimento. Devido à complexidade do problema, simulações numéricas apoiadas no método dos elementos finitos são utilizadas para reprodução dos cenários avaliados. Para alcançar o objetivo proposto, a metodologia de desenvolvimento deste trabalho é baseada em quatro etapas principais: i) estudo e determinação dos cenários que os tubulares de revestimento devem ser submetidos; ii) determinação dos carregamentos, incluindo estudos dos efeitos e fenômenos que atuam no revestimento; iii) identificação da modelagem numérica mais adequada para a reprodução dos cenários considerando os tubulares de revestimento modelados integralmente e as diversas possibilidades de carregamentos combinados que atuam nesses tubulares; e iv) realização de análises numéricas contemplando os diversos cenários considerados e avaliação das situações críticas que podem produzir falha na integridade do revestimento. Ao final do trabalho, é analisada integralmente a estrutura do revestimento a partir dos campos de tensões axiais e esforços de pressão resultantes obtidos nas simulações numéricas, encontrando as seções mais críticas em relação ao carregamento e à resistência e avaliando a integridade do revestimento de forma mais efetiva.


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  • The objective of this work is to evaluate the influence of the action of effects that cause axial stresses on the integrity verification calculations of casing tubulars. This assessment is relevant because, in well projects, some scenarios subjected to combined loads are capable of penalizing the resistance to collapse, which may cause an unexpected failure in the casing. Due to the complexity of the problem, numerical simulations supported by the finite element method are used to reproduce the evaluated scenarios. To achieve the proposed objective, the development methodology of this work is based on four main steps: i) study and determination of the scenarios that the casing tubes must be submitted; ii) determination of loads, including studies of effects and phenomena that act on the casing; iii) identification of the most appropriate numerical modeling for the reproduction of scenarios considering the integrally modeled casing tubes and the various possibilities of combined loads that act in these tubes; and iv) performing numerical analyzes contemplating the various scenarios considered and evaluating critical situations that may produce failure in the integrity of the casing. At the end of the work, the coating structure has been fully analyzed from the axial stress fields and resulting pressure forces obtained in the numerical simulations, finding the most critical sections in relation to loading and resistance and evaluating the integrity of the coating more effectively.

2021
Dissertações
1
  • WEVERTON MARQUES DA SILVA
  • MODELAGEM E DESENVOLVIMENTO DE UMA FERRAMENTA INTEGRADA PARA ANÁLISE DE FADIGA EM DUTOS SUBMARINOS EM VÃO-LIVRE

  • Orientador : ADEILDO SOARES RAMOS JUNIOR
  • MEMBROS DA BANCA :
  • ADEILDO SOARES RAMOS JUNIOR
  • WILLIAM WAGNER MATOS LIRA
  • EDUARDO SETTON SAMPAIO DA SILVEIRA
  • LEANDRO MELO DE SALES
  • CYNTIA GONÇALVES DA COSTA MATT
  • Data: 12/01/2021

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  • A segurança no transporte de hidrocarbonetos e outros fluidos em dutos é um dos tópicos de
    maior atenção na indústria de petróleo e gás. Recentemente, essa indústria tem tido grandes
    preocupações sobre como o fenômeno da Vibração Induzida por Vórtice (VIV) afeta a vida à
    fadiga dos componentes e dutos submarinos, especialmente os dutos em vão-livre. Mundialmente,
    há várias dessas estruturas instaladas que já chegaram ao final ou metade de sua vida de projeto,
    o que torna imperativo revisitar as previsões iniciais e avaliar a necessidade de intervenção no
    sentido de estender a vida útil das mesmas, em especial no que diz respeito à VIV. Essas e outras
    análises se baseiam na correta representação no comportamento in loco do duto. O Método dos
    Elementos Finitos é amplamente empregado na modelagem desse comportamento. No entanto,
    essa não é uma tarefa trivial, uma vez que depende da utilização de vários softwares para etapas
    intermediárias. Além disso, essas análises envolvem manipulação de grandes quantidades de
    dados relacionados à batimetria do fundo marinho e propriedades dos materiais, geometria
    do duto, correnteza, entre outros. Dessa forma, todo esse processo costuma ser demorado e
    passível de erros. Concomitantemente, a indústria de óleo e gás tem passado por uma transformação
    digital nos anos recentes. Este cenário trouxe oportunidades para o desenvolvimento de
    novas ferramentas para dia-a-dia do profissional responsável por estas análises. Este trabalho
    apresenta o desenvolvimento e estrutura de um computacional com funcionalidades do pré ao
    pós-processamento de dados da análise que visam melhorar o fluxo de análise de fadiga em
    dutos submarinos sujeitos a vãos-livres.


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  • Safety in the transportation of hydrocarbons and other fluids in pipelines is one of the topics of
    greater attention in the oil and gas industry. Recently, this industry has had great
    concerns about how the Vortex-Induced Vibration (VIV) phenomenon affects life
    fatigue of submarine pipelines and components, especially free-range pipelines. Worldwide,
    there are several of these structures installed that have reached the end or half of their design life,
    which makes it imperative to revisit the initial predictions and assess the need for intervention in the
    to extend their useful life, especially with regard to VIV. These and other
    analyzes are based on the correct representation of the pipeline's on-site behavior. The method of
    Finite elements are widely used in modeling this behavior. However,
    this is not a trivial task, since it depends on the use of various software for stages
    intermediate. In addition, these analyzes involve handling large amounts of
    data related to the bathymetry of the seabed and material properties, geometry
    duct, current, among others. In this way, this whole process is usually time consuming and
    prone to errors. At the same time, the oil and gas industry has undergone a transformation
    in recent years. This scenario brought opportunities for the development of
    new tools for the day-to-day of the professional responsible for these analyzes. This job
    presents the development and structure of a computational with functionalities from pre to
    post-processing of analysis data aimed at improving the flow of fatigue analysis in
    submarine pipelines subject to free spans.

2
  • JOÃO PAULO LEÃO LESSA
  • ANÁLISE DE RESERVATÓRIOS CILÍNDRICOS APOIADOS SUBMETIDOS A AÇÕES DIRETAS E INDIRETAS DE RETRAÇÃO E GRADIENTE TÉRMICO

  • Orientador : EDUARDO NOBRE LAGES
  • MEMBROS DA BANCA :
  • JOSÉ NERES DA SILVA FILHO
  • EDUARDO NOBRE LAGES
  • EDUARDO TOLEDO DE LIMA JUNIOR
  • FLAVIO BARBOZA DE LIMA
  • Data: 06/07/2021

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  • Os reservatórios cilíndricos apoiados de concreto são amplamente utilizados para diversos fins, tais como armazenamento de líquidos (como água e esgoto, por exemplo) e grãos, ou até mesmo utilizadas em obras que tenham um apelo arquitetônico em que se faz necessária a utilização deste tipo de estrutura. Tais elementos são, geralmente, compostos de paredes delgadas, e devido à sua versatilidade e desempenho são largamente aplicados ao redor do mundo. Apesar de todas as técnicas computacionais disponibilizadas ao estudo de reservatórios, a incidência de problemas estruturais nesses elementos vem chamando a atenção dado o grande número de obras de recuperação e reforço desenvolvidas nessas estruturas segundo os problemas vistos no cotidiano, ou até mesmo em relatos levantados por profissionais de renome. Em alguns casos, os procedimentos para restauração são bastante onerosos financeiramente e, infelizmente, costumam ser desenvolvidos ainda nos primeiros anos de vida útil da estrutura. Um importante fator que contribui para um baixo desempenho dessas estruturas é a não consideração das ações indiretas, que pode ocasionar esforços internos que chegam, em diversas situações, a inviabilizar o seu desempenho estrutural caso não sejam analisados ainda na fase de projeto. Para este problema, em reservatórios de concreto armado, diversos fatores devem ser levados em consideração, como a atuação da retração do concreto e dos gradientes de temperatura, nas situações de armazenamento de líquidos quentes. Para estes casos, o presente trabalho busca o estudo do comportamento mecânico, por meio de teorias clássicas analíticas de estruturas axissimétricas de paredes delgadas confeccionadas em concreto armado e submetidas às ações indiretas causadas pela retração e pelo gradiente de temperatura. Os resultados mostram que as ações indiretas desempenham tensões de grandes magnitudes nos elementos de cascas para os casos em que se faz uma análise elástica. Variáveis como a umidade podem aumentar bastante as deformações por retração, implicando em tensões de tração que ultrapassam a resistência do concreto, favorecendo o aparecimento de fissuras. Os exemplos estudados também mostram que as tensões causadas pelo gradiente de temperatura são sensivelmente maiores que as demais ações, podendo levar a estrutura a ter seu uso inviabilizado quando não considerada no projeto do reservatório.


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  • Ground-supported cylindrical concrete tanks are largely used with many purposes, such as storing of liquids (water and wastewater, for example) and grains, or even used in projects that have bolder architectural appeal. These structures are often composed of thin walls and are commonly explored worldwide due to their versatility and structural performance. Despite many computational techniques developed on the study of reservoirs, these structures draw attention to the high number of recovery and structural reinforcement interventions that are still commonly done. In some cases, restauration processes are expensive and must be performed still early in structure’s lifespan. Not considering indirect loads is a common reason to a lower structural performance, since these neglected actions at design level may cause internal stresses-strains that have the potential to turn the structural performance impracticable. In reinforced concrete tanks, some indirect actions must be considered in order to obtain accurate structural performance, such as concrete shrinkage and thermal gradient effects, in the case of hot liquid storing. Therefore, this work aims to study the mechanical behavior of reinforced concrete reservoirs subjected to indirect actions caused by shrinkage and thermal gradient effects through classical analytical theories of axisymmetric structures. The results show that indirect loads generate stresses of great magnitudes in shell elements subjected to elastic analysis. Furthermore, variables such as humidity may increase strains caused by shrinkage, implying in loads that overcome concrete’s traction resistance, which favors the formation of cracks. The examined examples also show that stresses generated by thermal gradient effects are even higher than the other actions, leading to impractical structural performance when they are not considered in the design phase of the structure.

3
  • TEÓFANES VITOR SILVA
  • INFLUÊNCIA E ANÁLISE ESTATÍSTICA DE DESVIO DE TRAJETÓRIA NO MODELO DE TORQUE & ARRASTO NA COLUNA DE PERFURAÇÃO

  • Orientador : JOAO PAULO LIMA SANTOS
  • MEMBROS DA BANCA :
  • ALINE DA SILVA RAMOS BARBOZA
  • EDUARDO TOLEDO DE LIMA JUNIOR
  • JOAO PAULO LIMA SANTOS
  • JOÃO CARLOS RIBEIRO PLÁCIDO
  • Data: 30/07/2021

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  • Atualmente, as mais diversas jazidas de petróleo são descobertas em ambientes cada vez maisdesafiadores para as tecnologias existentes. Desta maneira, faz-se importante o constante desenvolvimento de pesquisa e tecnologias para apoio às diversas áreas da engenharia de petróleo. Destaca-se neste trabalho a engenharia de poço, a qual se responsabiliza por projetar a sua estrutura e trajetória. Falha em colunas de perfuração é um evento muito oneroso à indústria de petróleo e gás, pois é necessária parada de toda a operação, o que resulta em não produtivo de sonda (NPT). Desta maneira, diversos estudos são realizados de modo a prever os problemas durante a perfuração. Torque, tração, compressão e flexão podem ser corretamente previstos para geometrias de poços conhecidas, mas alterações indesejadas na geometria do poço durante o processo de perfuração podem resultar em erros e incertezas na previsão do estado de tensões atuante sobre a coluna. Propõe-se prever estas incertezas na trajetória pela análise estatística de poços previamente executados e categorizados de acordo com suas correlações entre si. A realização da análise de dados possibilita a construção da trajetória fictícia, a qual será utilizada para prever as forças adicionais aos carregamentos atuantes na coluna de perfuração induzidas pelo desvio de trajetória. Desenvolveu-se neste trabalho módulos que possibilitam o acompanhamento direcional, metodologia para análise dos dados de trajetória, construção de trajetórias fictícias e por fim utilizar todas essas funcionalidades para quantificar as forças de contato atuantes no poço utilizando as equações de torque e arrasto possibilitando melhor dimensionamento do projeto de perfuração, devido a utilização dos dados de trajetórias executadas.


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  • Currently, the most diverse oil deposits are discovered in increasingly challenging environments for existing technologies. Thus, the constant development of research and technologies to support the various areas of petroleum engineering is important. The well engineering, which is responsible for designing its structure and trajectory, stands out in this work. Drilling string failure is a very costly event for the oil and gas industry, as it is necessary to stop the entire operation, which results in non-productive time. Therefore, several studies are carried out in order to predict problems during drilling. Torque, tension, compression and bending can be correctly predicted for known well geometries, but unwanted changes in well geometry during the drilling process can result in errors and uncertainties in predicting the stress state. It is proposed to predict these uncertainties in the trajectory by the statistical analysis of previously executed wells and categorized according to their correlations with each other. Performing the data analysis enables the construction of the fictitious trajectory which will be used to predict the additional forces to the loads acting on the drill string induced by the trajectory deviation.

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  • JOÃO MARCOS FERREIRA DOS SANTOS
  • ESTUDO DO COMPORTAMENTO À FLEXÃO DE ELEMENTOS PRODUZIDOS COM GRADAÇÃO FUNCIONAL DE CRFA

  • Orientador : ALINE DA SILVA RAMOS BARBOZA
  • MEMBROS DA BANCA :
  • ALESSANDRA LORENZETTI DE CASTRO
  • ALINE DA SILVA RAMOS BARBOZA
  • KAROLINE ALVES DE MELO MORAES
  • Data: 01/12/2021

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  • A busca do homem pela mudança atrelou o avanço a novas formas de construir e maneiras de conceber as estruturas, seus materiais e métodos. Diante de tantas mudanças, o concreto não se apresenta mais como uma simples mistura definida pela composição de agregados, cimento e água, ficando hoje susceptível à incorporação de novos e à substituição desses materiais básicos por fibras, resíduos e aditivos de diversos tipos. A incorporação de fibras de aço, que resultou na utilização do Concreto Reforçado com Fibras de Aço (CRFA) vem demonstrando no cenário mundial grandes benefícios ao material convencional, agindo principalmente no estágio pós-fissuração e mobilizando uma parcela de resistência à tração acionada pela necessidade de garantia de durabilidade. Neste contexto, a otimização da utilização de fibras curtas de aço em um elemento sob flexão, por meio de uma gradação de fibras por camadas, resultando em um elemento gradado funcionalmente (FGM), demonstra reelevância. As fibras concentradas em maiores porcentagens se localizam na faixa mais solicitada à tração e na superfície oposta comprimida se utiliza uma quantidade nula destes reforços. Nesse trabalho, os elementos apresentam seção trasnversal graduados em 3 camadas, para os quais destaca-se a fase de determinação das porcentagens de cada camada de fibra, utilizando-se os resultados pré-existentes de vigas de CRFA no ensaio de flexão por três pontos (EN – 14651 /2017) aferidos em trabalhos anteriores e comparando a altura e área de fissuras encontradas em ensaios que correlacionam imagens digitais e com medidas de transtudores de deslocamento. Foi possível avaliar a influência do lançamento do concreto por meio de técnicas de indução e análise superficial. Os resultados trazem um panorama eficaz de orientação preferencial das fibras encontradas nessa configuração, 68° em relação ao eixo orientado da direção de aplicação do carregamento e 49° em relação ao plano perpendicular a aplicação do carregamento, confirmação da proporção desejada inicialmente e ganhos expressivos de contenção de fissuras pós-pico, cerca de 34,15%, quando comparada a vigas em moldagem tradicional, consequentemente, influenciando de forma mais eficaz na resistência pós-fissuração, flexão e economia de fibras de aço nas regiões menos tracionadas de vigas e placas moldadas em CRFA, a exemplo de vigas e lajes sob flexão.


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  • Man's search for change linked progress to new ways of building and ways of conceiving structures, their materials, and methods. Faced with so many changes, concrete no longer presents itself as a simple mixture defined by the composition of aggregates, cement, and water, being today susceptible to the incorporation of new ones and the replacement of these basic materials by fibers, residues, and additives of various types. The incorporation of steel fibers, which resulted in the use of Steel Fiber Reinforced Concrete (SFRC) has shown great benefits to the conventional material in the world scenario, acting mainly in the post-cracking stage and mobilizing a portion of tensile strength triggered by the need of durability guarantee. In this context, the optimization of the use of short steel fibers in an element under bending, through a layered fiber grading, resulting in a functionally graded element (FGM), demonstrates its relevance. Fibers concentrated in higher percentages are located in the strip most stressed to traction and on the opposite compressed surface a null amount of these reinforcements is used. In this work, the elements have a cross-section graduated in 3 layers, for which the phase of determining the percentages of each fiber layer is highlighted, using the pre-existing results of SFRC beams in the three-point bending test (EN – 14651/2017) measured in previous works and comparing the height and area of cracks found in tests that correlate digital images and with displacement transducer measurements. It was possible to evaluate the influence of concrete casting through induction techniques and surface analysis. The results provide an effective overview of the preferential orientation of the fibers found in this configuration, 68° in relation to the oriented axis of the load application direction and 49° in relation to the plane perpendicular to the load application, confirmation of the initially desired proportion and expressive gains in post-peak crack containment, about 34.15%, when compared to beams in traditional molding, consequently, more effectively influencing the post-cracking resistance, bending and economy of steel fibers in the less tensioned regions of beams and plates molded in SFRC, like beams and slabs under bending.

5
  • GABRIEL ROCHA DOMINGOS
  • OTIMIZAÇÃO TOPOLÓGICA APLICADA AO PROJETO CONCEITUAL DE ESTRUTURAS DE CABOS SUJEITAS A DEFORMAÇÕES FINITAS

  • Orientador : ADEILDO SOARES RAMOS JUNIOR
  • MEMBROS DA BANCA :
  • ADEILDO SOARES RAMOS JUNIOR
  • EDUARDO NOBRE LAGES
  • ANDERSON PEREIRA
  • FÁBIO MARTINS GONÇALVES FERREIRA
  • Data: 16/12/2021

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  • O projeto de estruturas de construção civil é comumente associado a três passos gerais:
    concepção estrutural, dimensionamento, e análise e vericação. Trata-se de uma abordagem
    que é influenciada pela experiência e criatividade do prossional projetista, e que está
    fortemente ligada a uma estratégia de tentativa e erro. Este trabalho visa formular e
    implementar modelos computacionais baseados em técnicas de otimização topológica para
    auxiliar na definição da concepção inicial de estruturas compostas por cabos. A formulação
    matemática proposta neste trabalho incorpora múltiplos casos de carregamento, custo
    nodal e um modelo constitutivo de cabos com resistência limite. Os resultados mostram que
    as ferramentas de otimização topológica podem ser usadas como ferramentas de concepção
    inicial de projeto, sugerindo topologias otimizadas por um método matemático, e que têm
    o potencial de fugir do padrão do que normalmente é projetado, destravando a criatividade
    do projetista. Entretanto, sistemas estruturais compostos apenas por cabos são raros, e
    portanto, para a aplicação direta na indústria, a formulação deste trabalho ainda pre


  • Mostrar Abstract
  •  The design of civil construction structures is commonly associated to three general steps:
    structural conception, sizing, and analysis and veri cation. It is an approach highly dependent
    on the experience and creativity of the designer, and is tied to an trial and error
    strategy. This work aims to formulate and to implement computational models based
    on topology optimization to assist on the de nition of initial structural conception of
    cable-based structures. The mathematical formulation proposed in this work incorporates
    multiple load cases, nodal cost and a constitutive model of cables with limit resistance.
    The results show that topology optimization tools can be used to suggest initial structural
    conception, assisted by a mathematical method, and with the potential of break the pattern
    of traditional topologies, unlocking designer's creativity. However, structural systems based
    solely on cables are rare, and therefore for the features presented in this work to have a
    direct application in industry, there is still the need to evolve the formulation presented
    here, also incorporating elements resistant to compression actions.

Teses
1
  • MARCELO VITOR OLIVEIRA ARAUJO
  • NEW CONTRIBUTIONS FOR THE GENERALIZED FINITE-VOLUME THEORY: FROM ENERGY ANALYSIS TOWARDS TOPOLOGY OPTIMIZATION OF COMPLIANCE MINIMIZATION PROBLEMS

  • Orientador : MARCIO ANDRE ARAUJO CAVALCANTE
  • MEMBROS DA BANCA :
  • ADEILDO SOARES RAMOS JUNIOR
  • ANDERSON PEREIRA
  • EDUARDO NOBRE LAGES
  • EMILIO CARLOS NELLI SILVA
  • GLÁUCIO HERMOGENES PAULINO
  • MARCIO ANDRE ARAUJO CAVALCANTE
  • Data: 30/08/2021

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  • The finite-volume theory is an equilibrium-based approach and has been successfully employed in solid mechanics analysis due to the equilibrium equations' local satisfaction and the imposition of continuity conditions in a surface-averaged sense through the subvolume interfaces. Previous investigations include stress and displacement fields convergence and computational cost, showing the approach's efficiency, especially in heterogeneous materials and structures. However, those investigations did not include an energy analysis, which is especially important in compliance minimization problems. As the finite element method, energy-based approaches impose energy balance, which guarantees a monotonic energy convergence. The first idea of this contribution is to address a numerical investigation about the main mechanical energy aspects involving the generalized finite-volume theory for continuum elastic structures in quasi-static analyzes. The obtained results are verified with analytical and finite element-based analyzes, showing a monotonic energy convergence for the three versions of the finite-volume theory and the energy balance's satisfaction for the higher-order versions when a sufficiently refined mesh is employed. Topology optimization is a well-suited method to establish the best material distribution inside an analysis domain. It is common to observe some numerical instabilities in its gradient-based version, such as the checkerboard pattern, mesh dependence, and local minima. This research demonstrates the generalized finite-volume theory's checkerboard-free property by performing topology optimization algorithms without filtering techniques. The formation of checkerboard regions is associated with the finite element method's displacement field assumptions, where the equilibrium and continuity conditions are satisfied through the element nodes. On the other hand, the generalized finite-volume theory satisfies the continuity conditions between common faces of adjacent subvolumes, which is more likely from the continuum mechanics point of view. The topology optimization algorithms based on the generalized finite-volume theory are performed using a mesh independent filter that regularizes the subvolume sensitivities, providing optimum topologies that avoid the mesh dependence and length scale issues. The solid isotropic material with penalization (SIMP) approach is employed to avoid discrete optimization problems. The proposed optimization problem has shown to be efficient, avoiding numerical instabilities, such as checkerboard pattern, mesh dependence, and length scale issues.


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  • The finite-volume theory is an equilibrium-based approach and has been successfully employed in solid mechanics analysis due to the equilibrium equations' local satisfaction and the imposition of continuity conditions in a surface-averaged sense through the subvolume interfaces. Previous investigations include stress and displacement fields convergence and computational cost, showing the approach's efficiency, especially in heterogeneous materials and structures. However, those investigations did not include an energy analysis, which is especially important in compliance minimization problems. As the finite element method, energy-based approaches impose energy balance, which guarantees a monotonic energy convergence. The first idea of this contribution is to address a numerical investigation about the main mechanical energy aspects involving the generalized finite-volume theory for continuum elastic structures in quasi-static analyzes. The obtained results are verified with analytical and finite element-based analyzes, showing a monotonic energy convergence for the three versions of the finite-volume theory and the energy balance's satisfaction for the higher-order versions when a sufficiently refined mesh is employed. Topology optimization is a well-suited method to establish the best material distribution inside an analysis domain. It is common to observe some numerical instabilities in its gradient-based version, such as the checkerboard pattern, mesh dependence, and local minima. This research demonstrates the generalized finite-volume theory's checkerboard-free property by performing topology optimization algorithms without filtering techniques. The formation of checkerboard regions is associated with the finite element method's displacement field assumptions, where the equilibrium and continuity conditions are satisfied through the element nodes. On the other hand, the generalized finite-volume theory satisfies the continuity conditions between common faces of adjacent subvolumes, which is more likely from the continuum mechanics point of view. The topology optimization algorithms based on the generalized finite-volume theory are performed using a mesh independent filter that regularizes the subvolume sensitivities, providing optimum topologies that avoid the mesh dependence and length scale issues. The solid isotropic material with penalization (SIMP) approach is employed to avoid discrete optimization problems. The proposed optimization problem has shown to be efficient, avoiding numerical instabilities, such as checkerboard pattern, mesh dependence, and length scale issues.

2020
Dissertações
1
  • WILL JOSÉ DE LIMA JÚNIOR
  • IDENTIFICAÇÃO DE DANOS EM VIGAS VIA ANÁLISE MODAL

  • Orientador : WAYNE SANTOS DE ASSIS
  • MEMBROS DA BANCA :
  • WAYNE SANTOS DE ASSIS
  • ADEILDO SOARES RAMOS JUNIOR
  • HIGOR SÉRGIO DANTAS DE ARGÔLO
  • Data: 20/02/2020

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  • Este trabalho busca contribuir no campo de pesquisa de identificação de danos em vigas com base nas propriedades modais, propondo estudos de sensibilidade em dois modelos numéricos, que serão elaborados em software comercial de elementos finitos, a saber: uma viga biapoiada de concreto simples e uma viga biengastada de aço, para avaliar a fiabilidade de quatro métodos de identificação de dano único e dano múltiplo: (1) Diferença da Curvatura Modal, (2) Indicador Baseado em Dados dos Modos de Vibração, (3) Mudança da Energia de Deformação Modal e (4) Mudança da Energia de Deformação Modal Reformulada, propondo-se ainda a modificação dos dois primeiros métodos. Os resultados obtidos mostraram que o método Mudança da Energia de Deformação Modal, apesar da dificuldade existente quanto à aplicação prática na engenharia, identificou os danos corretamente, o método Mudança da Energia de Deformação Modal Reformulada se mostrou promissor e os métodos modificados
    propostos apresentaram melhor desempenho em relação aos originais.


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  • Este trabalho busca contribuir no campo de pesquisa de identificação de danos em vigas com base nas propriedades modais, propondo estudos de sensibilidade em dois modelos numéricos, que serão elaborados em software comercial de elementos finitos, a saber: uma viga biapoiada de concreto simples e uma viga biengastada de aço, para avaliar a fiabilidade de quatro métodos de identificação de dano único e dano múltiplo: (1) Diferença da Curvatura Modal, (2) Indicador Baseado em Dados dos Modos de Vibração, (3) Mudança da Energia de Deformação Modal e (4) Mudança da Energia de Deformação Modal Reformulada, propondo-se ainda a modificação dos dois primeiros métodos. Os resultados obtidos mostraram que o método Mudança da Energia de Deformação Modal, apesar da dificuldade existente quanto à aplicação prática na engenharia, identificou os danos corretamente, o método Mudança da Energia de Deformação Modal Reformulada se mostrou promissor e os métodos modificados
    propostos apresentaram melhor desempenho em relação aos originais.

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  • LUIS PHILIPE RIBEIRO ALMEIDA
  • Modelos Probabilísticos para Análise de Propagação de Fissuras em meios Coesivos via Método dos Elementos de Contorno

  • Orientador : EDUARDO TOLEDO DE LIMA JUNIOR
  • MEMBROS DA BANCA :
  • EDSON DENNER LEONEL
  • EDUARDO TOLEDO DE LIMA JUNIOR
  • FÁBIO CARLOS DA ROCHA
  • JOAO CARLOS CORDEIRO BARBIRATO
  • Data: 27/03/2020

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  • Apresenta-se neste trabalho o emprego de formulações do método dos elementos de contorno (MEC) em problemas de fratura e também na análise mecano-probabilística de sólidos fraturados. O MEC é um método adequado para resolução desses tipos de problemas, uma vez que a ausência de malha de domínio resulta em uma modelagem mais eficiente de regiões com alta concentração de tensões. Além disso, a redução de dimensionalidade da malha diminui fortemente os dados de entrada e também o trabalho de remeshing no processo de propagação de fissuras. Com relação a formulação não linear do MEC, será utilizada uma alternativa a formulação clássica dual, com a introdução de um campo de tensões iniciais para representação da zona coesiva e formulado a partir do conceito de dipolos. Esta formulação é particularmente interessante por conseguir representar matematicamente a presença da Zona de Processos Inelásticos (ZPI) em apenas três equações algébricas (equações relacionadas à correção de tensões) por ponto fonte situado no caminho da fissura. Em contraste, a formulação dual requer quatro equações algébricas (deslocamentos e forças) por ponto fonte. Quanto aos efeitos pertinentes ao sistema não linear, serão utilizados dois algoritmos distintos de resolução iterativa, Operador Constante (OC) e Operador Tangente (OT). No acoplamento com modelos da confiabilidade, apenas o OT será utilizado por apresentar respostas satisfatórias em um número menor de iterações. Com relação à análise probabilística, duas abordagens são consideradas, a primeira refere-se ao acoplamento direto entre o modelo numérico e um método de transformação (HLRF/FORM), já a segunda consiste no acoplamento mais simples com o emprego do Método de Monte Carlo. Os parâmetros de fraturamento são tratados como aleatórios e o Método de Confiabilidade de Primeira Ordem (FORM) é empregado para avaliação de fatores de importância bem como probabilidade de falha. Por fim, a técnica de Amostragem inteligente por Hipercubo Latino é também empregada, por apresentar melhores taxas de convergência. Exemplos são apresentados para validar o uso da formulação de dipolos na análise de propagação de fissuras, à luz da confiabilidade estrutural.


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  • Apresenta-se neste trabalho o emprego de formulações do método dos elementos de contorno (MEC) em problemas de fratura e também na análise mecano-probabilística de sólidos fraturados. O MEC é um método adequado para resolução desses tipos de problemas, uma vez que a ausência de malha de domínio resulta em uma modelagem mais eficiente de regiões com alta concentração de tensões. Além disso, a redução de dimensionalidade da malha diminui fortemente os dados de entrada e também o trabalho de remeshing no processo de propagação de fissuras. Com relação a formulação não linear do MEC, será utilizada uma alternativa a formulação clássica dual, com a introdução de um campo de tensões iniciais para representação da zona coesiva e formulado a partir do conceito de dipolos. Esta formulação é particularmente interessante por conseguir representar matematicamente a presença da Zona de Processos Inelásticos (ZPI) em apenas três equações algébricas (equações relacionadas à correção de tensões) por ponto fonte situado no caminho da fissura. Em contraste, a formulação dual requer quatro equações algébricas (deslocamentos e forças) por ponto fonte. Quanto aos efeitos pertinentes ao sistema não linear, serão utilizados dois algoritmos distintos de resolução iterativa, Operador Constante (OC) e Operador Tangente (OT). No acoplamento com modelos da confiabilidade, apenas o OT será utilizado por apresentar respostas satisfatórias em um número menor de iterações. Com relação à análise probabilística, duas abordagens são consideradas, a primeira refere-se ao acoplamento direto entre o modelo numérico e um método de transformação (HLRF/FORM), já a segunda consiste no acoplamento mais simples com o emprego do Método de Monte Carlo. Os parâmetros de fraturamento são tratados como aleatórios e o Método de Confiabilidade de Primeira Ordem (FORM) é empregado para avaliação de fatores de importância bem como probabilidade de falha. Por fim, a técnica de Amostragem inteligente por Hipercubo Latino é também empregada, por apresentar melhores taxas de convergência. Exemplos são apresentados para validar o uso da formulação de dipolos na análise de propagação de fissuras, à luz da confiabilidade estrutural.

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  • LUCAS DA MATA ROCHA MENEZES
  • Otimização de Amortecedores de Massa Sintonizados no Controle de Vibrações em Vigas e Placas

  • Orientador : EDUARDO NOBRE LAGES
  • MEMBROS DA BANCA :
  • EDUARDO NOBRE LAGES
  • EMERSON FIGUEIREDO DOS SANTOS
  • FÁBIO MARTINS GONÇALVES FERREIRA
  • JOSÉ GUILHERME SANTOS DA SILVA
  • Data: 30/04/2020

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  • A possibilidade de se trabalhar com materiais mais resistentes permite conceber estruturas mais esbeltas e leves que, por sua vez, podem ser mais sensíveis à ação das cargas dinâmicas oriundas do movimento de pessoas, máquinas ou ações da natureza, como o vento. O surgimento e propagação de fissuras, acréscimos de tensão devido a deslocamentos excessivos bem como desconforto aos usuários do empreendimento devido às acelerações que surgem na estrutura são alguns dos problemas estruturais que envolvem a dinâmica. Outra adversidade está relacionada com equipamentos sensíveis instalados em pisos, em que, ao estarem submetidos à determinada (indevida) aceleração, podem sofrer danos. As abordagens mais comumente empregadas para controle dessas vibrações excessivas é o enrijecimento da estrutura, porém em muitos casos este tipo de abordagem é inviabilizada por restrições arquitetônicas, estéticas ou relativa à própria capacidade da estrutura ao sofrer o acréscimo de elementos estruturais pesados para o enrijecimento. Problemas de vibrações em lajes não são incomuns; lajes industriais, por exemplo, estão sujeitas a vários tipos de ações dinâmicas simultâneas provenientes das diversas máquinas em operação instaladas no piso da fábrica. Outro caso são as lajes de academias, salões de festas e outros ambientes com grande movimento de pessoas que geram acelerações no piso. O presente trabalho explora a adoção de sistemas mecânicos de controle de vibrações (amortecedores) acoplados às estruturas, especificamente em vigas e placas, como uma solução alternativa à resolução do problema de engenharia. Utilizam-se ainda técnicas de otimização com o objetivo de obter projetos com a melhor relação custo-benefício de amortecedores. Dessa forma, realiza-se uma modelagem numérica via implementações computacionais do problema de vibração e seu controle em vigas e placas, com os resultados são validados e comparados com exemplos da literatura. Notou-se que, com o processo de otimização, pode-se chegar com a mesma eficiência na resposta estrutural, que utiliza massa e taxa de amortecimento menores.


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  • A possibilidade de se trabalhar com materiais mais resistentes permite conceber estruturas mais esbeltas e leves que, por sua vez, podem ser mais sensíveis à ação das cargas dinâmicas oriundas do movimento de pessoas, máquinas ou ações da natureza, como o vento. O surgimento e propagação de fissuras, acréscimos de tensão devido a deslocamentos excessivos bem como desconforto aos usuários do empreendimento devido às acelerações que surgem na estrutura são alguns dos problemas estruturais que envolvem a dinâmica. Outra adversidade está relacionada com equipamentos sensíveis instalados em pisos, em que, ao estarem submetidos à determinada (indevida) aceleração, podem sofrer danos. As abordagens mais comumente empregadas para controle dessas vibrações excessivas é o enrijecimento da estrutura, porém em muitos casos este tipo de abordagem é inviabilizada por restrições arquitetônicas, estéticas ou relativa à própria capacidade da estrutura ao sofrer o acréscimo de elementos estruturais pesados para o enrijecimento. Problemas de vibrações em lajes não são incomuns; lajes industriais, por exemplo, estão sujeitas a vários tipos de ações dinâmicas simultâneas provenientes das diversas máquinas em operação instaladas no piso da fábrica. Outro caso são as lajes de academias, salões de festas e outros ambientes com grande movimento de pessoas que geram acelerações no piso. O presente trabalho explora a adoção de sistemas mecânicos de controle de vibrações (amortecedores) acoplados às estruturas, especificamente em vigas e placas, como uma solução alternativa à resolução do problema de engenharia. Utilizam-se ainda técnicas de otimização com o objetivo de obter projetos com a melhor relação custo-benefício de amortecedores. Dessa forma, realiza-se uma modelagem numérica via implementações computacionais do problema de vibração e seu controle em vigas e placas, com os resultados são validados e comparados com exemplos da literatura. Notou-se que, com o processo de otimização, pode-se chegar com a mesma eficiência na resposta estrutural, que utiliza massa e taxa de amortecimento menores.

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  • IVA EMANUELLY PEREIRA LIMA
  • ESTUDO DOS ASPECTOS DE DIMENSIONAMENTO DE ELEMENTOS ESTRUTURAIS DE CONCRETO REFORÇADO COM FIBRAS COM BASE NA TEORIA DE FLEXÃO EM VIGAS

  • Orientador : ALINE DA SILVA RAMOS BARBOZA
  • MEMBROS DA BANCA :
  • ALINE DA SILVA RAMOS BARBOZA
  • FLAVIO BARBOZA DE LIMA
  • GUSTAVO HENRIQUE SIQUEIRA
  • Data: 24/07/2020

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  • Os concretos reforçados com fibras (CRF) apresentam uma menor propagação de fissuras e, consequentemente, promovem para o compósito um acréscimo de tenacidade e resistência residual. Apesar disso, o aumento dessa capacidade só acontece se o concreto for dosado e aplicado de maneira adequada e, para isso, existem códigos de referência que estabelecem aspectos de controle tecnológico e de dimensionamento para o uso do CRF. No entanto, nesses documentos, ao que refere-se a um dos aspectos de dimensionamento, a parcela de força resultante resistente das fibras é descrita para algumas aplicações específicas, onde faz-se a consideração de que a carga máxima corresponde a carga de fissuração, o que pode não se aplicar para concretos que possuam uma orientação preferencial das fibras. Diante disso, sabendo da significativa mudança que a orientação das fibras pode proporcionar, e a fim de determinar a força resultante resistente das fibras na parte tracionada de um concreto fibroso fluido, apresenta-se um estudo relacionado a proposição de um modelo de cálculo de CRF fundamentado nessa definição. O estabelecimento desse modelo foi obtido com base na teoria de flexão em vigas, a partir do ensaio de flexão a três pontos normatizado pela EN 14651 (2007), onde foram utilizadas uma amostra de concreto reforçado com fibras de aço (CRFA) e outra amostragem produzida com fibras poliméricas (CRFP). De acordo com o estudo realizado, verificou-se que o valor de carga máxima não correspondeu ao valor de carga de fissuração para nenhuma viga em análise e, de modo geral, percebeu-se que as cargas são estatisticamente diferentes entre si. Com base nessa diferença, definiu-se analiticamente o posicionamento da linha neutra da estrutura e determinou-se, a partir de equações de equilíbrio, um modelo de cálculo referente à força resultante resistente das fibras na parte tracionada do concreto. A partir disso, os valores obtidos por meio do modelo proposto foram comparados com os resultados determinados em conformidade com o FIB Model Code 2010 (2013) e de acordo com o ACI 544.8R (2016), onde verificou-se que os resultados apresentaram variações. A fim de investigar essas dispersões, fez-se uma análise dos parâmetros de sensibilidade das equações e conclui-se que o modelo de cálculo proposto não apresenta nenhum parâmetro de influência no contexto analisado, o que evidenciou que a equação analítica desenvolvida neste trabalho pode ser preliminarmente validada para o dimensionamento de elementos estruturais de CRF.


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  • Os concretos reforçados com fibras (CRF) apresentam uma menor propagação de fissuras e, consequentemente, promovem para o compósito um acréscimo de tenacidade e resistência residual. Apesar disso, o aumento dessa capacidade só acontece se o concreto for dosado e aplicado de maneira adequada e, para isso, existem códigos de referência que estabelecem aspectos de controle tecnológico e de dimensionamento para o uso do CRF. No entanto, nesses documentos, ao que refere-se a um dos aspectos de dimensionamento, a parcela de força resultante resistente das fibras é descrita para algumas aplicações específicas, onde faz-se a consideração de que a carga máxima corresponde a carga de fissuração, o que pode não se aplicar para concretos que possuam uma orientação preferencial das fibras. Diante disso, sabendo da significativa mudança que a orientação das fibras pode proporcionar, e a fim de determinar a força resultante resistente das fibras na parte tracionada de um concreto fibroso fluido, apresenta-se um estudo relacionado a proposição de um modelo de cálculo de CRF fundamentado nessa definição. O estabelecimento desse modelo foi obtido com base na teoria de flexão em vigas, a partir do ensaio de flexão a três pontos normatizado pela EN 14651 (2007), onde foram utilizadas uma amostra de concreto reforçado com fibras de aço (CRFA) e outra amostragem produzida com fibras poliméricas (CRFP). De acordo com o estudo realizado, verificou-se que o valor de carga máxima não correspondeu ao valor de carga de fissuração para nenhuma viga em análise e, de modo geral, percebeu-se que as cargas são estatisticamente diferentes entre si. Com base nessa diferença, definiu-se analiticamente o posicionamento da linha neutra da estrutura e determinou-se, a partir de equações de equilíbrio, um modelo de cálculo referente à força resultante resistente das fibras na parte tracionada do concreto. A partir disso, os valores obtidos por meio do modelo proposto foram comparados com os resultados determinados em conformidade com o FIB Model Code 2010 (2013) e de acordo com o ACI 544.8R (2016), onde verificou-se que os resultados apresentaram variações. A fim de investigar essas dispersões, fez-se uma análise dos parâmetros de sensibilidade das equações e conclui-se que o modelo de cálculo proposto não apresenta nenhum parâmetro de influência no contexto analisado, o que evidenciou que a equação analítica desenvolvida neste trabalho pode ser preliminarmente validada para o dimensionamento de elementos estruturais de CRF.

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  • JESSICA PONTES DE VASCONCELOS VALENCA
  • ESTUDO PARAMÉTRICO SOBRE VIDA À FADIGA DE DUTOS EM VÃOS LIVRES SUBMETIDOS À VIV

  • Orientador : ALINE DA SILVA RAMOS BARBOZA
  • MEMBROS DA BANCA :
  • ALINE DA SILVA RAMOS BARBOZA
  • EDUARDO NOBRE LAGES
  • EMÍLIO CÉSAR CAVALCANTE MELO DA SILVA
  • Data: 26/08/2020

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  • A maior parte das reservas petrolíferas brasileiras se encontra em ambientes marinhos, que
    apresentam vários fatores que dificultam sua produção, como lâminas d’águas elevadas, interação
    fluido-estrutura e batimetrias irregulares. Nesses ambientes offshore, os dutos são estruturas
    eficientes para o transporte de fluidos entre plataformas, entre o poço e a plataforma e entre a
    plataforma e um local em terra, sendo utilizados há bastante tempo em larga escala na indústria
    petrolífera. Os dutos suspensos recebem o nome de risers e os apoiados no solo de dutos
    submarinos, pipelines e flowlines. Os dutos são dimensionados de acordo com o tipo de atividade
    que irão desempenhar e a hidrodinâmica do problema.
    Considerando as irregularidades do solo marinho, os dutos apoiados podem apresentar trechos
    com vãos livres, que devem ser considerados no projeto de forma a evitar problemas de segurança
    estrutural por excesso de deformações. As estruturas estão submetidas a diversas formas de
    carregamentos, normalmente agrupados nos referenciais normativos, como: cargas permanentes,
    cargas variáveis (acidentais) e cargas excepcionais. Como as ações ambientais variam de
    intensidade de forma significativa ao longo da vida útil da estrutura, elas são classificadas como
    cargas variáveis e exercem uma grande influência para a análise do comportamento de dutos,
    pois ocasionam carregamentos cíclicos. Dentre os carregamentos ambientais, encontramos: as
    cargas do vento, da corrente, da onda, das marés, entre outros.
    O carregamento combinado de onda e corrente em dutos em vãos livres dá origem às vibrações
    induzidas por vórtices (VIV), objeto de estudo de várias áreas da engenharia, sendo um dos
    principais desafios em projetos offshore. Essas vibrações causam tensões e deformações periódicas,
    podendo levar à falha da estrutura por fadiga. Para evitar que ocorra esse problema, as
    oscilações devem ser minimizadas, estando as frequências de vibrações dos vórtices com valores
    distantes dos valores das vibrações naturais da estrutura. Esta frequência natural depende de
    parâmetros como a rigidez, o comprimento do vão livre, a massa do duto, incluindo a massa do
    fluido interno e a massa adicional.
    O presente trabalho se concentra em fazer um estudo do problema de dutos em vãos livres submetidos
    à VIV. Um estudo paramétrico foi realizado para obter os fatores que mais influenciam
    na vida à fadiga da estrutura, por meio da técnica de Planejamento e Análise de Experimentos
    (DOE), utilizando o software Isight. Análises estática e modal foram elaboradas no Abaqus,
    tendo como resultados principais as frequências naturais da estrutura do duto. Por fim, o estudo
    de vida à fadiga foi realizado, de acordo com a recomendação prática DNVGL-RP-F105, por
    meio da planilha FatFree.


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  • A maior parte das reservas petrolíferas brasileiras se encontra em ambientes marinhos, que
    apresentam vários fatores que dificultam sua produção, como lâminas d’águas elevadas, interação
    fluido-estrutura e batimetrias irregulares. Nesses ambientes offshore, os dutos são estruturas
    eficientes para o transporte de fluidos entre plataformas, entre o poço e a plataforma e entre a
    plataforma e um local em terra, sendo utilizados há bastante tempo em larga escala na indústria
    petrolífera. Os dutos suspensos recebem o nome de risers e os apoiados no solo de dutos
    submarinos, pipelines e flowlines. Os dutos são dimensionados de acordo com o tipo de atividade
    que irão desempenhar e a hidrodinâmica do problema.
    Considerando as irregularidades do solo marinho, os dutos apoiados podem apresentar trechos
    com vãos livres, que devem ser considerados no projeto de forma a evitar problemas de segurança
    estrutural por excesso de deformações. As estruturas estão submetidas a diversas formas de
    carregamentos, normalmente agrupados nos referenciais normativos, como: cargas permanentes,
    cargas variáveis (acidentais) e cargas excepcionais. Como as ações ambientais variam de
    intensidade de forma significativa ao longo da vida útil da estrutura, elas são classificadas como
    cargas variáveis e exercem uma grande influência para a análise do comportamento de dutos,
    pois ocasionam carregamentos cíclicos. Dentre os carregamentos ambientais, encontramos: as
    cargas do vento, da corrente, da onda, das marés, entre outros.
    O carregamento combinado de onda e corrente em dutos em vãos livres dá origem às vibrações
    induzidas por vórtices (VIV), objeto de estudo de várias áreas da engenharia, sendo um dos
    principais desafios em projetos offshore. Essas vibrações causam tensões e deformações periódicas,
    podendo levar à falha da estrutura por fadiga. Para evitar que ocorra esse problema, as
    oscilações devem ser minimizadas, estando as frequências de vibrações dos vórtices com valores
    distantes dos valores das vibrações naturais da estrutura. Esta frequência natural depende de
    parâmetros como a rigidez, o comprimento do vão livre, a massa do duto, incluindo a massa do
    fluido interno e a massa adicional.
    O presente trabalho se concentra em fazer um estudo do problema de dutos em vãos livres submetidos
    à VIV. Um estudo paramétrico foi realizado para obter os fatores que mais influenciam
    na vida à fadiga da estrutura, por meio da técnica de Planejamento e Análise de Experimentos
    (DOE), utilizando o software Isight. Análises estática e modal foram elaboradas no Abaqus,
    tendo como resultados principais as frequências naturais da estrutura do duto. Por fim, o estudo
    de vida à fadiga foi realizado, de acordo com a recomendação prática DNVGL-RP-F105, por
    meio da planilha FatFree.

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  • LUCAS HENRIQUE OLIVEIRA MUNIZ
  • DESENVOLVIMENTO DE MÓDULOS COMPUTACIONAIS PARA AUTOMATIZAÇÃO DO PROJETO ESTRUTURAL DE PAREDE DE CONCRETO MOLDADA IN LOCO

  • Orientador : WILLIAM WAGNER MATOS LIRA
  • MEMBROS DA BANCA :
  • ALINE DA SILVA RAMOS BARBOZA
  • EDUARDO TOLEDO DE LIMA JUNIOR
  • MARCIO ROBERTO SILVA CORRÊA
  • WILLIAM WAGNER MATOS LIRA
  • Data: 16/09/2020

  • Mostrar Resumo
  • O objetivo deste trabalho é automatizar o processo de análise, dimensionamento e detalhamento do sistema estrutural de uma parede de concreto moldada in loco. A automatização é realizada com base em um ambiente computacional, elaborado a partir do desenvolvimento e customização de módulos computacionais. O sistema estrutural de parede de concreto pode ser projetado através de diferentes metodologias, entretanto, a solução utilizando métodos numéricos proporciona uma série de pontos positivos que colaboram para uma melhor compreensão dos fenômenos com um bom balanceamento entre tempo, custo e qualidade. Nesse contexto, o presente trabalho apresenta o desenvolvimento de um estudo voltado as principais premissas do projeto estrutural de parede de concreto moldada in loco, com o intuito de promover a criação de um ambiente computacional integrado. O ambiente é elaborado a partir da customização da interface do software comercial ABAQUS/CAE®, integrando módulos computacionais já existentes que realizam a modelagem e a análise estrutural via Método dos Elementos Finitos com outros módulos que incorporam algoritmos utilizados nas fases de dimensionamento e detalhamento das paredes, com base nas premissas da NBR 16055 (2012). Utilizou-se como estudo de caso um projeto de uma edificação de parede de concreto do programa “Minha Casa Minha Vida”. A ideia é que o estudo realizado neste trabalho se torne útil ao meio técnico-científico por desenvolver um ambiente computacional que permite a realização automatizada de um projeto estrutural de uma parede de concreto moldada in loco.

     

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  • O objetivo deste trabalho é automatizar o processo de análise, dimensionamento e detalhamento do sistema estrutural de uma parede de concreto moldada in loco. A automatização é realizada com base em um ambiente computacional, elaborado a partir do desenvolvimento e customização de módulos computacionais. O sistema estrutural de parede de concreto pode ser projetado através de diferentes metodologias, entretanto, a solução utilizando métodos numéricos proporciona uma série de pontos positivos que colaboram para uma melhor compreensão dos fenômenos com um bom balanceamento entre tempo, custo e qualidade. Nesse contexto, o presente trabalho apresenta o desenvolvimento de um estudo voltado as principais premissas do projeto estrutural de parede de concreto moldada in loco, com o intuito de promover a criação de um ambiente computacional integrado. O ambiente é elaborado a partir da customização da interface do software comercial ABAQUS/CAE®, integrando módulos computacionais já existentes que realizam a modelagem e a análise estrutural via Método dos Elementos Finitos com outros módulos que incorporam algoritmos utilizados nas fases de dimensionamento e detalhamento das paredes, com base nas premissas da NBR 16055 (2012). Utilizou-se como estudo de caso um projeto de uma edificação de parede de concreto do programa “Minha Casa Minha Vida”. A ideia é que o estudo realizado neste trabalho se torne útil ao meio técnico-científico por desenvolver um ambiente computacional que permite a realização automatizada de um projeto estrutural de uma parede de concreto moldada in loco.

     
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  • PAULO CHAGAS DO CARMO
  • Detecção de danos em elementos de concreto por meio de Correlação de Imagens Digitais

  • Orientador : ALINE DA SILVA RAMOS BARBOZA
  • MEMBROS DA BANCA :
  • ALINE DA SILVA RAMOS BARBOZA
  • ISAAC GALOBARDES REYES
  • KAROLINE ALVES DE MELO MORAES
  • Data: 18/09/2020

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  • A análise de danos em estruturas é um tema de pesquisa muito importante para diversos campos
    da engenharia, capaz de fornecer informações relevantes frente à sua integridade estrutural,
    norteando as decisões relacionadas às ações de intervenção. Diante da necessidade e importância
    do tema, diversos estudos vêm sendo desenvolvidos com o intuito de conceber técnicas, para
    auxiliar na quantificação do dano por meio de procedimentos técnicos que envolvam atividades
    laboratoriais. É exatamente nesse aspecto que o presente trabalho se insere. Nesta pesquisa, é
    estudada a aplicação de uma técnica óptica-numérica, a Correlação de Imagens Digitais (CID),
    como suporte à aquisição de informações para análise quantitativa de danos, na qual se buscará
    analisar a integridade estrutural de elementos de concreto por meio da perda de rigidez à flexão.
    Para a quantificação do dano, as informações obtidas pela CID, por meio de um software de
    código aberto, o ITOM, são comparadas com métodos tradicionais de aquisição, como LVDT’s
    (Transdutores de Deslocamento Linear). Para avaliação da perda de rigidez, foram analisadas oito
    vigas, através do ensaio de flexão, fornecendo assim um ambiente controlado para o emprego
    desse ensaio não destrutivo. Diante dos resultados obtidos, foi possível verificar o potencial da
    CID, por meio do ITOM, que, mesmo em fase de desenvolvimento e aprimoramento, mostrou-se
    capaz de quantificar aberturas de fissuras diretamente em imagens e gerar deslocamentos e
    deformações nodais para construção de mapas de cores, dando suporte para análises de estruturas
    em Estado Limite Último (ELU) e de Serviço (ELS).


  • Mostrar Abstract
  • A análise de danos em estruturas é um tema de pesquisa muito importante para diversos campos
    da engenharia, capaz de fornecer informações relevantes frente à sua integridade estrutural,
    norteando as decisões relacionadas às ações de intervenção. Diante da necessidade e importância
    do tema, diversos estudos vêm sendo desenvolvidos com o intuito de conceber técnicas, para
    auxiliar na quantificação do dano por meio de procedimentos técnicos que envolvam atividades
    laboratoriais. É exatamente nesse aspecto que o presente trabalho se insere. Nesta pesquisa, é
    estudada a aplicação de uma técnica óptica-numérica, a Correlação de Imagens Digitais (CID),
    como suporte à aquisição de informações para análise quantitativa de danos, na qual se buscará
    analisar a integridade estrutural de elementos de concreto por meio da perda de rigidez à flexão.
    Para a quantificação do dano, as informações obtidas pela CID, por meio de um software de
    código aberto, o ITOM, são comparadas com métodos tradicionais de aquisição, como LVDT’s
    (Transdutores de Deslocamento Linear). Para avaliação da perda de rigidez, foram analisadas oito
    vigas, através do ensaio de flexão, fornecendo assim um ambiente controlado para o emprego
    desse ensaio não destrutivo. Diante dos resultados obtidos, foi possível verificar o potencial da
    CID, por meio do ITOM, que, mesmo em fase de desenvolvimento e aprimoramento, mostrou-se
    capaz de quantificar aberturas de fissuras diretamente em imagens e gerar deslocamentos e
    deformações nodais para construção de mapas de cores, dando suporte para análises de estruturas
    em Estado Limite Último (ELU) e de Serviço (ELS).

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  • FRANCISCO DE ASSIS VIANA BINAS JUNIOR
  • Modelos de trajetória e de torque e arraste aplicados à análise de desgaste em revestimentos de poços

  • Orientador : EDUARDO TOLEDO DE LIMA JUNIOR
  • MEMBROS DA BANCA :
  • EDUARDO TOLEDO DE LIMA JUNIOR
  • JOAO PAULO LIMA SANTOS
  • JOÃO CARLOS RIBEIRO PLÁCIDO
  • Data: 10/12/2020

  • Mostrar Resumo
  • A perfuração de poços de petróleo consiste em uma atividade de alto risco, complexidade e de elevado custo. Com a busca por reservas de hidrocarbonetos em profundidades cada vez maiores, e os avanços tecnológicos decorrentes, poços com maiores extensões e lâminas d’água tornaram-se mais comuns, demandando o uso de técnicas que permitam uma melhor análise da condição do poço durante sua construção. Na etapa de perfuração destes poços a coluna de perfuração pode entrar em contato com as colunas de revestimento, exercendo forças laterais que, em conjunto com a rotação da coluna, provocam a remoção de material da parede interna dos tubulares. Para quantificação destas forças, faz-se a modelagem do torque e arraste no poço, a qual permite encontrar as tensões efetivas, os limites de flambagem senoidal e helicoidal, o torque na coluna, as forças de contato com o poço, o peso no gancho na superfície e o pesosobre a broca. Com estas informações, é possível realizar diversas verificações de integridade, a respeito de ciclos de fadiga, desgaste do revestimento, limite de torque nas conexões, entre outras. Dentre as alternativas para avaliação do torque e arraste, destacam-se os modelos soft-string e stiff-string, além do emprego de modelos numéricos, usualmente baseados em elementos finitos. O modelo stiff-string difere do modelo soft-string por incorporar propriedades geométricas dos elementos tubulares e considerar os efeitos relativos à rigidez da coluna, sendo este o modelo que se encontra embarcado em diversos softwares de previsão de desgaste utilizados na indústria. Neste trabalho implementam-se diferentes modelos de cálculo de força de contato e desgaste utilizados pela indústria, os quais são aplicados a estudos de caso, para fins de validação e análise comparativa.


  • Mostrar Abstract
  • In the drilling stage of oil and gas wells, the drilstring can come into contact with the casing
    strings, generating lateral forces that, associated to the rotation of the drillstring, cause the
    removal of material from the inner wall of the tubulars. High casing wear values induce a
    reduction in mechanical strength of casing string and may compromise the well integrity. This
    work deals to the implementation and comparative analysis between methodologies for casing
    wear evaluation, comprising models for trajectory planning, lateral forces calculation and wear
    volume estimate. Torque and drag models are employed to quantify the lateral forces, using the
    soft-string and stiff-string approaches. The latter differs from the soft-string model by taking
    into account effects related to the drillstring stiffness, besides inserting the contact angle into the
    formulation. The stiff-string model depends on directional parameters as torsion and curvature,
    for which a model based on cubic splines is applied. The spline-based model is then compared
    with the minimum curvature method, widely employed by industry. The results show that the
    model based on splines provides smooth curvature and non-zero torsion. The influence of spacing
    between the survey stations on the accuracy of the trajectory models is also analyzed. Finally,
    a complete case study is developed, allowing to conclude that the use of stiff-string model can
    reduce the predicted wear on the casing string, due to its distribution as a function of the contact
    angle.
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  • IGOR DE MELO NERY OLIVEIRA
  • TÉCNICAS DE INFERÊNCIA E PREVISÃO DE DADOS COMO SUPORTE À ANÁLISE DE INTEGRIDADE DE REVESTIMENTOS

  • Orientador : EDUARDO TOLEDO DE LIMA JUNIOR
  • MEMBROS DA BANCA :
  • EDUARDO TOLEDO DE LIMA JUNIOR
  • JOAO PAULO LIMA SANTOS
  • RICARDO EMANUEL VAZ VARGAS
  • Data: 21/12/2020

  • Mostrar Resumo
  • O projeto de um poço de petróleo é uma atividade complexa e multidisciplinar, que tem como uma
    de suas principais premissas a adequada previsão de integridade do poço ao longo de seu ciclo de
    vida. Apesar de todos os cuidados no dimensionamento da sua estrutura, eventualmente o mesmo
    pode ser exposto a uma condição de carregamento não prevista. No tocante ao monitoramento
    de poços em serviço, a aquisição de dados referentes a variáveis como pressão e temperatura
    permite identificar se o poço está operando dentro dos parâmetros previstos em projeto. Através
    de técnicas de previsão de séries de dados temporais, as informações desses sensores têm
    potencial de serem utilizadas não só para diagnosticar um problema já ocorrido, mas também
    para prevenir a sua ocorrência, criando um sistema supervisório em tempo real que seja capaz de
    antecipar estados futuros de carregamento. Não obstante, no contexto de projetos de poços, com
    a evolução das normas de projeto de revestimento, sugere-se o uso de métodos probabilísticos
    em seu dimensionamento, evidenciando a importância de um melhor conhecimento acerca das
    variáveis de projeto. A inferência estatística sobre dados de fabricação é motivada pela demanda
    por um melhor entendimento das incertezas sobre esses parâmetros, em termos das dimensões
    do tubular e das propriedades da liga metálica que o constitui. Esta dissertação versa sobre
    um conjunto de técnicas de inferência estatística e previsão de dados, como suporte a práticas
    modernas de projeto e de monitoramento de integridade estrutural de poços.


  • Mostrar Abstract
  • The design of an oil well is a complex and multidisciplinary activity, which has as a
    of its main premises the adequate prediction of well integrity throughout its life cycle.
    life. Despite all the care taken in the design of its structure, eventually the same
    may be exposed to an unforeseen loading condition. With regard to monitoring
    of wells in service, the acquisition of data referring to variables such as pressure and temperature
    allows to identify if the well is operating within the parameters foreseen in the project. Through
    of time series forecasting techniques, the information from these sensors has
    potential to be used not only to diagnose a problem that has already occurred, but also
    to prevent its occurrence, creating a supervisory system in real time that is capable of
    anticipate future loading states. However, in the context of well projects, with
    the evolution of coating design standards, the use of probabilistic methods is suggested
    in its dimensioning, highlighting the importance of a better knowledge about the
    design variables. Statistical inference about manufacturing data is driven by demand
    for a better understanding of the uncertainties about these parameters, in terms of the dimensions
    of the tubular and the properties of the metallic alloy that constitutes it. This dissertation is about
    a set of statistical inference and data prediction techniques, as support for practices
    modern design and structural integrity monitoring of wells.

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  • GUSTAVO TEIXEIRA DA SILVA
  • Análise Numérica da Resistência ao Colapso em Tubulares de Revestimento de Poços Dotados de Imperfeições de Manufatura e Desgaste

  • Orientador : EDUARDO TOLEDO DE LIMA JUNIOR
  • MEMBROS DA BANCA :
  • EDUARDO TOLEDO DE LIMA JUNIOR
  • EDUARDO NOBRE LAGES
  • EMÍLIO CÉSAR CAVALCANTE MELO DA SILVA
  • Data: 22/12/2020

  • Mostrar Resumo
  • Sistemas de revestimento de poços de óleo e gás consistem em elementos tubulares instalados ao longo da profundidade, proporcionando estabilidade e estanqueidade, devendo atender às rigorosas premissas de integridade estrutural, principalmente em se tratando de cenários offshore. Diante disto, alguns eventos podem expor o revestimento a elevados diferenciais de pressão, conduzindo o tubular à falha sob pressão externa, denominada colapso. Imperfeições associadas aos processos de fabricação de tubulares de revestimento, tais como excentricidade, ovalização da seção transversal e a tensão residual do aço, podem ter significativa influência no mecanismo de falha por colapso. Além destes, verifica-se a presença do desgaste em poços executados, causado predominantemente pelo contato da coluna de perfuração com a parede interna do revestimento. Em muitos casos, estas imperfeições podem levar à redução considerável da resistência ao colapso, especialmente em tubos de parede delgada, cujo mecanismo de falha está associado à instabilidade geométrica provocada pela elevada esbeltez transversal. Já os tubos de seção robusta tendem a falhar sob níveis de tensão próximos ao limite de escoamento ou limite de resistência à tração do material. Este trabalho apresenta uma análise numérica da perda de resistência ao colapso de tubulares imperfeitos e desgastados internamente, admitindo-se o estado plano de deformação, em regime física e geometricamente não linear. O método dos elementos finitos é empregado na análise e verificação da pressão de colapso dos tubos, como uso do software ABAQUS®. O comportamento mecânico do aço é descrito pelo modelo constitutivo elastoplástico com endurecimento não linear fornecido pelo código ASME BPVC(2015). A validação dos modelos de elementos finitos é realizada com base nas respostas obtidas pelas formulações e resultados experimentais propostos por Clinedinst et al. (1939), Klever e Tamano (2006) e Moreira Junior (2012), para tubos perfeitos ou com imperfeições de manufatura e desgaste. A consideração do desgaste interno é feita pela remoção de material da seção em zonas com forma de canaleta (groove wear) ou ainda por dados obtidos de perfilagem, baseados em medições reais da parede interna de revestimentos. Apresentam-se estudos paramétricos para avaliação da influência dos parâmetros de esbeltez, desgaste e imperfeições na pressão resistente de colapso dos tubulares.


  • Mostrar Abstract
  • Casing systems for oil and gas wells consist of tubular elements installed along the depth,
    providing stability and tightness, and must meet the strict premises of structural integrity,
    especially in the case of offshore scenarios. Given this, some events may expose the casing to
    high differentials. pressure, leading the tubular to failure under external pressure, called collapse.
    Imperfections associated with casing tubular manufacturing processes, such as eccentricity,
    ovality of the cross section, and the residual stress of the steel, can have a significant influence
    on the failure mechanism by collapse. In addition to these, there is the presence of wear in
    wells performed, caused predominantly by the contact of the drilling column with the inner wall
    of the casing. In many cases, these imperfections can lead to a considerable reduction in the
    collapse strength, especially in thin-walled tubes, whose failure mechanism is associated with
    geometric instability caused by high transverse slenderness. Robust section tubes tend to fail
    under stress levels near to the yield limit or material tensile strength limit. This work presents a
    numerical analysis of the collapse strength of imperfect and internally worn tubulars, admitting
    the deformation plane state, in a physically and geometrically nonlinear regime. The finite
    element method is used in the analysis and verification of the collapse pressure of the tubes, as
    used by ABAQUS® software. The mechanical behavior of steel is described by the constitutive
    elastoplastic model with nonlinear hardening provided by the ASME BPVC (2015). Evaluation
    of finite element models is performed based on the responses obtained by the formulations and
    experimental results proposed by Clinedinst et al. (1939), Klever e Tamano (2006), and Moreira
    Junior (2012), for perfect tubes or with manufacturing and wear imperfections. The consideration
    of internal wear is made by removing material from the section in groove wear zones or by data
    obtained from profiling, based on real measurements of the internal wall of the casing. Parametric
    studies are presented to assess the influence of slenderness, wear, and imperfection parameters
    on the collapse strength. From the results obtained, it appears that the presence of manufacturing
    imperfections, depending on their levels, promotes considerable reduction of collapse strength,
    the most pronounced of which being ovality. Regarding the worn specimens, it is noted the
    influence of parameters such as wear depth, diameter of the tool joint that produces the groove,
    and their angular positions. In the case of profiled tubulars, it is verified that in addition to the
    depth of wear, its extension along the inner wall can imply a considerable decrease in collapse
    pressure.

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