centro de pesquisas e desenvolvimento … para anÁlise e projeto de dutos submarinos submetidos a...

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METODOGIA PARA ANÁLISE E PROJETO DE DUTOS SUBMARINOS SUBMETIDOS A ALTAS PRESSÕES E TEMPERATURAS VIA APLICAÇÃO DO MÉTODO DOS ELEMENTOS FINITOS Carlos de Oliveira Cardoso TESE SUBMETIDA AO CORPO DOCENTE DA COORDENAÇÃO DOS PROGRAMAS DE PÓS-GRADUAÇÃO DE ENGENHARIA DA UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO COMO PARTE DOS REQUISITOS NECESSÁRIOS PARA A OBTENÇÃO DO GRAU DE DOUTOR EM CIÊNCIAS EM ENGENHARIA CIVIL. Aprovada por: ________________________________________________ Prof. Webe João Mansur, Ph.D. ________________________________________________ Dr. Álvaro Maia da Costa, D.Sc. ________________________________________________ Dr. Marcio Martins Mourelle, D.Sc. ________________________________________________ Prof. Breno Pinheiro Jacob, D.Sc. ________________________________________________ Prof. Marcos Queija de Siqueira, D.Sc. ________________________________________________ Prof. Otto Corrêa Rotunno Filho, Ph. D. RIO DE JANEIRO, RJ - BRASIL ABRIL DE 2005

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Page 1: CENTRO DE PESQUISAS E DESENVOLVIMENTO … para anÁlise e projeto de dutos submarinos submetidos a altas pressÕes e temperaturas via aplicaÇÃo do mÉtodo dos elementos finitos

METODOGIA PARA ANÁLISE E PROJETO DE DUTOS SUBMARINOS

SUBMETIDOS A ALTAS PRESSÕES E TEMPERATURAS VIA APLICAÇÃO DO

MÉTODO DOS ELEMENTOS FINITOS

Carlos de Oliveira Cardoso

TESE SUBMETIDA AO CORPO DOCENTE DA COORDENAÇÃO DOS

PROGRAMAS DE PÓS-GRADUAÇÃO DE ENGENHARIA DA UNIVERSIDADE

FEDERAL DO RIO DE JANEIRO COMO PARTE DOS REQUISITOS

NECESSÁRIOS PARA A OBTENÇÃO DO GRAU DE DOUTOR EM CIÊNCIAS

EM ENGENHARIA CIVIL.

Aprovada por:

________________________________________________

Prof. Webe João Mansur, Ph.D.

________________________________________________ Dr. Álvaro Maia da Costa, D.Sc.

________________________________________________ Dr. Marcio Martins Mourelle, D.Sc.

________________________________________________ Prof. Breno Pinheiro Jacob, D.Sc.

________________________________________________ Prof. Marcos Queija de Siqueira, D.Sc.

________________________________________________ Prof. Otto Corrêa Rotunno Filho, Ph. D.

RIO DE JANEIRO, RJ - BRASIL

ABRIL DE 2005

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CARDOSO, CARLOS DE OLIVEIRA

Aplicação do Método dos Elementos Finitos na

Avaliação do Comportamento Estrutural de Dutos

Aquecidos [Rio de Janeiro] 2005

XIII, 570 p. 29,7 cm (COPPE/UFRJ, D.SD.,

Engenharia Civil, 2005)

Tese - Universidade Federal do Rio de

Janeiro, COPPE

1. Elementos Finitos

2. Dutos aquecidos

3. Interação solo-duto

4. Plasticidade

5. Não-linearidade geométrica

6. Flambagem local

7. Fadiga

I. COPPE/UFRJ II. Título ( série )

ii

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A MINHA FAMÍLIA E AO MEU AMOR CAMILA,

iii

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AGRADECIMENTOS

À Petróleo Brasileiro S.A, que através do Centro de Pesquisa e Desenvolvimento

Leopoldo A. Miguez de Mello (CENPES), e ao CNPQ, que proporcionaram a

oportunidade de desenvolver este trabalho.

Aos meus Orientadores, Álvaro Maia da Costa (CENPES), que literalmente me adotou

sempre me incentivando e apoiando, e Webe João Mansur (COPPE), pela atenção,

ajuda e amizade durante o desenvolvimento desta tese.

Ao professor Raimundo de Oliveira, um grande amigo que forneceu uma ajuda

inestimável a qual tenho enorme gratidão.

Aos colegas de trabalho Cláudio dos Santos Amaral, Renato Seixas, Edgard Poiate e

Alejandro Andueza, e demais pela ajuda e amizade.

Ao colega de tese Marcos Denício de Souza que partilhou desta caminhada, e mesmo

enfrentando alguns contratempos persistiu até o fim no seu objetivo.

iv

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Resumo da Tese apresentada à COPPE/UFRJ como parte dos requisitos necessários

para a obtenção do grau de Doutor em Ciências (D.SD.)

METODOGIA PARA ANÁLISE E PROJETO DE DUTOS SUBMARINOS

SUBMETIDOS A ALTAS PRESSÕES E TEMPERATURAS VIA APLICAÇÃO DO

MÉTODO DOS ELEMENTOS FINITOS

Carlos de Oliveira Cardoso

Abril/2005

Orientadores: Webe João Mansur

Álvaro Maia da Costa

Programa: Engenharia Civil

Este trabalho apresenta os avanços recentes na avaliação do comportamento

estrutural de dutos aquecidos, em especial de dutos submarinos, que são mais

suscetíveis ao fenômeno de flambagem termomecânica por serem apoiados sobre o leito

marinho, devendo ser dimensionados através de estados limites que considerem o efeito

de deformações acima do limite de escoamento do material.

Para avaliar o comportamento estrutural de dutos submarinos aquecidos foram

implementadas rotinas no programa AEEPECD que permitam tratar as não-linearidades

físico-geométricas envolvidas durante o processo de flambagem termomecânica, assim

como o efeito acoplado momento-pressão e leis constitutivas para a interação solo-duto

que permitam avaliar o efeito de valas escavadas no leito marinho.

São avaliados os estados limites de flambagem local e fadiga devido aos ciclos de

aquecimento/pressurização e desaquecimento/depressurização em dutos submarinos

apoiados sobre pisos argilosos, comuns na Bacia de Campos. O programa ABAQUS e

formulações analíticas são utilizados nas comparações realizadas com o programa

AEEPECD na validação dos modelos implementados.

v

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Abstract of Thesis presented to COPPE/UFRJ as a partial fulfillment of the

requirements for the degree of Doctor of Science (D.SD.)

METODOLOGY FOR ANALYSIS AND PROJECT OF HIGH

PRESSURE/TEMPERATURE (HP/HT) PIPELINES BY APPLICATION

OF FINITE ELEMENT METHOD

Carlos de Oliveira Cardoso

April/2005

Advisors: Webe João Mansur

Álvaro Maia da Costa

Department: Civil Engineering

This work presents the recent progress in the evaluation of the structural

behavior of high pressure/temperature (HP/HT) pipelines, specially offshore pipelines,

that are more susceptible to thermal buckling, due to be resting on the seabed, must be

designed using limit states that considers strains above the yield limit of the material.

To evaluate the structural behavior of HP/HT offshore pipelines were implemented

routines in the AEEPECD program, allowing to treat the physical-geometric non-

linearity involved during the thermal buckling, as well as the coupled effect moment-

pressure and constitutive laws for the pipe-soil interaction considering berms dug in the

seabed.

The Limit states of local buckling and fatigue due to heat up and cool down are

evaluated for offshore pipelines resting in clay soils, very common in Campos Basin.

The ABAQUS program and analytical solutions were used in the comparisons with

AEEPECD program to validate the implemented models

vi

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1 INTRODUÇÃO ..................................................................................................................................1

1.1 MOTIVAÇÃO..............................................................................................................................1 1.2 HISTÓRICO.................................................................................................................................4

1.2.1 HISTÓRICO DO ESTADO LIMITE DE FLAMBAGEM LOCAL ....................................5 1.2.2 HISTÓRICO DE ESTADO LIMITE DE FADIGA .............................................................6 1.2.3 HISTÓRICO DE CÓDIGOS DE DIMENSIONAMENTO .................................................8

1.3 OBJETIVOS E ESTRUTURAÇÃO DO TRABALHO ...............................................................9

2 EQUAÇÕES PARA ANÁLISE NÃO-LINEAR DE MEIOS CONTÍNUOS...............................12

2.1 PRINCÍPIOS GERAIS DA MECÂNICA DO CONTÍNUO......................................................12 2.1.1 CONSERVAÇÃO DE MASSA (EQUAÇÃO DA CONTINUIDADE) ............................13 2.1.2 CONSERVAÇÃO DE QUANTIDADE DE MOVIMENTO (EQUAÇÃO DO MOVIMENTO)..................................................................................................................................16 2.1.3 PRINCÍPIO DOS TRABALHOS VIRTUAIS OU DESLOCAMENTOS VIRTUAIS .....20

2.2 EQUAÇÃO DE EQUILÍBRIO PARA ANÁLISE INCREMENTAL........................................22 2.3 MEDIDAS DE DEFORMAÇÃO E TENSÃO DO CORPO SÓLIDO ......................................27

2.3.1 TENSOR GRADIENTE DE DEFORMAÇÃO..................................................................28 2.3.2 TENSORES DE DEFORMAÇÕES DE GREEN-LAGRANGE E ALMANSI.................31 2.3.3 TENSORES DE TENSÃO DE PIOLLA-KIRCHHOFF....................................................37

2.4 EQUAÇÃO DE EQUILÍBRIO EXPRESSA NA CONFIGURAÇÃO DE REFERÊNCIA.......45 2.5 PRINCÍPIO DOS TRABALHOS VIRTUAIS EM FUNÇÃO DOS TENSORES DE TENSÕES DE PIOLLA-KIRCHHOFF NA CONFIGURAÇÃO DE REFERÊNCIA............................................48

3 MÉTODO DOS ELEMENTOS FINITOS .....................................................................................55

3.1 MÉTODO DOS ELEMENTOS FINITOS PARA PEQUENOS DESLOCAMENTOS ............55 3.1.1 ELEMENTO DE CONTÍNUO BIDIMENSIONAL ..........................................................56 3.1.2 ELEMENTO DE INTERFACE BIDIMENSIONAL.........................................................61 3.1.3 ELEMENTO DE INTERFACE PARA MODELO AXISSIMÉTRICO ............................67 3.1.4 EQUAÇÃO DE EQUILÍBRIO DO MÉTODO DOS ELEMENTOS FINITOS PARA PEQUENOS DESLOCAMENTOS (DESLOCAMENTOS TOTAIS) ..............................................70 3.1.5 EQUAÇÃO DE EQUILÍBRIO DO MÉTODO DOS ELEMENTOS FINITOS PARA PEQUENOS DESLOCAMENTOS (DESLOCAMENTOS INCREMENTAIS)...............................80

3.2 EQUAÇÃO DE EQUILÍBRIO DO MÉTODO DOS ELEMENTOS FINITOS PARA GRANDES DESLOCAMENTOS (FORMULAÇÃO LAGRANGEANA TOTAL)............................84

3.2.1 DISCRETIZAÇÃO UTILIZANDO ELEMENTOS FINITOS PARA MODELOS BIDIMENSIONAL E AXISSIMÉTRICO .........................................................................................89

3.3 INTEGRAÇÃO NUMÉRICA DAS INTEGRAIS DEFINIDAS NA EQUAÇÃO DO MÉTODO DOS ELEMENTOS FINITOS ............................................................................................................110

4 PLASTICIDADE............................................................................................................................117

4.1 LEI DE ESCOAMENTO PLÁSTICO PARA MATERIAIS ISOTRÓPICOS.........................118 4.2 EFEITO DE BAUSCHINGER.................................................................................................127 4.3 CRITÉRIO DE ESCOAMENTO DE VON MISES.................................................................134 4.4 CRITÉRIO DE ESCOAMENTO DE MOHR-COULOMB .....................................................141 4.5 RELAÇÕES INCREMENTAIS TENSÃO-DEFORMAÇÃO .................................................146

ÍNDICE

vii

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4.6 MATRIZ CONSTITUTIVA ELASTO-PLÁSTICA DO CRITÉRIO DE ESCOAMENTO DE VON MISES........................................................................................................................................157 4.7 MATRIZ CONSTITUTIVA ELASTO-PLÁSTICA DO CRITÉRIO DE ESCOAMENTO DE MOHR-COULOMB ............................................................................................................................162 4.8 IMPLEMENTAÇÃO NUMÉRICA DAS RELAÇÕES INCREMENTAIS TENSÃO-DEFORMAÇÃO EM REGIME ELASTO-PLÁSTICO......................................................................165

5 INTERAÇÃO SOLO-DUTO.........................................................................................................175

5.1 INTERAÇÃO SOLO DUTO – DIREÇÃO AXIAL.................................................................176 5.2 INTERAÇÃO SOLO DUTO – DIREÇÃO TRANSVERSAL.................................................180 5.3 INTERAÇÃO SOLO DUTO – DIREÇÃO VERTICAL .........................................................190 5.4 INTERAÇÃO SOLO DUTO – ENTERRAMENTO NATURAL ...........................................197 5.5 FORMULAÇÃO DE ELEMENTOS FINITOS DE INTERFACE PARA CONSIDERAÇÃO DE DESCONTINUIDADES...............................................................................................................199

5.5.1 COMPORTAMENTO FÍSICO DE UMA INTERFACE.................................................201 5.5.2 COMPORTAMENTO FÍSICO DA INTERFACE – DIREÇÃO NORMAL...................202 5.5.3 LEI CONSTITUTIVA PARA INTERAÇÃO SOLO–DUTO NA DIREÇÃO NORMAL AO CONTATO ................................................................................................................................210 5.5.4 COMPORTAMENTO FÍSICO DA INTERFACE NA DIREÇÃO TANGENCIAL.......228

6 ESFORÇO AXIAL EFETIVO......................................................................................................238

6.1 EQUAÇÃO DO ESFORÇO AXIAL EFETIVO EM DUTOS .................................................239 6.2 EQUAÇÃO DO ESFORÇO AXIAL EFETIVO MÁXIMO ....................................................244

6.2.1 TENSÕES EM TUBOS DE PAREDE ESPESSA ...........................................................244 6.2.2 ESFORÇO AXIAL EFETIVO ANCORADO – PRESSÕES INTERNA E EXTERNA APLICADAS SIMULTÂNEAMENTE ...........................................................................................247 6.2.3 ESFORÇO AXIAL EFETIVO ANCORADO – PRESSÕES INTERNA E EXTERNA APLICADAS EM INSTANTES DIFERENTES .............................................................................248

6.3 DISTRIBUIÇÃO DO ESFORÇO AXIAL EFETIVO EM DUTOS ........................................250 6.3.1 ESFORÇO AXIAL EFETIVO EM DUTOS RETOS.......................................................250 6.3.2 ESFORÇO AXIAL EFETIVO EM DUTOS COM ALÇAS DE DEFORMAÇÃO.........253

6.4 VALIDAÇÃO DO MODELO NÃO-LINEAR FÍSICO GEOMÉTRICO IMPLEMENTADO NO AEEPECD ....................................................................................................................................257

6.4.1 VALIDAÇÃO DO MODELO NUMÉRICO PARA AS PRESSÕES INTERNA E EXTERNA .......................................................................................................................................260 6.4.2 VALIDAÇÃO DO MODELO NUMÉRICO PARA DUTOS COM CARREGAMENTOS TÉRMICO E PRESSÃO INTERNA...............................................................................................276

7 MODOS DE FALHA E ESTADOS LIMITES EM DUTOS AQUECIDOS .............................283

7.1 FLAMBAGEM LOCAL ..........................................................................................................285 7.1.1 FLAMBAGEM LOCAL DEVIDO A FLEXÃO PURA .................................................285 7.1.2 FORMULAÇÕES UTILIZADAS EM PROJETOS DE DUTOS ....................................294 7.1.3 EXPRESSÕES PARA A DETERMINAÇÃO DA DEFORMAÇÃO (CURVATURA) AXIAL CRÍTICA.............................................................................................................................297 7.1.4 DEFORMAÇÃO (CURVATURA) AXIAL CRÍTICA – FATORES CHAVE ...............309

7.2 FADIGA ...................................................................................................................................315 7.2.1 CURVAS DE FADIGA....................................................................................................316

7.3 FRATURA E COLAPSO PLÁSTICO .....................................................................................323

8 METODOLOGIA DE ANÁLISE E RESULTADOS..................................................................325

viii

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8.1 PROPRIEDADES UTILIZADAS............................................................................................326 8.2 CARREGAMENTO E CONDIÇÕES DE CONTORNO ........................................................332 8.3 INTERAÇÃO SOLO-DUTO ...................................................................................................340 8.4 MODELOS DE ELEMENTOS FINITOS................................................................................354 8.5 ESTADOS LIMITES CONSIDERADOS................................................................................358

8.5.1 FLAMBAGEM LOCAL DE PAREDE............................................................................358 8.5.2 FADIGA (TERMOMECÂNICA) ....................................................................................364

8.6 DUTO SOBRE O PISO MARINHO........................................................................................367 8.6.1 VALIDAÇÃO DO MODELO NUMÉRICO ...................................................................369 8.6.2 DETERMINAÇÃO DO COMPRIMENTO DE EXPANSÃO TÉRMICO (CET) MÁXIMO.........................................................................................................................................383 8.6.3 SIMULAÇÃO DO COMPORTAMENTO ESTRUTURAL DE DUTOS AQUECIDOS SUBMETIDOS A CARREGAMENTOS CÍCLICOS .....................................................................385

8.7 FORMAS DE CONTROLE DA FLAMBAGEM TERMOMECÂNICA ................................447 8.7.1 SERPENTEAMENTO “SNAKE-LAY” ..........................................................................447 8.7.2 INTERFERÊNCIAS VERTICAIS...................................................................................449 8.7.3 FLUTUADORES PERMANENTES “DISTRIBUTED BUOYANCY” .........................450

9 CONCLUSÕES E RECOMENDAÇÕES.....................................................................................483

BIBLIOGRÁFIA....................................................................................................................................488

ANEXO A (NOTAÇÃO UTILIZADA) ................................................................................................501

ANEXO B - CAMPOS DE DESLOCAMENTOS E DEFORMAÇÕES PARA ELEMENTO DE CONTÍNUO E CONTATO TRIDIMENSIONAIS .............................................................................505

B.1 ELEMENTO DE CONTÍNUO TRIDIMENSIONAL..........................................................505 B.2 ELEMENTO DE INTERFACE TRIDIMENSIONAL.........................................................511

ANEXO C - FLUXOGRAMAS DE ALGORITMOS NUMÉRICOS...............................................518

C.1 FLUXOGRAMA PARA CORREÇÃO DO TENSOR DE TENSÕES PELA TEORIA DA PLASTICIDADE NO ELEMENTO DE CONTÍNUO .......................................................................518 C.2 FLUXOGRAMA CORREÇÃO DA TENSÃO NORMAL NO ELEMENTO DE INTERFACE .......................................................................................................................................522 C.3 FLUXOGRAMA CORREÇÃO DA TENSÃO TANGENCIAL NO ELEMENTO DE INTERFACE .......................................................................................................................................527

ANEXO D (APLICAÇÃO DE FORMULAÇÕES ANALÍTICAS NO ESTUDO DE FLAMBAGEM GLOBAL DE DUTOS AQUECIDOS) .................................................................................................531

D.1 INTRODUÇÃO........................................................................................................................531 D.2 MÉTODO ANALÍTICO (KERR/HOBBS)..............................................................................534 D.3 MÉTODO ANALÍTICO (KERR/HOBBS) – EQUAÇÕES PARA FLAMBAGEM VERTICAL (“UPHEAVAL BUCKLING”) ............................................................................................................536 D.4 MÉTODO ANALÍTICO (KERR/HOBBS) – EQUAÇÕES PARA FLAMBAGEM LATERAL (“LATERAL BUCKLING/ SNAKING”) ...........................................................................................550 D.5 MÉTODO ANALÍTICO (KERR/HOBBS) – EQUAÇÕES PARA FLAMBAGENS LATERAL E VERTICAL PARA DUTOS PRÓXIMOS À RESTRIÇÕES .........................................................567

ix

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NOMENCLATURA

Letras romanas maiúsculas

As – Área da seção transversal do duto

Alat – Área de contato solo-duto por unidade de comprimento

[A] - Matriz que relaciona o tensor de deformações as derivadas dos deslocamentos

nodais

[B] - Matriz que relaciona o tensor de deformações aos deslocamentos nodais

CET – Comprimento de expansão térmica

[D] - Matriz constitutiva elástica

[D]ep - Matriz constitutiva elasto-plástica

[DH] - Matriz de derivadas das funções de interpolação para os deslocamentos

De – Diâmetro externo do duto

E - Módulo de elasticidade

Faxi – Reação axial máxima do solo por unidade de comprimento

Flat – Reação lateral máxima do solo por unidade de comprimento

G - Módulo de cisalhamento

[H] - Matriz de funções de interpolação para os deslocamentos

I – Momento de inércia da seção transversal do duto

J2 - Segundo invariante de tensões desviatórias

J3 - Terceiro invariante de tensões desviatórias

[J] - Matriz jacobiana

[KU] - Matriz de rigidez para pequenos deslocamentos

Lb – Comprimento da meia onda mais significativa do trecho fletido do duto

M – Momento fletor befN – Esforço axial efetivo no trecho fletido do duto

oefN – Esforço axial efetivo no trecho ancorado do duto

efN – Esforço axial efetivo

Ni - o de interpolação do nóFunçã i

Y,

Su – Resistência não-drenada do solo

SX, S SZ - Tensões desviatórias

x

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SMYS – Tensão mínima de escoamento

{U} - Vetor de deslocamentos nodais

Ws – Peso submerso do duto por unidade de comprimento

X, Y - Coordenadas cartesianas

Letras romanas minúsculas

{a} - Gradiente da função de escoamento

c - Coesão

{d} - Vetor de deslocamentos nodais

f - Função de escoamento

fo – Ovalização da seção do duto.

pi – Pressão interna

pe – Pressão externa

pc – Pressão de colapso à pressão externa.

{t} - Vetor de forças superficiais

t – Espessura da parede do duto

tcorr – Espessura de corrosão

t2 = (t - tcorr ) – Espessura de parede corroída do duto

u - Deslocamento na direção X

v - Deslocamento na direção Y

Letras Gregas

∆θ - variação ou gradiente de temperatura

{ snd∆ }

- Vetor de deslocamentos nodais relativos no elemento de contato

α - Coeficiente de expansão térmica do material do duto

µL - Coeficiente de atrito lateral solo-duto

µa - Coeficiente de atrito axial solo-duto

{ε} - Vetor de deformações totais

{ }pε - Vetor de deformações plásticas

xi

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{ }θε - Vetor de deformações térmicas

{ }oε - Vetor de deformações iniciais

τ

γ – Coeficiente de segurança parcial para deformação

γf – Coeficiente de segurança parcial para carga funcional

γm – Coeficiente de segurança parcial para do material

γp – Coeficiente de segurança parcial para carregamento de pressão

γc – Coeficiente de segurança parcial para condição de aplicação de carga

γ

αgw

αu

αa

α

εc

εd

εf

ϕ - Ângulo de atrito

η , ξ - Coordenadas naturais

ν - Coeficiente de Poisson

θ - Ângulo de lode

ρ - Massa específica

{σ} - Vetor de tensões totais cnσ - Tensão normal no elemento de contato

c - Tensão tangencial no elemento de contato sσ

- Tensão tangencial

W - Peso de Gauss

ε

sc

– Fator de solda

– Coeficiente de segurança parcial para classe de segurança

– Fator de correção para propriedades do material

– Fator de correção para anisotropia do material (direção axial)

fab

– Deformação axial crítica (flambagem local)

– Fator de correção para processo de fabricação do material

– Deformação axial máxima de projeto (flambagem local)

– Deformação axial máxima admissível (flambagem local)

xii

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Superescritos

- Elemento

p - Elasto-plástico

- Linear ou elástico

- Não drenado

- Transposto

ubscritos

, 2, 3, - Eixos cartesianos (coordenadas retangulares)

- radial θ - circunferêncial

ímbolos

} - Vetor coluna

⎦ - Vetor linha

] - Matriz

- Operador gradiente

∇2

ou incremental

e e e u T S 1 r

S { ⎣ [ ∇

- Operador Laplaciano

∆ - Variação temporal

∆ - Variação espacia l

• - Produto escalar

xiii

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1 INTRODUÇÃO

1.1 MOTIVAÇÃO

Em janeiro de 2000 ocorreu um acidente ambiental na Baía da Guanabara no estado do

Rio de Janeiro, gerando um vazamento de cerca de 1,29 milhões de litros de óleo.

Apesar de não ter sido em volume um dos grandes acidentes com vazamento de óleo na

indústria do petróleo, o mesmo repercutiu negativamente para imagem da empresa, por

ter ocorrido numa região de alta densidade populacional.

O vazamento foi causado por uma fratura no duto que ligava a refinaria Duque de

Caxias (REDUC) à um terminal na ilha d’agua também na Baía de Guanabara. A

fratura no duto PE-2 ocorreu devido ao fenômeno de flambagem termomecânica. A

flambagem termomecânica foi gerada pelo aquecimento e pressurização do duto,

causando uma alça de deformação ao longo de um trecho na saída do canal entre a

REDUC e a Baía da Guanabara (Figura 1.1). A flexão excessiva na alça de deformação

propiciou as condições para a ocorrência da flambagem local da parede por excesso de

deformações plásticas e conseqüente ruptura (Figura 1.2).

Durante o acidente coube ao centro de Pesquisas da PETROBRAS (CENPES) efetuar

uma avaliação das causas do acidente (COSTA,2000c) e fornecer à PETROBRAS as

especifícações técnicas para que acidentes desse tipo não ocorressem novamente.

Durante este processo foi verificado que outro duto também na Baía de Guanabara

(PE-1), tinha condições para gerar o mesmo tipo de acidente. Para garantir a sua

integridade e o escoamento da REDUC foi necessário um grande esforço de diversas

equipes da PETROBRAS. Para tanto, foram mobilizados sem medir esforços, equipe e

equipamentos necessários para monitorar em tempo real o duto, além de uma série de

simulações numéricas para limitar a temperatura e pressão máximas que o duto poderia

operar de forma segura. Em 2004 o duto PE-1 foi substituído pelo duto PE-3, projetado

utilizando o conceito de geometria em ZIG-ZAG (COSTA, 2002a) complacente com a

1

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expansão térmica do duto. O objetivo desta solução não é evitar a flambagem, mas sim

controlar seus efeitos limitando a expansão térmica de cada alça de deformação

formada.

Figura 1.1- Deformada do solo empurrado pelo duto PE-II após

o acidente de janeiro de 2000 na Baía de Guanabara

2

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Figura 1.2 – Seção do duto PE-II com fratura

causada por flambagem local de parede

Em função da importância do problema de flambagem termo-mecânica de dutos na

indústria do petróleo, em geral, e principalmente na PETROBRAS, decidiu-se, por

recomendação do meu orientador Álvaro Maia da Costa, a implementação da

formulação Lagrangeana Total no simulador AEEPECD (COSTA,1984), programa por

ele desenvolvido durante a suas teses de mestrado e doutorado, e largamente utilizado

em vários projetos na PETROBRAS.

O fenômeno de flambagem termo-mecânica de dutos aquecidos, após o acidente da Baia

de Guanabara, associado à grande complexidade de seu tratamento científico, tornou-se

vetor de motivação para o desenvolvimento desta tese de doutorado. A nível mundial o

ma dutos aquecidos passou a fazer parte substancial de trabalhos publicados

ostrando a importância científica do fenômeno. Ao mesmo tempo outros projetos na

ndaram esse tipo de conhecimento como por exemplo o projeto do

lano diretor de escoamento e tratamento da Bacia de Campos (PDET), que envolve a

onstrução de uma série de plataformas marítimas (P51, P52, P53, P54, etc...), e de

de flambagem termomecânica. Dutos submarinos aquecidos sob elevadas lâminas

te

m

PETROBRAS dema

p

c

todos os equipamentos submarinos necessários para escoar o óleo e gás produzido.

Dentro deste projeto existem inúmeros dutos submarinos submetidos à elevadas

pressões e temperaturas (HP-HT), que sem o conhecimento adquirido e aperfeiçoado

após o acidente com o duto PE-II, não seriam dimensionados considerando o problema

3

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d’agua apresentam uma série de particularidades que tornam o seu dimensionamento

um importante tema de pesquisa atualmente.

imensionamento muito severas,

nvolvendo em geral deformações acima do limite de escoamento do material, como

senvolvido originalmente para a

ambagem térmica lateral de trilhos de trens (KERR,1978), posteriormente adaptado

imperfeições, tensões

iciais, plasticidade, efeito da pressão interna, etc....

o itindo

isualizar as principais variáveis que influenciam o processo de flambagem

rmomecânica. Porém para simular um fenômeno com tantas complexidades, a

1.2 HISTÓRICO

Dutos submarinos sob elevadas lâminas d’agua são em geral lançados diretamente sobre

o piso marinho. No caso particular de dutos com elevadas temperaturas e pressões o

processo de flambagem é inevitável, devendo-se conviver com ele. A ocorrência de

flambagem termomecânica impõe condições de d

e

será visto ao longo deste trabalho.

O estudo do fenômeno de flambagem termomecânica teve início através de

metodologias analíticas num trabalho clássico de

fl

por HOBBS (1981a,1981b) para o estudo específico de flambagem em dutos aquecidos.

Vários outros modelos analíticos para a flambagem de dutos aquecidos foram sendo

desenvolvidos incorporando sofisticações (FREDERIKSEN et al.,1998, KYRIAKIDES

et al.,1988, PENDERSEN et al.,1985) como: existência de

in

Os m delos analíticos são extremamente úteis em avaliações rápidas perm

v

te

utilização de modelos numéricos torna-se essencial.

Apesar de existirem várias ferramentas numéricas na atualidade capazes de simular de

um modo geral o comportamento de dutos aquecidos (ANSYS,ABAQUS entre outros),

os critérios para avaliar a integridade estrutural são relativamente recentes, sendo um

tema de pesquisa bastante explorado pela indústria do petróleo.

4

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1.2.1 HISTÓRICO DO ESTADO LIMITE DE FLAMBAGEM LOCAL

O estado limite de flambagem local é baseado em expressões para determinar a

eformação axial crítica . Muita pesquisa tem sido realizada nas últimas décadas para a

xpressões posteriores (SHERMAN,1976, MURPHY-LANGNER, 1985, STEPHENS

spersão nos

sultados.

ma variação desta expressão é utilizada na norma DNV

S-F101 (2000), onde é proposta a sua utilização para todos os tipos de materiais

mitando-se apenas a sua aplicabilidade à faixa D/t entre 10 e 45. Outra expressão

considerando o efeito da pressão foi a desenvolvida por GRESNIT (1986).

d

determinação de expressões fechadas, baseadas em experimentos em escala real e mais

recentemente em análises numéricas. Atualmente existem várias expressões propostas

na literatura técnica para o cálculo da deformação axial crítica, porém nem sempre

fornecendo bons resultados para todos os tipos de geometria e carregamentos impostos.

A primeira expressão para o cálculo da deformação axial crítica, é a clássica expressão

para flambagem local elástica em estruturas tubulares (COLUMN RESEARCH

COUNCIL,1966), que fornece um ajuste muito fraco com resultados experimentais

(DOREY,2001), por não considerar o comportamento real plástico do fenômeno.

E

et al.,1991), foram obtidas a partir de ajustes de ensaios experimentais para as mais

diferentes condições de carregamento, material, Geometria (D/t), fornecendo um leque

de diferentes expressões. Todas as expressões citadas são funções não lineares da

relação Diâmetro/espessura (D/t), porém sem a presença de características importantes

do fenômeno como; encruamento do material, efeito da pressão interna, imperfeição

inicial entre outros fatores. Intrinsecamente os fatores citados são considerados nos

ajustes, pois estão presentes nos testes experimentais realizados, mas não são

mensuráveis nas expressões citadas podendo introduzir uma grande di

re

Posteriormente expressões mais sofisticadas foram sendo desenvolvidas para a

deformação axial crítica como a desenvolvida por VITALI et al. (1999), que além da

relação D/t, considera os efeito da pressão interna e encruamento do material. Esta

equação foi desenvolvida numericamente no projeto multicliente HOTPIPE,

particularmente para aço X65. U

O

li

5

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Recentemente vários trabalhos (DOREY, 2001a, MOHAREB, DINOVITZER e

MITH,1998, DINOVITZER et al.1999) vem sendo desenvolvidos com o objetivo de

mportante lacuna a ser vencida.

tilização das curvas SN para fadiga de alto

mbagem lateral de dutos. O estudo mostrou ser possível

xtrapolar as curvas SN existentes para fadiga de alto ciclo, para um número de ciclos

ente baixos (até 100), abrangendo desta forma a região de interesse

um duto devido aos ciclos de temperatura

o as curvas SN, desde que as variações de

S

aperfeiçoar as expressões existentes, tentando incorporar efeitos ainda não

completamente compreendidos na iniciação do processo de flambagem local de parede,

como o efeito de tensões residuais na região da solda, imperfeições locais, variações nas

propriedades do material etc...

1.2.2 HISTÓRICO DE ESTADO LIMITE DE FADIGA

As curvas de fadiga SN existentes atualmente são obtidas a partir de testes com baixa

variação de tensões e grande número de ciclos (>10000), originando o nome de fadiga

de alto ciclo. Curvas de fadiga específicas para a região de interesse de flambagem

termomecânica, com variações de tensões superiores ao limite de escoamento do

material, ainda não existem, sendo uma i

Nos dois últimos anos uma série de testes experimentais tem sido realizada no TWI

(The Welding Institute) (CARR,2004j) como parte do projeto multicliente SAFEBUCK,

com o objetivo de verificar a validade de u

ciclo, no caso específico de fla

e

relativam

(CARR,2004b), para fadiga termomecânica em dutos submarinos. O estudo mostrou

também existir um grande conservadorismo na utilização das curvas de fadiga SN, para

o caso com altas variações de tensões.

Desta forma a verificação da vida à fadiga de

e pressão, pode em geral ser feito utilizand

tensões tenham comportamento elástico.

6

Page 20: CENTRO DE PESQUISAS E DESENVOLVIMENTO … para anÁlise e projeto de dutos submarinos submetidos a altas pressÕes e temperaturas via aplicaÇÃo do mÉtodo dos elementos finitos

Além das curvas de fadiga SN serem obtidas a partir de ensaios para fadiga de alto

ciclo, outros fatores são particularmente importantes para vida à fadiga em dutos

quecidos, podendo-se citar:

fadiga com a

mperatura é esperada devido à redução no módulo de elasticidade do material.

efeito de ambientes agressivos é provavelmente o principal a ser considerado na

egradação da vida a fadiga em dutos submarinos. A existência de H2S e CO2 pode

fetar severamente a vida à fadiga dependendo das concentrações existentes. Existem

oucos estudos sobre o efeito de ambientes agressivos podendo-se ressaltar o trabalho

pioneiro de VOSIKOVSKY (1983) para diferentes concentrações de H2S, onde é

utras pesquisas com

iferentes concentrações de H2S e CO2, no ar e ambiente marinho obtiveram reduções

a

- efeito de temperaturas elevadas.

- efeito de deformações plásticas residuais.

- efeito de ambientes agressivos.

No JIP SAFEBUCK foi verificado uma redução da vida a fadiga de até 1,3 vezes para

testes realizados com temperaturas entre 25 e 146 oC. A redução na vida a

te

O efeito de deformações plásticas residuais pode ser benéfico ou não, caso seja de

compressão ou tração. A verificação do efeito de deformações residuais é importante, já

que durante a flambagem termomecânica são impostas deformações plásticas ao duto.

Outra fonte de deformação plástica residual em dutos submarinos, pode ser gerada

durante o processo de lançamento caso seja utilizado o método de “reel”. No projeto

multicliente SAFEBUCK foram verificados a performance à fadiga, considerando

deformações plásticas residuais de tração e compressão da ordem de 2%.

O

d

a

p

proposta uma lei para o crescimento de falha para fadiga. O

d

na vida à fadiga de 10 a 50 vezes (BUITRAGO,2002, SZKLARZ,2000,

WEBSTER,1985, BRISTOL,1975).

7

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1.2.3 HISTÓRICO DE CÓDIGOS DE DIMENSIONAMENTO

Grandes investimentos em pesquisa têm sido feitos no estudo dos principais modos de

falha em dutos, através de projetos multiclientes financiados por empresas ligadas à

dústria do petróleo.

namento destes códigos é o

atamento de linhas de escoamento como vasos de pressão, limitando a tensão

lançou um novo código para dutos submarinos completamente

formulado baseado em recomendações do projeto multicliente SUPERB, utilizando a

menores em relação à metodologia tradicional

aseada em tensões admissíveis. O dimensionamento via estado limite com coeficientes

m 2000 a DNV lançou seu código atual para dutos rígidos submarinos (DNV OS-

in

O primeiro código de projeto utilizado para dutos foi lançado nos Estados Unidos em

1926 com o ASME B31, seguido pelos códigos ASA/ASME B31.8 (“Gás Transmission

and Distribution Piping Systems”) e B31.4 (“Oil Transportation Piping”), ambos do

início de 1950. A principal característica de dimensio

tr

circunferêncial (“hoop stress”) como uma fração da tensão de escoamento do material.

A primeira edição de uma norma lançada pela DNV especificamente para dutos

submarinos ocorreu em 1976, onde a seção de projeto foi baseada essencialmente no

código ASME. A segunda norma lançada pela DNV para dutos rígidos submarinos é de

1981, atualizando a anterior, porém mantendo a metodologia básica de

dimensionamento limitando a tensão máxima admissível.

Em 1996 a DNV

re

metodologia de dimensionamento de estado limite. A metodologia de projeto baseada

em estados limites permite uma confiabilidade maior em projetos especiais permitindo a

utilização de coeficientes de segurança

b

de segurança bem calibrados, permite maior flexibilidade no dimensionamento de dutos

submarinos submetidos a situações especiais, como é o caso de uma flambagem

termomecânica.

E

F101). Este código baseou-se no projeto multicliente HOTPIPE, mantendo a filosofia de

dimensionamento via estados limites.

8

Page 22: CENTRO DE PESQUISAS E DESENVOLVIMENTO … para anÁlise e projeto de dutos submarinos submetidos a altas pressÕes e temperaturas via aplicaÇÃo do mÉtodo dos elementos finitos

Existem vários outros códigos que podem ser utilizados no dimensionamento de dutos,

odendo-se citar entre os mais conhecidos o API-1111 (1999), o britânico BS8010

os citados os dois códigos

ais utilizados na atualidade pela indústria de petróleo são os API e DNV.

avaliar o comportamento de dutos aquecidos com

ambagem termomecânica.

o longo deste trabalho os capítulos apresentados abordam aspectos ligados ás

odelos implementados, o comportamento de dutos aquecidos

bmarinos submetidos à variações cíclicas de temperatura e pressão. Pretende-se

e será analisado utilizando o critério de

-se mostrar que o dimensionamento de dutos submarinos submetidos à elevadas

ressões e temperaturas em águas profundas só é viável utilizando o critério de

modelos convencionais de dimensionamento.

p

(1993) e o Canadense CAN/CSA Z662 (1999). Entre os códig

m

Os avanços feitos em termos do conhecimento dos estados limites de dimensionamento

em dutos submarinos são objeto atualmente de outro projeto multicliente chamado

SAFEBUCK, que tem como objetivo

fl

1.3 OBJETIVOS E ESTRUTURAÇÃO DO TRABALHO

A

implementações feitas no programa AEEPECD, assim como temas relevantes no

comportamento de dutos aquecidos.

Será analisado com os m

su

estudar os estados limites de flambagem local de parede e fadiga, dando especial

atenção aos modelos para interação solo-duto e suas conseqüências no comportamento

estrutural do duto.

O estado limite de flambagem local de pared

deformações admissíveis, que proporciona um ganho substancial em relação ao critério

tradicional de tensões admissíveis ou esforços solicitantes permitindo a ocorrência de

deformações plásticas.

Pretende

p

deformações admissíveis, por outro lado também será mostrado que a sua utilização só é

possível com um nível de refinamento do modelo a ser utilizado bem superior aos

9

Page 23: CENTRO DE PESQUISAS E DESENVOLVIMENTO … para anÁlise e projeto de dutos submarinos submetidos a altas pressÕes e temperaturas via aplicaÇÃo do mÉtodo dos elementos finitos

No Capítulo 2 é feita uma revisão dos conceitos de mecânica do contínuo, mostrando as

medidas de tensão e deformações mais apropriadas para a análise de problemas com

ão-linearidade geométrica. Também são apresentadas as equações com estas medidas

uações do método dos elementos finitos (MEF) para pequenos

eslocamentos existente no AEEPECD. Posteriormente é mostrado o sistema matricial

ão do modelo com encruamento

otrópico clássico, visando evitar a ocorrência de plasticidade cíclica com acúmulo de

a aplicação simultânea e em instantes diferente das

ressões externa e interna, para considerar o efeito do processo de lançamento. Por

n

de tensão/deformação utilizadas na implementação numérica do método dos elementos

finitos.

No Capítulo 3 são apresentados os elementos de contínuo e interface utilizados e o

sistema matricial de eq

d

de equações implementado neste trabalho utilizando a formulação Lagrangeana Total.

No Capítulo 4 é feita uma revisão dos conceitos referentes à teoria da plasticidade para

as envoltórias de Mohr-Coulomb e von Mises. Os modelos utilizados no AEEPECD são

descritos mostrando-se as limitações e faixa de aplicaç

is

deformações plástica.

O Capítulo 5 aborda aspectos relativos à interação solo-duto, mostrando uma revisão

das principais expressões utilizadas, como as suas limitações. São descritas as leis

constitutivas existentes e implementadas no elemento de interface para representar a

interação solo-duto. Por fim são feitos testes para verificar o comportamento das leis

constitutivas implementadas no programa AEEPECD.

No Capítulo 6 são mostrados os conceitos relativos ao esforço axial efetivo, que

comanda o processo de flambagem termomecânica, mostrando a influência dos

carregamentos de temperatura e pressão. São apresentadas expressões para o esforço

axial efetivo máximo, considerando

p

último são comparados os resultados do modelo implementado com os obtidos com o

ABAQUS para os carregamentos de pressão e temperatura.

No Capítulo 7 é feita uma revisão dos principais aspectos relativos aos estados limites

de flambagem local de parede e fadiga para dutos aquecidos. São mostradas as

10

Page 24: CENTRO DE PESQUISAS E DESENVOLVIMENTO … para anÁlise e projeto de dutos submarinos submetidos a altas pressÕes e temperaturas via aplicaÇÃo do mÉtodo dos elementos finitos

principais normas existentes para dutos submarinos, sendo feitas comparações e análises

críticas das expressões fornecidas.

O Capítulo 8 apresenta inicialmente uma validação do modelo de interação solo-duto

anteriores. Os modelos

plementados são utilizados com o objetivo de estudar o comportamento estrutural do

aso analisado frente aos estados limites vistos no Capítulo 7. Especial atenção é dada

os modelos para representar a interação solo-duto no comportamento de dutos

bmetidos à carregamento cíclicos de aquecimento/pressurização e

esaquecimento/despressurização.

o Capítulo 9 são apresentadas as conclusões obtidas com os modelos e simulações

alizadas neste trabalho, sendo também apresentados lacunas e propostas de futuros

esenvolvimentos a serem abordados em pesquisas futuras.

aquecido através de comparações com a solução analítica de Hobbs e resultados do

ABAQUS. É feito um estudo de caso real através de uma série de simulações

envolvendo os conceitos abordados nos capítulos

im

c

a

su

d

N

re

d

11

Page 25: CENTRO DE PESQUISAS E DESENVOLVIMENTO … para anÁlise e projeto de dutos submarinos submetidos a altas pressÕes e temperaturas via aplicaÇÃo do mÉtodo dos elementos finitos

2 EQUAÇÕES PARA ANÁLISE NÃO-LINEAR DE MEIOS

CONTÍNUOS

.1 PRINCÍPIOS GERAIS DA MECÂNICA DO CONTÍNUO

os próximos itens são apresentadas (MALVERN, 1969, COSTA,1984) as equações

iferenciais, que expressam a conservação de massa e momento. Estas equações

iferenciais são obtidas das equações integrais de balanço que expressam os postulados

ndamentais da mecânica do contínuo. Também será apresentada a equação integral do

rincípio dos trabalhos virtuais, sobre a qual é desenvolvida a formulação numérica

tilizando o método dos elementos finitos.

O objetivo deste capítulo é apresentar os principais conceitos utilizados ao longo deste

trabalho, que serão necessários na solução de problemas envolvendo meios contínuos,

onde as não linearidades tanto física quanto geométrica sejam relevantes.

2

N

d

d

fu

p

u

12

Page 26: CENTRO DE PESQUISAS E DESENVOLVIMENTO … para anÁlise e projeto de dutos submarinos submetidos a altas pressÕes e temperaturas via aplicaÇÃo do mÉtodo dos elementos finitos

2.1.1 CONSERVAÇÃO DE MASSA (EQUAÇÃO DA CONTINUIDADE)

Considere um a superfície S

o instante t (Figura 2.1), se o corpo sólido é preenchido por uma material de densidade

(2.1)

endo a densidade dependente da posição e do tempo.

corpo de volume V fixo no espaço, limitado por um

n

ρ, a massa total deste corpo é dada por:

∫=V

dVM ρ

S

( )txxx ,,, 321ρρ = (2.2)

A taxa de variação da ada por:

massa total do corpo sólido, no volume V, é d

∫ ∂∂

=∂∂

V

dVtt

M ρ (2.3)

13

Page 27: CENTRO DE PESQUISAS E DESENVOLVIMENTO … para anÁlise e projeto de dutos submarinos submetidos a altas pressÕes e temperaturas via aplicaÇÃo do mÉtodo dos elementos finitos

Figura 2.1 – Volume de referência no espaço

O princípio da conservação da massa (MALVERN,1969), diz que nenhuma massa é

riada ou destruída, portanto, a taxa de variação da massa (equação 2.3) dentro do

volume V é igual ao fluxo de entrada menos o de saída do volum

fluxo de massa que sai através do elemento dS, em torno do ponto P (Figura 2.1), é

c

e V.

O

( )dSnvρ , sendo { } { }nTn vv = , onde { }v é o vetor de velocidades e { }n é a normal à

xterna da superfície dS. Logo a taxa de fluxo de entrada é dada por:

e

( ) { } { }∫∫ −=−S

T

Sn dSndS vv ρρ (2.4)

14

Page 28: CENTRO DE PESQUISAS E DESENVOLVIMENTO … para anÁlise e projeto de dutos submarinos submetidos a altas pressÕes e temperaturas via aplicaÇÃo do mÉtodo dos elementos finitos

Aplicando o teorema da divergência em (2.4):

{ } { } { } { }( )∫ •∇−= dVvρ ∫−VS

T dSnvρ (2.5)

A taxa de variação de massa (2.3), é igual a taxa de entrada de massa no volume V, ou

seja :

{ } { }( )∫∫ •∇−=∂∂

VV

dVdVt

vρρ (2.6)

ou:

{ } { }( ) 0v =⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ •∇+∂∂

∫V

dVt

ρρ (2.7)

Para que a equação (2.7) seja satisfeita no volume V, é necessário que o seu integrando

seja nulo em todos os seus pontos, ou seja :

{ } { }( ) 0v =•∇+∂∂ ρρ

t (2.8)

u em notação indicial no sistema de coordenadas cartesianas retangulares.

O

( )0

v=

∂∂

+∂∂

i

i

xtρρ (2.9)

Supondo o material do corpo sólido incompressível, a densidade do material permanece

constante nas vizinhanças da partícula conforme ela se move, e a equação (2.9) toma a

forma abaixo.

15

Page 29: CENTRO DE PESQUISAS E DESENVOLVIMENTO … para anÁlise e projeto de dutos submarinos submetidos a altas pressÕes e temperaturas via aplicaÇÃo do mÉtodo dos elementos finitos

0v

=∂∂

i

i

x (2.10)

ou:

0vvv3

3

2

2

1

1 =∂∂

+∂∂

+∂∂

xxx (2.11)

A condição de incompressibilidade (2.11), é de grande importância nas teorias da

hidrodinâmica clássica e plasticidade.

.1.2 CONSERVAÇÃO DE QUANTIDADE DE MOVIMENTO (EQUAÇÃO DO

MOVIMENTO)

princípio da conservação da quantidade de movimento postula que a taxa de variação

da quantidade de movi e partículas, é igual ao

matório das forças externas que nele agem (MALVERN,1969). Considere um corpo

ocupando um volume V, delimitado por uma superfície S,

jeito a ação de forças externas de volume

2

O

mento de um corpo sólido ou conjunto d

so

sólido instantaneamente

su { }dVbρ e de superfície { }dSf S (Figura

2.2). Sendo o campo de forças externas por uni{ }b dade de massa do corpo sólido, e

{ }Sf as forças de superfície por unidade de área do sólido deformado no instante t.

16

Page 30: CENTRO DE PESQUISAS E DESENVOLVIMENTO … para anÁlise e projeto de dutos submarinos submetidos a altas pressÕes e temperaturas via aplicaÇÃo do mÉtodo dos elementos finitos

Figura 2.2 – Volume de referência no espaço com forças externas aplicadas

Pelo princípio da conservação da qu

antidade de movimento.

{ } { } { }dVdtddVbdSf

VVS

S ∫∫∫ =+ vρρ (2.12)

ou, em notação indicial:

dVdtddVbdSf

VVi

S

Si ∫∫∫ =+ ivρρ (2.13)

temporal da

uantidade de movimento.

As forças de superfície na equação (2.13) são equilibradas pelas tensões internas no

ontorno do corpo sólido em análise.

Onde os termos do lado esquerdo da equação (2.13), representam as forças externas

aplicadas no corpo sólido e o termo do lado direito, a taxa de variação

q

c

17

Page 31: CENTRO DE PESQUISAS E DESENVOLVIMENTO … para anÁlise e projeto de dutos submarinos submetidos a altas pressÕes e temperaturas via aplicaÇÃo do mÉtodo dos elementos finitos

jjiS

i nf τ= , com i = j = 1,2,3 (2.14)

onde:

- Tensor de tensões de Cauchy

- Cossenos diretores da normal a área elementar dS.

jiτ

n j

Utilizando (2.14) em (2.13):

dVdtddVbdSn

VVi

Sjji ∫∫∫ =+ ivρρτ (2.15)

Aplicando o teorema da divergência ao primeiro termo do lado esquerdo da equação

(2.15), tem-se:

∫∫ ∂

∂=

V j

ji

Sjji dV

xdSn

ττ (2.16)

ubstituindo (2.16), em (2.15): S

dVdt

ddVbdV

x VVi

V j

ji ∫∫∫ =+∂

∂ ivρρ

τ (2.17)

ou:

0vi =⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−+

∂∫V

ij

ji dVdt

db

xρρ

τ (2.18)

de form assa, para que a equação (2.18) seja

tisfeita em qualquer o volume V, o seu integrado deve ser nulo, ou seja:

a semelhante a feita para conservação de m

sa

18

Page 32: CENTRO DE PESQUISAS E DESENVOLVIMENTO … para anÁlise e projeto de dutos submarinos submetidos a altas pressÕes e temperaturas via aplicaÇÃo do mÉtodo dos elementos finitos

0vi =−+

dtd

bx i

j

ji ρρτ

(2.19)

As equações acima, representam o balanço de momento de um dado corpo sólido. No

caso especial de problemas quase-estáticos, onde o termo de acelerações possa ser

desconsiderado, a equação (2.19) se reduz ao sistema de equações diferenciais de

quilíbrio, conforme mostrado abaixo.

e

0=+∂ Vji f∂ i

jxτ

(2.20)

nde , representa as forças volumétricas por unidade de volume na

configuração deformada do corpo sólido.

são conhecidas as variáveis estáticas e

étodo dos elementos finitos, será utilizada a

formulação Lagrangeana ou m terial, como será visto adiante. Será utilizado um

sistema cartesiano estacionário e uma configuração de referência conhecida para

expressar de forma mais conveniente as medidas de deformação e tensão no corpo

iV

i bf ρ=O

A equação do movimento de Cauchy (2.19), aplica-se a configuração deformada do

corpo sólido num instante t, onde não

cinemáticas, para a sua solução via m

a

sólido.

19

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2.1.3 PRINCÍPIO DOS TRABALHOS VIRTUAIS OU DESLOCAMENTOS

VIRTUAIS

O princípio variacional dos trabalhos virtuais estabelece o equilíbrio de corpos sólidos

eformáveis utilizando o princípio de conservação de energia. Deste modo o trabalho d

realizado pelas forças externas ( extWδ ), para um dado campo de deslocamentos

infinitesimais e estaticamente admi impostos à configuração deformada do corpo

lido num instante t, deve ser igual ao trabalho realizado pelas forças internas (

ssíveis

intWδsó ).

irtual realizado pelas forças externas de superfície e volume num instante t,

campo de deslocamentos infinitesimais estaticamente admissíveis, atuando

sobre o corpo sólido é dado por:

SttVt δδδ ∫∫ += (2.21)

(2.22)

integral de superfície em (2.22), é transformada numa integral de volume utilizando o

teorema da divergência.

O trabalho v

para um

SdufVdufW ti

Sii

Viext

t

Utilizando a equação (2.14) em (2.21), temos:

SdunVdufW ti

Sjji

tti

V

Vi

text

t

δτδδ ∫∫ +=

A

( )Vd

xu

xu

uSdun t

V jt

iji

t

jt

jit

iV

tt

iS

jjit

ttt∫∫∫ ⎟

⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

∂∂

+∂

∂=

∂=

δτ

τδ

δτδτ (2.23)

Vdx

t

jt

iji

Substituindo (2.23) em tem-se: (2.22), e reagrupando seus termos,

20

Page 34: CENTRO DE PESQUISAS E DESENVOLVIMENTO … para anÁlise e projeto de dutos submarinos submetidos a altas pressÕes e temperaturas via aplicaÇÃo do mÉtodo dos elementos finitos

Vdxu

Vdufx

W t

V jt

iji

tti

V

Vi

t

jt

jit

exttt∫∫ ∂

∂+⎟

⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+

∂=

δτδ

τδ (2.22)

a equação de equilíbrio (2.20):

D

0=+∂

∂ Vi

t

jt

jit

fxτ

(2.23)

De (2.23), em (2.22), chega-se a:

Vdxu

W t

V jt

iji

text ∫ ∂

= τδ (2.24)

O termo dependente do campo de deslocamentos virtuais imposto, pode ser decomposto

como:

t

∂δ

ijtijtj

onde:

ti e

xu

ωδδδ

+=∂∂

(2.25)

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

∂∂

+∂∂

=i

tj

jt

iijt x

uxue

δδδ21

e

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

∂∂

−∂∂

=i

tj

jt

iijt x

uxu δδωδ

21 (2.26)

Substituindo (2.25) em (2.24), e utilizando o fato de , pois o tensor é

simétrico e

0=ijtjit ωδτ ji

ijtωδ anti-simétrico, obtém-se:

21

Page 35: CENTRO DE PESQUISAS E DESENVOLVIMENTO … para anÁlise e projeto de dutos submarinos submetidos a altas pressÕes e temperaturas via aplicaÇÃo do mÉtodo dos elementos finitos

(2.27)

O termo do lado direito da equação (2.27) é o trabalho realizado pelas forças internas,

ficando demonstrado que

VdeW t

Vijtji

text

t∫= δτδ

intWWext δδ = . Assim a expressão do princípio dos trabalhos

virtuais é dada por:

(2.28)

Que expressa o equilíbrio de corpos sólidos deformáveis num instante t, para a sua

configuração deformada.

2.2 EQUAÇÃO DE EQUILÍBRIO PARA ANÁLISE INCREMENTAL

P

se e

ma formulação incremental para se descrever o seu movimento (BATHE,1996). O

ovimento do corpo sólido em análise (Figura 2.3) será descrito em relação a um

..., onde ∆t

o incremento de tempo utilizado. A solução no tempo t + ∆t, é obtida a partir da

onfiguração no tempo t, conhecida, obtendo-se o movimento das partículas do corpo

sólido em cada instante. Este da partícula do

orpo sólido do instante inicial até o final, é conhecida como formulação Lagrangeana

rial.

SdufVdufVde ti

S

Si

tti

V

Vi

tt

Vijtji

t

tt

δδδτ ∫∫∫ +=

ara se obter a solução de problemas não-lineares o equilíbrio do corpo em análise deve

r considerado na configuração deformada ou atual, sendo necessário lançar mão d

u

m

sistema cartesiano estacionário, assumindo a presença de grandes deslocamentos,

grandes deformações e relações constitutivas não lineares, abordando o problema da

forma mais genérica possível. Na estratégia de solução adotada, são obtidas as

configurações em equilíbrio do corpo sólido para os instantes 0, ∆t, 2∆t, 3∆t,

é

c

modo de descrever o movimento de ca

c

ou mate

22

Page 36: CENTRO DE PESQUISAS E DESENVOLVIMENTO … para anÁlise e projeto de dutos submarinos submetidos a altas pressÕes e temperaturas via aplicaÇÃo do mÉtodo dos elementos finitos

Outra

dos fluidos, onde o movimento das

artículas é acompanhado dentro de um volume de controle estacionário. Esta forma de

d

sário atualizar o volume de

ontrole utilizado devido às mudanças no contorno do corpo em análise.

forma de abordar o problema, seria através de uma descrição Euleriana do

movimento usualmente utilizada em mecânica

p

escrição do movimento das partículas é de difícil tratamento no caso de corpos sólidos

submetidos a grandes deslocamentos, pois seria neces

c

Figu árias em

diferentes instantes de seu movimento, quando submetido a grandes deslocamentos

s sólidos, utilizando a formulação Lagrangeana na

rma incremental, é necessário estabelecer o equilíbrio do corpo em estudo no instante

ra 2.3 – Corpo sólido referenciado num sistema de coordenadas estacion

Para análise do movimento de corpo

fo

t + ∆t (BATHE,1996, COSTA,1984), utilizando o princípio variacional dos trabalhos

virtuais, expressos em notação tensorial demonstrado no item 2.1.3, tem-se:

23

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RVde ttttijtt

Vij

tt

tt

∆+∆+∆+

∆+ =∫∆

nde:

+

δτ (2.29)

O

ijtt τ∆+ - Componentes do tensor de tensões de tensões de Cauchy (Força por unidade de

área, na geometria deformada do corpo sólido).

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

∂+

∂∂

= ∆+∆+∆+i

ttj

jtt

iijtt x

ux

ue

δδδ

21 - Componentes do tensor de deformações na

configuração deformada do corpo sólido, correspondente ao deslocamento virtual

posto. im

iuδ - Componentes do deslocamento virtual imposto na configuração deformada do

corpo sólido no instante t + ∆t.

nde:

- ado no

stante t + ∆t.

itt x∆+ - Componentes das coordenadas cartesianas do corpo sólido no instante t + ∆t.

Vtt ∆+ - Volume do corpo sólido no instante t + ∆t.

e

SdufVdufR ttSi

S

Si

tttti

V

Vi

tttt

ftttt

∆+∆+∆+∆+∆+ ∫∫∆+∆+

+= δδ (2.30)

O

Vi

tt f∆+ Componentes das forças volumétricas aplicadas no corpo sólido deform

in

24

Page 38: CENTRO DE PESQUISAS E DESENVOLVIMENTO … para anÁlise e projeto de dutos submarinos submetidos a altas pressÕes e temperaturas via aplicaÇÃo do mÉtodo dos elementos finitos

Si

tt f∆+ - Componentes das forças de superfície aplicadas no corpo sólido deformado no

instante t + ∆t.

ftt S∆+ - Superfície no instante t + ∆t, onde são aplicadas forças de superfície.

iSi uu δδ = - Calculado na superfície f

tt S∆+ (as componentes iuδ , são nulas na superfície

utt S∆+ , onde são prescritos deslocamentos).

Na equação (2.29), o lado esquerdo corresponde ao trabalho virtual realizado pelas

rças internas, enquanto o lado direito diz respeito ao trabalho realizado pelas forças

xternas. A equação (2.29) é análoga a sentença dos trabalhos virtuais para análise com

eslocamentos infinitesimais (pequenos deslocamentos). A diferença consiste na

plicação da sentença variacional dos trabalhos virtuais na configuração deformada do

orpo sólido no instante t + ∆t, para análise com deslocamentos finitos (grande

slocamentos).

enos deslocamentos, onde a configuração inicial pode ser utilizada.

este modo para a solução da equação (2.29), as medidas de tensão e deformação,

assim como as relações constitutivas, devem ser referenciadas a uma configuração

eométrica do corpo sólido conhecida.

este trabalho é utilizada a notação empregada na referência (BATHE,1996), que

ferência.

seguir são mostradas algumas medidas bastante utilizadas no desenvolvimento

fo

e

d

a

c

de

A principal dificuldade para a aplicação da equação (2.29), consiste no

desconhecimento da configuração geométrica do corpo sólido no instante t + ∆t, sendo

esta uma das principais diferenças em relação a equacão dos trabalhos virtuais para

análise com pequ

D

g

N

permite identificar de forma compacta as variáveis estáticas e cinemáticas

desconhecidas num determinado instante, medidas numa configuração conhecida de

re

A

numérico da equação (2.29), medidos num sistema de eixos coordenados cartesianos

25

Page 39: CENTRO DE PESQUISAS E DESENVOLVIMENTO … para anÁlise e projeto de dutos submarinos submetidos a altas pressÕes e temperaturas via aplicaÇÃo do mÉtodo dos elementos finitos

estacionário como mostrado na Figura 2.3, para a configuração geométrica indeformada

(inicial) do corpo sólido.

A descri , é feita

través das coordenadas de seus pontos materiais, que podem ser relacionadas aos

eslocamentos da seguinte forma.

entos ou

ateriais.

configuração do corpo sólido no instante t + ∆t é desconhecida, desse modo

grandeza ocorre, e o subscrito esquerdo indica a configuração em que

medida, temos:

∆+ VVV ttto ,,

ção do movimento do corpo sólido submetido a grandes deslocamentos

a

d

itt

io

itt uxx ∆+∆+ += (2.31)

it

io

it uxx += (2.32)

iit

itt uxx ∆+=∆+ (2.33)

Onde o superíndice esquerdo indica o instante, em que ocorrem os deslocam

coordenadas dos pontos m

Durante o movimento do corpo sólido, medidas como volume, área, densidade, estão

mudando continuamente, assim temos:

⎪⎪

∆+

∆+

SSS ttto

ttto

,,

,, ρρρ

Densidade, área e volume do corpo sólido nos instantes 0, t e t + ∆t

⎪⎪⎪

A

grandezas como forças aplicadas, tensões e deformações devem ser medidas em uma

configuração conhecida. Utilizando a notação onde o superscrito esquerdo indica o

instante no qual a

é

26

Page 40: CENTRO DE PESQUISAS E DESENVOLVIMENTO … para anÁlise e projeto de dutos submarinos submetidos a altas pressÕes e temperaturas via aplicaÇÃo do mÉtodo dos elementos finitos

3,2,1, =∆+∆+ iff Si

tto

Vi

tto

(Forças de volume e superfície no instante t + ∆t, m

Quando a grandeza ocorre num instante t + ∆t, sendo medida para a configuração deste

esmo instante, o subscrito esquerdo pode ser omitido. Para a tensão de Cauchy, temos:

a formulação da equação de equilíbrio, são utilizadas derivadas parciais, que

tilizando a mesma simbologia acima, podem ser escritas como:

edidas na configuração inicial)

m

3,2,1=== ∆+∆+∆+ jiij

ttij

tttt ττ

N

u

jo

itt

jitt

o xu

u∂∂

=∆+

∆+,

e

nttm

o

nmott x

xx ∆+∆+ ∂

∂=, (2.34)

.3 MEDIDAS DE DEFORMAÇÃO E TENSÃO DO CORPO SÓLIDO

eformações sejam relevantes, é necessário definir medidas de deformação e tensão

integral sobre um volume e área conhecidos,

ermitindo a decomposição incremental dos tensores de tensão e deformação de uma

forma efetiva para sua utilizaçã

tem várias medidas de tensão e deformação na literatura (BATHE,1996,

MALVERN,1969, NOVOZHILOV,1953) que poderiam ser usadas, mas para uma

2

Na análise do movimento de corpos sólidos onde o efeito de grandes deslocamentos e

d

adequadas para a implementação de uma solução numérica efetiva da equação (2.29).

As medidas de tensão e deformação do corpo sólido devem ser referenciadas a uma

configuração geométrica conhecida, de modo a expressar o princípio dos trabalhos

virtuais (2.29) em termos de uma

p

o no método dos elementos finitos.

Exis

27

Page 41: CENTRO DE PESQUISAS E DESENVOLVIMENTO … para anÁlise e projeto de dutos submarinos submetidos a altas pressÕes e temperaturas via aplicaÇÃo do mÉtodo dos elementos finitos

implementação numérica efetiva utilizando

algumas medidas de tensão e deformação mostram-se adequadas. A seguir serão

troduzidas as medidas de tensão e deformação utilizadas ao longo deste trabalho, que

cremental (BATHE,1996, COSTA,1984).

TENSOR GRADIENTE DE DEFORMAÇÃO

Considerando o corpo sólido mostrado na Figura 2.3 no instante t. Uma das medidas

mentais de deformação do corpo sólido, é dada pelo gradiente de deformação

id omo

o método dos elementos finitos, apenas

in

serão utilizadas no desenvolvimento das equações do método dos elementos finitos na

sua forma in

2.3.1

funda

defin o c :

[ ]

⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥

⎤⎡ ∂∂∂ xxx ttt

⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢

⎣ ∂∂

∂∂

∂∂

∂∂

∂∂

∂∂∂

=

3

3

2

3

1

3

3

2

2

2

1

2

3

1

2

1

1

1

xx

xx

xx

xx

xx

xx

xxx

X

o

t

o

t

o

t

o

t

o

t

o

t

ooo

to (2.35)

ou:

∂∂

[ ] { } { }( )TTto

to xX ∇= (2.36)

nde:

O

28

Page 42: CENTRO DE PESQUISAS E DESENVOLVIMENTO … para anÁlise e projeto de dutos submarinos submetidos a altas pressÕes e temperaturas via aplicaÇÃo do mÉtodo dos elementos finitos

{ }

⎪⎪⎪

⎪⎪⎪

∂∂

=∇

3

x

o

oo , e ⎪⎪⎪

⎪⎪⎪

∂∂

2

1

x

xo

⎫⎧ ∂

{ } { }321 xxxx ttTt = (2.37) t

ente o operador gradiente aplicado na configuração indeformada do

O gradiente de deformação descreve o alongamento e rotação que as fibras materiais do

o sólido sofrem entre os instantes inicial e t. Seja

São respectivam

corpo sólido, e as coordenadas dos pontos materiais do corpo sólido no instante t.

{ }xd ocorp o diferencial de uma fibra

do corpo sólido no instante inicial. Deste modo, o diferencia

no instante t (Figura 2.4), é dada por:

l da mesma fibra material

{ } [ ] { }xdXxd ott = (2.38) o

ou:

jo

jo

it

it xd

xxxd

∂∂

= (2.39)

Do mesmo modo, o diferencial da mesma fibra material no instante inicial (Figura 2.4),

dada por.

é

{ } [ ] { }xdXxd tot

o = (2.40)

ou

it

it

jo

j

xxd

∂=o xd

x∂ (2.41)

Pois ( )txxxxx oooi

ti

t ,,, 321= , ou ( )txxxxx ttti

oi

o ,,, 321=

A partir de (2.38) é possível obter medidas de deformação do corpo sólido, para

aplicação de problemas com grandes deslocamentos e deformações.

29

Page 43: CENTRO DE PESQUISAS E DESENVOLVIMENTO … para anÁlise e projeto de dutos submarinos submetidos a altas pressÕes e temperaturas via aplicaÇÃo do mÉtodo dos elementos finitos

igura 2.4 – Fibras materiais infinitesimais nos instantes inicial e t, em relação a um

sistemas de coordenad

F

as cartesiano estacionário

30

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2.3.2 TENSORES DE DEFORMAÇÕES DE GREEN-LAGRANGE E ALMANSI

tensores de deformação de Green-Lagrange ( ) e de Almansi ( ) (strain tensor),

são definido uadrado da variação do comprimento de uma fibra

ara o tensor de deformações de Green-Lagrange, tem-se:

ijt

oεAij

tt εO

s de modo a fornecer, o q

material infinitesimal do corpo sólido.

{ }xd o

P

( ) ( ) { } [ ] { }xdxdsdsd oto

Toot ε222=−

ou

(2.42)

de deformações de Almansi é definido como:

( ) ( ) jo

ijt

oioot xdxdsdsd ε222

=−

Enquanto que o tensor

( ) ( ) { } [ ] { }xdx tAtt

T ε dsdsd tot 222=−

jijtid 2.43)

- Quadrado do comprimento da fibra material infinitesimal do cor

onfiguração deformada.

Para a aplicação ais, como

rá visto adiante, é necessário que estejam em função dos deslocamentos do corpo

do. Deste modo é necessário definir os tensores de estiramento de Green e Cauchy,

ou

( ) ( ) tAttot xdxdsds ε222=− (

Onde:

( )2sd t po sólido na

c

( )2sd o - Quadrado do comprimento da fibra material infinitesimal do corpo sólido na

configuração indeformada (inicial).

das equações (2.42) e (2.43) no princípio dos trabalhos virtu

se

sóli

31

Page 45: CENTRO DE PESQUISAS E DESENVOLVIMENTO … para anÁlise e projeto de dutos submarinos submetidos a altas pressÕes e temperaturas via aplicaÇÃo do mÉtodo dos elementos finitos

que estão intimamente ligados respectivam

Lagrange e Almansi.

tensor de estiramento de Green

ente aos tensores de deformação de green-

[ ]Cto (“deformation tensor”), é referenciado em

aterial infinitesimal

O

relação à configuração indeformada do corpo sólido, e fornece o quadrado do

comprimento ( )2sd t de uma fibra m { }xd t , identificada por { }xd o

na configuração indeformada, ou seja:

( ) { } [ ] { }xdCxdsd o= otTot 2

o de Cauchy

ou

( ) jo

ijt

oiot xdCxdsd =

2 (2.44)

Analogamente o tensor de estirament [ ] [ ]( ) 1−= CC t

oot (“deformation

nsor”), é referenciado em relação à configuração deformada do corpo sólido no

instante t, e fornece o quadrado do com

te

primento ( )2sd o de uma fibra material

orinfinitesimal { }xd o , identificada p { }xd t na configuração d mada, assim: efor

( ) { } [ ] { }xdCxdsd tot

Tto =2

ou

(2.45)

aterial infinitesimal é nula.

Os tenso a ma, em função do gradiente de deformações,

obtidos partir das expressões, desenvolvidas a seguir, onde:

( ) jt

ijoti

to xdCxdsd =2

Os tensores de estiramento de Green e Cauchy, fornecem um tensor unitário quando a

deformação da fibra m

res de estir mento definidos aci

são

32

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( ) { } { }xdxdsd tTtt =2 (2.46)

mas,

{ } [ ] { }xdXxd oto

t = (2.47)

De (2.47) em (2.46), temos:

( ) [ ] { }( ) [ ] { }( ) { } [ ] [ ]( ) { }xdXXxdxdXxdXsd oto

Tto

Tooto

Toto

t ==2 (2.48)

Comparando (2.48) com (2.44), obtém-se a e

função do tensor de gradiente de deformações.

(2.49)

xpressão do tensor de estiramento de

Green, em

[ ] [ ] [ ]XXC to

Tto

to =

ou

jo

kt

io

kt

ijt

o xx

xx

C∂∂

∂∂

= (2.50)

amente temos:

(2.51)

as,

Analog

( ) { } { }xdxdsd oToo =2

m

{ } [ ] { } [ ]( ) { }xdXxdXxd tto

tot

o 1−== (2.52)

De (2.52) em (2.51), temos:

( ) [ ] { }( ) [ ] { }( ) { } [ ]( ) [ ]( ) { }xdXXxdxdXxdXsd tto

Tto

Tttto

Ttto

o 11112 −−−− == (2.53)

33

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Comparando (2.53) com (2.45), obtém-se a expressão do tensor de estiramento de

Cauchy, em função do tensor de gradiente deformações.

(2.54)

ou

[ ] [ ]( ) [ ] 11 −−= XXC to

Tto

ot

jt

ko

it

ko

ijot x

xxx

C∂∂

∂∂

= (

Os tensores de deformação de Green-Lagrange e Almansi, em função do gradien

deformações, são obtidas a seguir.

mações de Green-Lagrange, é obtido utilizando (2.48) e (2.51) na

2.55)

te de

O tensor de defor

expressão (2.42):

( ) ( ) { } [ ] [ ]( ) { } { } o (2.56)

u

{ }xdxdxdXXxdsdsd Tooto

Tto

Toot −=−22

o

( ) ( ) { } [ ] [ ] [ ]( ) { }

m (2.42), obtém-se o tensor de deformação de Green-Lagrange

termos do gradiente de deformações.

xdIXXxdsdsd oto

Tto

Toot −=−22 (2.57)

Comparando (2.57) co

em

[ ] [ ] [ ] [ ]( )IXX to

Tto −=

21ε t

o (2.58)

ou, em componentes cartesianas:

⎟⎟⎠⎝ ji

⎞⎛ tt

⎜⎜ −

∂∂

∂∂

= ijok

ok

ijt

o xx

xx

δε21 (2.59)

34

Page 48: CENTRO DE PESQUISAS E DESENVOLVIMENTO … para anÁlise e projeto de dutos submarinos submetidos a altas pressÕes e temperaturas via aplicaÇÃo do mÉtodo dos elementos finitos

O tensor de deformações de Almansi, é obtido utilizando (2.46) e (2.53) na expressão

(2.42):

( ) ( ) { } { } { } [ ]( ) [ ]( ) { }xdXXxdxdxdsdsd ttoo−=− (2.60)

ou

( ) ( ) { } [ ]

TtTttTtot 11 −−

[ ] [ ]( ) { }xdXXIxdsdsd tto

Tto

Ttot 11 −−−=− (2.61)

Comparando (2.61) com (2.42), obtém-se o tensor de deformação de Green-Lagrange

em termos do gradiente de deformações.

[ ] [ ] [ ]( 11 −−= XITt

oto

Att ε [ ] )1

2−Xt

o (2.62)

ou em componentes cartesianas:

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

∂∂

∂∂

−=j

tk

o

it

ko

ijAij

tt x

xxx

δε21 (2.63)

As expressões (2.59) e (2.63), podem ser expressas em termos de derivadas de

eguinte maneira:

deslocamentos, como mostrado a seguir.

Sabemos que as coordenadas materiais de um determinado ponto do corpo sólido no

instante t, estão relacionadas com as coordenadas deste mesmo ponto no instante inicial,

através dos seus deslocamentos, da s

kt

ko

kt uxx += (2.64)

onde:

( )txxxxx oook

tk

t ,,, 321= e ( )txxxuu oook

tk

t ,,, 321= (2.65)

35

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De (2.64), tem-se:

io

kt

kii

ok

t

io

ko

io

kt

xu

xu

xx

xx

∂∂

+=∂∂

+∂∂

=∂∂

δ (2.66)

e

it

kt

kii

tk

t

it

kt

it

ko

xu

xu

xx

xx

∂∂

−=∂∂

−∂∂

=∂∂

δ (2.67)

Utilizando (2.66) e (2.59), vem:

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−

∂∂

∂∂

+∂∂

+∂∂

+= ijj

ok

t

io

kt

io

kt

kjj

ok

t

kikjki xu

xu

xu

xu

δδδδδ21

=⎟⎟

⎜⎜

⎛−⎟

⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

∂∂

+⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛∂∂

+= ijj

ok

t

kji

ok

t

kiijt

o xu

xu

δδδε21

(2.68)

como ijkjki aa =δ , a equação (2.68), fica reduzida a:

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

∂∂

∂∂

+∂

∂+

∂∂

=j

ok

t

io

kt

io

jtt

jo

iij

to x

uxu

xu

xu

21ε (2.69)

ações de Green-Lagrange de um determinado

em termos das derivadas dos deslocamentos em relação as

coordenadas dos pontos materiais na configuração inicial.

Do mesmo modo, pode-se obter o tensor de deformações de Almansi em termos das

derivadas dos deslocamentos, utilizando (2.67) em (2.63)

cima, obtém-se:

que é a expressão do tensor de deform

ponto do corpo sólido,

, e seguindo os mesmos passos

a

36

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⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

∂∂

∂∂

−∂

∂+

∂∂

=j

tk

t

it

kt

it

jt

jt

it

Aij

tt x

uxu

xu

xu

21ε (2.70)

abe observar que as expressões (2.69) e (2.70), que envolvem termos lineares e

quadráticos dos gradien pletos,

ão sendo obtido de aproximações de segunda ordem.

.3.3 TENSORES DE TENSÃO DE PIOLLA-KIRCHHOFF

omo visto anteriormente, as equações de equilíbrio de Cauchy (2.20) se aplicam a

onfiguração deformada do corpo sólido, onde são desconhecidas as variáveis estáticas

áticas (COSTA,1984, BATHE,1996) do problema. O tensor de tensões de

Cauchy ( é defin guração

sólido ), e um tensor de deformações utilizando uma

rmulação Euleriana do movimento, poderia ser utilizado, na solução da equação de

equilíbrio. Entretanto a formulação Lagr

problemas estruturais, visto que o corpo sólido tende a voltar para a sua configuração

icial quando cessam os esforços que nele atuam.

mente ser a inicial, podendo ser qualquer

configuração intermediária do corpo sólido o estáticas e cinemáticas

conhecidas), como feito no item anterior, também é necessário expressar as

que é a expressão do tensor de deformações de Almansi de um determinado ponto do

corpo sólido, em termos das derivadas dos deslocamentos em relação as coordenadas

dos pontos materiais nas configuração deformada.

C

tes de deslocamentos, são tensores de deformações com

n

2

C

c

e cinem

ijtτ ) ido em função da coordenadas materiais da confi

( it xdeformada do corpo

fo

angeana do movimento é preferida em

in

Quando são definidas medidas de deformação em uma configuração de referência que

depende das coordenadas materiais do corpo sólido (cabe observar que a configuração

de referência não precisa obrigatoria

nde as variáveis

sejam

medidas de tensão do corpo sólido nesta configuração.

37

Page 51: CENTRO DE PESQUISAS E DESENVOLVIMENTO … para anÁlise e projeto de dutos submarinos submetidos a altas pressÕes e temperaturas via aplicaÇÃo do mÉtodo dos elementos finitos

Quando uma configuração de referência (inicial ou intermediária) é utilizada, as

s mais adequadas para a solução da equação de equilíbrio (2.29), são

primeiro e o segundo tensor de tensões de Piolla-Kirchhoff (BATHE,1996). Estes

tensores medem os esforços atuantes no corpo

ração de referência adotada.

A obtenção dos tensores de tensão de Piolla-Kirchhoff, são baseados nos vetores de

rças mostrados na figura abaixo.

medidas de tensõe

o

sólido num instante t, medidos na

configu

fo

Figura 2.5 – Vetores de forças aplicados no corpo sólido nas configurações de

ição dos tensores de tensões de Piolla-Kirchhoff.

O primeiro tensor de tensões de Piolla-Kirchhoff

referência e deformada para defin

[ ]Z fornece o vetor de forças { }Pd t to

atuante na área elementar do corpo sólido deformado, mas medido por unidade de

nfiguração de referência (indeformada), e expressa esta força em

etor normal à área elementar ,e que passa pelo ponto

Sd t

área da co função do

{ }no Sd o ( )321 ,, xxxP ooo v

(MALVERN,1969).

38

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Deste modo:

SdnPdSdnZ tj

tji

ti

toj

oji

to τ==

ou

[ ] { } { } [ ]PdSdnZ tTttooTto τ== { } Sdn t (2.71)

grande desvantagem para sua aplicação na solução numérica da equação de equilíbrio

o corpo sólido deformado, utilizando o método dos elementos finitos.

do de uma forma diferente,

e tal modo que ao invés de fornecer o vetor de forças

O primeiro tensor de tensões de Piolla-Kirchhoff não é simétrico, sendo esta uma

d

O segundo tensor de tensões de Piolla-Kirchhoff é formula

{ }Pd t , atuante sobre , Sd td

fornece um vetor de forças { }Pdo ~ relacionado a { }Pd t , do mesmo modo que o vetor

{ }xd o em oP esta relacionado a { }xd t em t :

=

P (equação 2.41), assim

{ } [ ] { }PdXPd tot

o ~ (2.72)

o mesmo modo que:

d

{ } [ ] { }xdXxd tot

o = (2.73)

C mo

o

{ } [ ] { } SdnPd ttTtt τ= (2.74)

de m o me

od se lhante.

{ } [ ] { } SdnSPd ooTto

o=~ (2.75)

39

Page 53: CENTRO DE PESQUISAS E DESENVOLVIMENTO … para anÁlise e projeto de dutos submarinos submetidos a altas pressÕes e temperaturas via aplicaÇÃo do mÉtodo dos elementos finitos

Utilizando (2.74) e (2.75) na expressão (2.72), temos a seguinte relação entre o segundo

nsor de tensões de Piolla-Kirchhoff, e o tensor de tensões de Cauchy:

te

] { } [ ] [ ] { }( ) SdnXSdn ttTtot

ooTτ= [St

o (2.76)

Os tensores de tensões hamados de pseudo tensor de

odo semelhante os vetores de pseudo forças e

de Piolla-Kirchhoff também são c

tensões, podendo-se definir de m { }So f

{ }Sof~ (MALVERN,1969), conforme mostrado a seguir.

e (2.73) tem-se: D

{ } { } { } SdfPdSdf tSttoS == o (2.77)

nde: o

{ } [ ] { }nZf oTto

So= e { } [ ] { }nf tTtSt

τ= (2.78)

odo semelhante.

De (2.76) pode-se definir de m

{ } { } [ ] { } [ ] { } SdfXPdXPdSdf tSt

tot

oS === (2.79)

onde:

oo ~~ to

{ } [ ] { }nSf oTto

So=

~ (2.80)

etomando (2.79):

R

{ } [ ] { } SdfXSdf oSoto

tSt ~= (2.81)

40

Page 54: CENTRO DE PESQUISAS E DESENVOLVIMENTO … para anÁlise e projeto de dutos submarinos submetidos a altas pressÕes e temperaturas via aplicaÇÃo do mÉtodo dos elementos finitos

utilizando (2.71) em (2.81), tem-se:

[ ] { } [ ] { } SdfXSd oSoto

o ~= nZ oTt

o (2.82)

Portanto:

[ ] { } [ ] { }Sotoo fXnZ = (2.83)

De (2.80) e (2.83) obtém-se a expressão para o pseudo vetor de forças { }Sf

oTt ~

~o, em

função do primeiro e segundo tensores de tensões de Piolla-Kirchhoff, conforme

ostrado abaixo.

m

{ } [ ] { } [ ] [ ] { } [ ] { }Soot

oTto

ot

oTto

SofXnZXnSf ===

~ (2.84)

, enquanto é o produto da força anterior pelo gradiente de

eformações .

As expressões dos tensores de tensões de Piolla-Kirchhoff em função do tensor de

tensões de Cauchy, são obtidas conforme mostrado abaixo.

Pode-se demonstrar (MALVERN,1969), que a relação entre as áreas deformada e

indeformada do corpo sólido, é dada por:

Logo { }So f corresponde à força atuante no corpo sólido deformado por unidade de área

indeformada { }Sof~

[ ]oot Xd

{ } [ ] { } SdnXSdn ooTott

ott

ρρ

= (2.85)

41

Page 55: CENTRO DE PESQUISAS E DESENVOLVIMENTO … para anÁlise e projeto de dutos submarinos submetidos a altas pressÕes e temperaturas via aplicaÇÃo do mÉtodo dos elementos finitos

onde:

- Vetor normal à área elementar na configuração deformada do corpo sólido.

- Vetor normal à área elementar na configuração indeformada do corpo sólido.

e - Áreas elementares nas configurações indeformada e deformada

respectivamente, do corpo sólido.

(2.85) em (2.71)

{ }nt

{ }no

Sd o Sd t

[ ] [ ]( ) 1−= Tt

oTo

t XX

utilizando a relação

[ ] { } [ ] [ ] { } SdnXSdnZ ooTott

TtooTto

ρτ= (2.86) o

ρ

dividindo (2.85) por e reagrupando os seus termos, tem-se:

Sd o ,

[ ] [ ] [ ] { } 0=⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛− nXZ oTo

tt

oTtTt

o ρρτ (2.87)

ou

{ } [ ] [ ] [ ] 0=⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛− τ

ρρ to

tt

oto

o XZn (2.88)

ortanto: P

[ ] [ ] [ ]τρρ to

ot

tto XZ = (2.89)

42

Page 56: CENTRO DE PESQUISAS E DESENVOLVIMENTO … para anÁlise e projeto de dutos submarinos submetidos a altas pressÕes e temperaturas via aplicaÇÃo do mÉtodo dos elementos finitos

A expressão (2.89) relaciona o primeiro tensor de tensões de Piolla-Kirchhoff ao tensor

A expressão que relacio Piolla-Kirchhoff ao tensor de

ões de Cauchy, pode ser obtida de forma semelhante.

Reescrevendo a expressão (2.84), temos:

de tensões de Cauchy.

na o segundo tensor de tensões de

tens

[ ] { } [ ] [ ] { }nZXnS oTto

ot

oTto = (2.90)

Utilizando (2.89) em (2

.90):

[ ] { } [ ] [ ] [ ] { }nXXnS oT

too

o ⎞⎛ ρttt

oTto ⎟⎟

⎠⎜⎜⎝

= τρ

(2.91)

ogo:

L

[ ] [ ] [ ] [ ]Tottto XXS τ

ρ= (2.92)

ou

too

t ρ

[ ] [ ] [ ] [ ]Tot

to

too

tt XSX

ρρτ =

expressão (2.92), fornece o segundo tensor de tensões de Piolla-Kirchhoff em termos

o tensor de tensões de Cauchy.

segundo tensor de tensões de Piolla-Kirchhoff não possui significado físico, porém

pode ser entendido com torno do corpo

lido no instante inicial, equilibram o vetor de forças fictícias

(2.93)

A

d

O

o o tensor de tensões cujas componentes no con

{ }Pdo ~só numa área

entar infinitesimal indeformada (Figura 2.6) (BATHE,1996).

elem

43

Page 57: CENTRO DE PESQUISAS E DESENVOLVIMENTO … para anÁlise e projeto de dutos submarinos submetidos a altas pressÕes e temperaturas via aplicaÇÃo do mÉtodo dos elementos finitos

Cabe ressaltar que para grandes deslocamentos e rotações, mas pequenas deformações

as componentes do segundo ten

sor de tensões de Piolla-Kirchhoff são aproximadamente

uais as componentes do tensor de tensões de Cauchy ), como será visto mais

diante.

( ijt

oijt S≈τig

a

Figura 2.6 – Segundo tensor de tensão de Piolla-Kirchoff e tensor de tensão de Cauchy e

no contorno do corpo sólido no plano x1-x2, e respectivas forças a serem equilibradas

44

Page 58: CENTRO DE PESQUISAS E DESENVOLVIMENTO … para anÁlise e projeto de dutos submarinos submetidos a altas pressÕes e temperaturas via aplicaÇÃo do mÉtodo dos elementos finitos

2.4 EQUAÇÃO DE EQUILÍBRIO EXPRESSA NA CONFIGURAÇÃO DE

Utilizando os tensores de tensões de P r a equação de

imento do corpo sólido deformado (2.15) (MALVERN,1969,COSTA,1984), em

lação à uma configuração de referência (indeformada).

Reescrevendo a equação do movimento de Cauchy num instante t, tem

REFERÊNCIA

iolla-Kirchhoff, é possível expressa

mov

re

os:

Vddt

dVdbSdn t

V

tt

V

ti

tt

S

tj

tji

t

ttt∫∫∫ =+ ivρρτ (2.94)

ou

[ ] { } { } { } Vddt

dVdbSdn t

V

tt

V

ttt

S

ttTt

ttt∫∫∫ =+

vρρτ (2.95)

este modo:

D

[ ] { } { } { } Vddt

dVdbSdn t

V

tt

V

ttt

S

ttTt

ttt∫∫∫ =+ 2

2 xρρτ (2.96)

Utiliz

pode o:

ando [ ] { } [ ] { } SdnSdnZ ttTtooTto τ= (equação 2.71), a primeira integral de (2.96),

ser reescrita com

[ ] { } [ ] { }∫∫ =S

ooTto

S

ttTt

ot

SdnZSdnτ (2.97)

O vetor de força por unidade de massa no instante t, em função das coordenadas da

configuração indeformada, pode ser expresso por:

{ } ( ) ( )( ) { }bb oootttttt ===== bxxbxbb (2.98)

45

Page 59: CENTRO DE PESQUISAS E DESENVOLVIMENTO … para anÁlise e projeto de dutos submarinos submetidos a altas pressÕes e temperaturas via aplicaÇÃo do mÉtodo dos elementos finitos

Logo, o segundo termo de (2.96), é modificado para:

{ } { }∫∫ =VV ot

ooottt VdbVdb ρρ (2.99)

u o

{ } { }∫∫ =V

oVo

V

tVt

ot

VdfVdf (2.100)

oi utilizado o fato que (conservação de massa), e

represen o ca

Desprezando o termo de aceleraçõ 9),

m-se:

VdVd oott ρρ = { } { }bf ooVoρ= Onde f

ta mpo de forças volumétricas.

es da equação (2.96), e utilizando (2.97) e (2.9

te

[ ] { } { } 0=+ ∫∫V

oVo

S

ooTto

oo

VdfSdnZ (2.101)

ara transformar o primeiro termo da equação (2.100) numa integral volumétrica,

abaixo.

P

utiliza-se o teorema da divergência, conforme mostrado

[ ] { } ∫∫∫ ∂

∂ tZ==

V

o

j

jio

S

oj

oji

to

S

ooTto

ooo

Vdx

SdnZSdnZ (2.102)

Portanto, utilizando (2.100) em (2.99) tem-se:

0=+∂

∂ tZ Vi

o

j

jio fx

(2.101)

ue é a equação de equilíbrio do corpo sólido deformado no instante t, porém

ferenciado à configuração inicial (indeformada) em função do primeiro tensor de

Q

re

tensões de Piolla-Kirchhoff.

46

Page 60: CENTRO DE PESQUISAS E DESENVOLVIMENTO … para anÁlise e projeto de dutos submarinos submetidos a altas pressÕes e temperaturas via aplicaÇÃo do mÉtodo dos elementos finitos

Para se obter a e , em função do segundo tensor de tensões de

iolla-Kirchhoff, utiliza-se a expressão (2.90), mostrada abaixo novamente.

quação de equilíbrio acima

P

[ ] { } [ ] [ ] { }nZXnS oTto

ot

oTto = (2.104)

ou

[ ] [ ] [ ]Tto

ot

Tto ZXS = (2.105)

Portanto:

[ ] [ ] [ ]Tto

to

Tto SXZ = (2.106)

tilizando (2.106) na equação (2.103), temos:

U

( )0=+

∂ Vi

o

jo

ikt

ojkt

o fx

XS (2.107)

u o

[ ] [ ]( ){ }

{ } 0=+∂

∂ Vo

o

Tto

to f

xSX (2.108)

equação de equilíbrio do corpo sólido mostrada acima, fornece as forças externas e

e Piolla-Kirchhoff.

A

quantidade de movimento no instante t, porém referenciados à configuração inicial

(indeformada), em função do segundo tensor de tensões d

47

Page 61: CENTRO DE PESQUISAS E DESENVOLVIMENTO … para anÁlise e projeto de dutos submarinos submetidos a altas pressÕes e temperaturas via aplicaÇÃo do mÉtodo dos elementos finitos

2.5 PRINCÍPIO DOS TRABALHOS VIRTUAIS EM FUNÇÃO DOS TENSORES

DE TENSÕES DE PIOLLA-KIRCHHOFF NA CONFIGURAÇÃO DE

REFERÊNCIA

princípio dos trabalhos virtuais para um conjunto de forças externas aplicadas num

campo de deslocamentos virtuais

O

{ }uδcorpo sólido no instante t, para um aplicado na

onfiguração deformada do corpo sólido, é dada por:

iV

Vi

tti

S

Si

text

t

δδδ ∫∫ +=

u

c

Vt (2.109) dufSdufW

o

{ } { } { } { } VdufSdufW tT

V

Vtt

S

TStext

t

δδδ ∫∫ += (2.110)

Para se medir o trabalho realizado pelas forças internas em relação a uma configuração

ncia (indeformada) são utilizados os tensores de tensões de Piolla-Kirchhoff.

O primeiro tensor de tensões de Piolla-Kirchhoff é relacionado ao tensor de tensões de

Cauchy, através da relação.

de referê

[ ] { } { } [ ] { } SdnPdSdnZ ttTttooTto τ== (2.111)

onde conforme já visto.

(vetor de pseudo força de superfície)

(vetor de força real de superfície)

{ } [ ] { }nZf oTto

So=

{ } [ ] { }nf tTtStτ=

48

Page 62: CENTRO DE PESQUISAS E DESENVOLVIMENTO … para anÁlise e projeto de dutos submarinos submetidos a altas pressÕes e temperaturas via aplicaÇÃo do mÉtodo dos elementos finitos

Do mesmo modo temos, para a força volumétrica que:

{ } ( ){ } ( )( ){ }xxx otVttVtVt fff == (2.112)

Outras relações utilizadas na expressão (2.110), são:

{ }xtt =x com

JdVdVdVdV o

t

o

tttoo ==⇒=

ρρρρ (2.113)

{ } { } { } { } { }uxuxx tttot δδ =⇒+= (2.114)

Substituindo as expressões (2.111) a (2.114) na equação (2.110), resulta:

[ ] { } { } ( )( ){ } { } VJdxfSdxnZW ot

V

otVtot

S

oTto

text

oo

δδδ ∫∫ += xx (2.115)

Chamando:

{ } ( )( ){ } ( )( ){ }xxxx otVotVt

o fJfb ==ρ

ρ (o

oVto f =

ρ 2.116)

figuração deformada do corpo

lido num instante t, porém medido por unidade de volume da configuração de

referência (indeformada).

o termo { }Vo f , representa a a força volumétrica na cont

49

Page 63: CENTRO DE PESQUISAS E DESENVOLVIMENTO … para anÁlise e projeto de dutos submarinos submetidos a altas pressÕes e temperaturas via aplicaÇÃo do mÉtodo dos elementos finitos

Substituindo (2.116) em (2.115), tem-se:

[ ] { } { } { } { } VdxfSdxnZW ot

V

Vto

ot

S

oTto

text

oo

δδδ ∫∫ += (2.117)

integral de superfície na configuração indeformada em (2.117), é transformada numa

tegral de volume utilizando o teorema da divergência.

A

in

[ ] { } { } [ ] { }( ){ }

( )Vd

xx

ZxZ

xVdx

xZ

Vdx

xZSdxnZ

o

V jt

it

jit

oj

tji

to

ito

V jo ∂ oiji

to

o

Vo

tTtoot

S

oTto

o

oo

∫∫

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

∂∂

+∂

∂=

∂=

=∂

∂=

δδ

δ

δδ

(2.118)

Substituindo (2.118) em (2.117), e reagrupando seus

t

t

termos, tem-se:

Vdxx

ZVdxfxZ

W o

V jo

it

jit

oo

it

V jo ⎠⎝ ∂V

it

ooji

to

exto∫∫ ∂

∂+⎟

⎟⎞

⎜⎜⎛

+∂

δδ (2.119)

Da equação de equilíbr olla-Kirchhoff

renciado à configuração indeformada do corpo sólido (2.103):

io em função do primeiro tensor de tensões de Pi

refe

0=+∂

∂ Vi

o

j

jit

o fxZ

e (2.120), em (2.119), chega-se a:

(2.120)

D

VdxV j

ojioexto∫ ∂

xZW oi

tt ∂

δ (2.121)

50

Page 64: CENTRO DE PESQUISAS E DESENVOLVIMENTO … para anÁlise e projeto de dutos submarinos submetidos a altas pressÕes e temperaturas via aplicaÇÃo do mÉtodo dos elementos finitos

como:

jo

it

ijt

o xx

X∂∂

= (2.122)

m-se: te

jo

iij

to xX

∂=δ

tx∂δ(2.123)

ubstituindo (2.123) em (2.121), temos: S

VdXZW o

Vij

toji

toext

o∫= δδ (2.124)

ou

[ ] [ ] VdXZW o

V

to

Ttoext

o∫= δδ (2.125)

xpressão (2.125) expressa o trabalho realizado pelas forças internas num instante t,

atuantes no corpo sólido deformado, mas medidos por un

configuração de referência (indeformada), em termos do primeiro tensor de tensões de

irtuais medida na configuração inicial em

(2.126)

ou

A e

idade de volume da

Piolla-Kirchhoff.

Para se obter a expressão dos trabalhos v

termos do segundo tensor de tensões de Piolla-Kirchhoff, que possui a propriedade de

ser simétrico, utiliza-se a expressão (2.106) repetida abaixo.

jit

oijt

ojit

o SXZ =

[ ] [ ] [ ]Tto

to

Tto SXZ = (2.127)

51

Page 65: CENTRO DE PESQUISAS E DESENVOLVIMENTO … para anÁlise e projeto de dutos submarinos submetidos a altas pressÕes e temperaturas via aplicaÇÃo do mÉtodo dos elementos finitos

Utilizando (2.127) em (2.125), temos:

[ ] [ ] [ ] VdXSXW o

V

to

Tto

toext

o∫= δδ (2.128)

ento de Green, em função do tensor de gradiente de deformações é

ado pela equação (2.49).

O tensor de estiram

d

jo

kt

io

kt

ijt

o xx

xx

C∂∂

∂∂

= (2.129)

ou

[ ] [ ] [ ]XXC to

Tto

to = (2.130)

Reagrupando os termos da equação a expressão (2.128)

[ ] [ ] [ ] VdXXSW oto

Tto

toext ∫= δδ (2.131)

oV

Reescrevendo (2.131) em notação indicial.

VdxxV j

oi

oijoexto ∂∂

Mas de (2.130),

xxSW okt

kt

t∫∂∂

=δδ (2.132)

jo

kt

io

kt

ijt

o xx

xx

C∂∂

∂∂

= (2.133)

52

Page 66: CENTRO DE PESQUISAS E DESENVOLVIMENTO … para anÁlise e projeto de dutos submarinos submetidos a altas pressÕes e temperaturas via aplicaÇÃo do mÉtodo dos elementos finitos

Portanto:

jo

kt

io

kt

jo

kt

io

kt

ijt

o xx

xx

xx

xx

C∂∂

∂∂

+∂∂

∂∂

=δδ

δ (2.134)

Pode-se demonstrar que:

⎟⎠

⎜⎝ ∂∂ j

oi

oijoijoijo xx

Substituindo (2.135) em (2.132), tem-se:

⎟⎞

⎜⎛ ∂∂

= kt

kt

ttt xxSCS

δδ 2 (2.135)

VdCSW ott1

Vijoijoext

o∫= δδ

2 (2.136)

ou

[ ] [ ] VdCSW o

V

to

Ttoext

o∫= δδ

21 (2.137)

U r de deformação de Green-Lagrange

m termos do gradiente de deformações.

tilizando a expressão (2.58), que relaciona o tenso

e

[ ] [ ] [ ] [ ]( ) [ ] [ ]( )ICIXX to

to

Tto

to −=−=

21

21ε (2.138)

Portanto

[ ] [ ]Cto

to δεδ

21

= (2.139)

53

Page 67: CENTRO DE PESQUISAS E DESENVOLVIMENTO … para anÁlise e projeto de dutos submarinos submetidos a altas pressÕes e temperaturas via aplicaÇÃo do mÉtodo dos elementos finitos

Substituindo (2.139) em (2.137), tem-se:

[ ] [ ] VdSW otTt∫= εδδ V

ooexto

(2.140)

u

o

(2.141)

Voltando a expressão inicial do princípio dos trabalhos virtuais (2.27), em o

tenso para uraçã mada do corpo sólido, temos a

seguinte relação com a expressão dos trabalhos virtuais em term

tensões de P referência a configuração indeformada.

o

Vij

toij

to

t

Vtji

t

ot∫∫ = εδτ (2.142)

ou

o

VdSW oij

toij

toext ∫= εδδ

V

termos d

r de tensões de Cauchy a config o defor

os do segundo tensor de

iolla-Kirchoff, tendo como

VdSVdeWext =δ ij δ

[ ] [ ] [ ] [ ] VdSVdeW o

V

to

Tto

t

Vt

Ttext

ot∫∫ == εδδτδ (2.143)

O termo nternas,

ficando de

do lado direito da equação (2.143) é o trabalho realizado pelas forças i

monstrado que intWWext δδ = .

Deste modo a expressão do princípio dos trabalhos virtuais em função do segundo

tensor de tensões de Piolla-Kirchhoff, é dada por:

[ ] [ ] RVdS tTt∫ δ to

Voo

o

=ε (2.144)

A expressão acima fornece a equação que será utilizada no método dos elementos

finitos para a solução de problemas envolvendo não-linearidade geométrica. A

configuração de referência mostrada na equação acima é a inicial ou indeformada que

dará origem a formulação Lagrangeana total, podendo-se utilizar também qualquer

configuração intermediária conhecida (Formulação Lagrangeana Atualizada).

54

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3 MÉTODO DOS ELEMENTOS FINITOS

ementos finitos, para elementos de contínuo e descontínuo para a teoria

e pequenos e grandes deslocamentos.

tos para a teoria de grandes deslocamentos é

esenvolvida utilizando a formulação Lagrangeana Total, sendo implementada no

.

3.1 MÉTODO DOS ELEMENTOS FINITOS PARA PEQUENOS

DESLOCAMENTOS

este item será apresentada a equação matricial do método dos elementos finitos na

rma incremental-iterativa de pequenos deslocamentos para problemas bidimensionais

axissimétricos já existente no AEEPECD.

ntes de obter o sistema de equações do método dos elementos finitos serão

apresentadas as expressões para o campo de

entos de contínuo e contato bidimensional disponíveis no AEEPECD. No ANEXO

expressões para o campo de deslocamentos e

entos de contí

Neste capítulo serão obtidas as equações de equilíbrio do contínuo resolvidas segundo

o método dos el

d

As equações do método dos elementos fini

d

programa AEEPECD, para a análise de problemas envolvendo não-linearidade

geométrica

N

fo

e

A

deslocamentos e deformações para os

elem

B também são apresentadas as

deformações para os elem nuo e contato tridimensional disponíveis no

AEEPEC3D, para implementações futuras da teoria de grandes deslocamentos.

55

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3.1.1 ELEMENTO DE CONTÍNUO BIDIMENSIONAL

Para discretização do contínuo são utilizados elementos finitos isoparamétricos com

número variado de nós variando entre 4 nós (elemento linear) e 8 nós (elemento

uadrático), cujas funções de interpolação estão mostradas na Figura 3.1 e Tabela

om essas equações pode-se obter o campo de deslocamentos no domínio de cada

lemento para problemas bidimensionais em função dos valores nodais, que em notação

matricial pode ser definida com

⎪⎪⎪

⎪⎪⎪⎧

⎢⎣⎡

⎭⎬⎫

⎩⎨⎧

===

N

N

N

VU

UVU

v HHHH

UHu

d...

...00

...00 2

1

1

21

21

onde:

- vetor de deslocamentos no domínio do elemento

- Matriz de funções de interpolação do elemento

- vetor de deslocamentos nodais do elemento referido ao sistema global

q

3.1.C

e

o (COSTA,1978):

{ } [ ]{ }

⎪⎪⎪

⎪⎪⎪

⎬⎨⎥⎦⎤N V

HH

00

2 (3.1)

{ }d

[ ]H

{ }U

56

Page 70: CENTRO DE PESQUISAS E DESENVOLVIMENTO … para anÁlise e projeto de dutos submarinos submetidos a altas pressÕes e temperaturas via aplicaÇÃo do mÉtodo dos elementos finitos

Figura 3.1 - Elemento isoparamé ensional

trico bidim

I = 5 I = 6 I = 7 I = 8

H1 = 0.25(1 + ξ)(1 + η) -0.50H5 -0.50H8

Incluir somente se o nó I for definido

H2 = 0.25(1 - ξ)(1 + η) -0.50H5 -0.50H6

H3 = 0.25(1 - ξ)(1 - η) -0.50H6 -0.50H7

H4 = 0.25(1 + ξ)(1 - η) -0.50H7 -0.50H8

H5= 0.50(1 - ξ2)(1 + η)

H6= 0.50(1 - ξ)(1 - η ) 2

H7= 0.50(1 - ξ2)(1 - η)

H8= 0.50(1 + ξ)(1 - η2)

Tabela 3.1 - Funções de interpolação utilizadas para o elemento finito

isoparamétrico bidimensional com número de nós variando de 4 a 8

57

Page 71: CENTRO DE PESQUISAS E DESENVOLVIMENTO … para anÁlise e projeto de dutos submarinos submetidos a altas pressÕes e temperaturas via aplicaÇÃo do mÉtodo dos elementos finitos

O tensor de deformação para modelos bidimensionais e axissimétricos está associado a

uma matriz de transformação linear (deslocamento versus deformação), conforme

apresentado abaixo na forma matricial.

icaaxissimétrestrutxuyvxvyuxu

zz

xy

yy

xx

.10000001100100000001

→⎪⎪⎪

⎭⎩

⎪⎪⎬

⎪⎪⎪

⎪⎪⎪

∂∂∂∂∂∂∂∂

⎥⎥⎥⎥

⎢⎢⎢⎢

=

⎪⎪⎭

⎪⎪⎬

⎪⎪⎩

⎪⎪⎨

εγεε

(3.2)

u:

⎪⎫

o

{ } [ ]{ } yxuA ,=ε (3.3)

Onde a última linha do vetor de deformações em (3.2), é inserida somente para modelos

axissim tricos.

Na expressão (3.2), foi utilizado , devido a sua aplicação no princípio dos

trabalhos virtuais como será visto adiante.

Em coordenadas natu

ado por:

é

xyxy εγ 2=

rais, o vetor de derivadas dos incrementos de deslocamentos é

d

⎪⎪⎪

⎭⎪⎪⎪

∂∂⎥⎥⎦⎢

⎢⎣⎪

⎪⎪

⎭⎪⎪⎪

∂∂xuyvyx

xuv

100000,,00 ηηη

⎪⎪⎪

⎬⎪⎨ ∂∂

⎥⎥

⎢⎢=⎪⎬

⎪⎪⎪

⎨ ∂∂∂

xvy

yxvu

0,,00 ξξξ (3.4)

⎫⎧ ∂∂⎤⎡⎫⎧ ∂∂ xuyxu 000,, ξξξ

⎪⎪∂⎥⎥

⎢⎢

⎪⎪∂ uyx 000,, ηηη

58

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ou:

{ } [ ]{ } yxa uJu ,, =ηξ (3.5)

to:

Portan

{ } [ ] { } ηξ ,, uJu ayx = (3.6) 1−

Onde:

⎪⎪⎪⎪

⎪⎪⎪⎪

⎪⎪⎪⎪

⎪⎪⎪⎪

⎥⎥⎥⎥⎥⎥

⎢⎢⎢⎢⎢⎢

=

⎪⎪⎪

⎪⎪⎪

⎪⎪⎪

⎪⎪⎪

∂∂∂∂∂∂∂∂

N

NN

N

N

N

N

VU

VUVU

xHxHxHHHHHHH L

,2,

0ηη HHH

HHH

xuvvuu

M

L

L

L

L

2

2

1

1

21

,,2,1

,,2,1

,1

,,2,1

00000000

000000

ηηη

ξξξ

η

ξξξ

ηξηξ

(3.7)

ou:

{ } [ ]{ }UDHu =ηξ , (3.8)

Utilizando (3.8) em (3.6), tem-se:

{ } [ ] [ ]{ }UDHJu oyx1

,−= (3.9)

Nas expressões (3.4) e (3.7), foram utilizadas as relações:

(3.10)

∑=

=N

rrr XHx

1

∑=

=N

rrrYHy

1

59

Page 73: CENTRO DE PESQUISAS E DESENVOLVIMENTO … para anÁlise e projeto de dutos submarinos submetidos a altas pressÕes e temperaturas via aplicaÇÃo do mÉtodo dos elementos finitos

∑=N

UHu =r

rr1

3.11)

- Funções de interpolação em coordenadas naturais;

configuração

deformada do corpo sólido.

- deslocamentos dos pontos nodais do elemento.

De (3.10), tem-se:

r 1

∑=

=N

rrrVHv

1 (

Onde:

rH

rr YeX - Coordenadas cartesianas dos pontos nodais na

in

rr VeU

∑=

=N

rrr XHx

1,, ξξ

∑=

=N

rrr YHy

1,, ξξ

∑=N

rr XHx ,, ηη =

∑=N

=rr YHy ,, ηη (3.12)

expressão final do tensor de deformações

r 1

{ }εA para modelos bidimensionais e

xissimétricos é obtida utilizando (3.9) em (3.3), resultando em: a

[ ][ ] [ ]{ }UDHJA 1−{ } (3.13) =ε

60

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ou:

{ } [ ]{ }UB=ε (3.14)

3.1.2 ELEMENTO DE INTERFACE BIDIMENSIONAL

O modelo matemático utilizado para a inserção do elemento de interface, é estabelecido

partir da relação constitutiva no sistema de coordenadas local, onde as tensões normal

nto estão relacionados aos deslocamentos relativos dos elementos sólidos

djacentes (COSTA,1978, GOODMAN,1968). Para os modelos de estado plano de

tensão e nstitutiva para o cálculo da tensão de forma linear

tuante no contato é fornecida abaixo.

a

e de cisalhame

a

deformação a relação co

a

{ } [ ]{ }csnsnsn dC ∆=σ (3.15) c

u: o

⎭⎬⎫

⎩⎨⎧∆∆

⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡=

⎭⎬⎫

⎩⎨⎧

n

s

n

scn

cs

vu

CC0

0σσ

(3.16)

s deslocamentos nodais relativos para o elemento de interface, são fornecidos em

lação aos nós do topo (Figura 3.2).

O

re

pii UUU −=∆

pii VVV −=∆

61

Page 75: CENTRO DE PESQUISAS E DESENVOLVIMENTO … para anÁlise e projeto de dutos submarinos submetidos a altas pressÕes e temperaturas via aplicaÇÃo do mÉtodo dos elementos finitos

nmm UUU −=∆

nmm VVV −=∆

qjj UUU −=∆

qjj VVV −=∆

(3.17)

Figura 3.2 – Nós do topo e base para o elemento de interface

isoparamétrico quadrático utilizado

ridos ao sistema global (xy), deve-se obter

stes no sistema local (sn) do elemento de interface (Figura 3.2), para que se possa

tilizar a relação constitutiva (3.15). Utilizando-se a matriz de rotação do sistema global

para o sistema local.

⎨⎧⎥⎤

⎢⎡−

=⎬⎫

⎨⎧ x

abbas

(3.18)

Com os deslocamentos nodais relativos refe

e

u

⎭⎩⎦⎣⎭⎩ yn ⎬⎫

62

Page 76: CENTRO DE PESQUISAS E DESENVOLVIMENTO … para anÁlise e projeto de dutos submarinos submetidos a altas pressÕes e temperaturas via aplicaÇÃo do mÉtodo dos elementos finitos

onde:

( )θcos=a

( )θsin=b (3.19)

Logo a relação entre os deslocamentos nodais relativos nos sistemas local e global para

o elemento de interface é dada por :

( )( )( )( )( )( ) ⎪

⎪⎭

⎪⎪⎬

⎪⎪⎩

⎪⎪⎨

∆∆

⎥⎥

⎥⎥

⎢⎢

−=⎪

⎪⎬

⎪⎪⎪⎪

∆∆∆∆

j

j

mms

V

VU

U

ab

abba

ba

VUVU

00000000

0000

(3.20)

⎪⎪

⎪⎪ ∆⎥⎥

⎢⎢−⎪

⎪i

i

in

is

Vab 0000

⎪⎪

⎪⎪∆⎥

⎢⎢⎢⎢

⎣⎪⎪⎪⎪

⎭⎪⎪⎪⎪

⎩ ∆∆

m

jn

js

mn

UbaVU

00000000

Figura 3.3 – Elemento de interface com deslocamentos relativos

nos sistemas global e local

63

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A partir dos deslocamentos nodais relativos no sistema local (3.20), define-se o campo

de deslocamentos no domínio do elemento como :

( ) ( ) ( ) jsjmsmisis UHUHUHu ∆+∆+∆=∆ (3.21)

( ) ( ) ( ) jnjmnminin VHVHVHv ∆+∆+∆=∆ (3.22)

Onde as funções de interpolação utilizadas para o elemento de interface (Figura 3.4),

são listadas abaixo.

( ) ( )215.015.0 ξξ −−−=iH

( )21 ξ−=mH

( ) ( )215.015.0 ξξ −−+=jH (3.23)

Figura 3.4 – Funções de interpo

lação utilizadas para o elemento de interface

Utilizando-se o campo de deslocamentos relativos no elemento de interface

.22), obtém-se:

(3.21) e

(3

64

Page 78: CENTRO DE PESQUISAS E DESENVOLVIMENTO … para anÁlise e projeto de dutos submarinos submetidos a altas pressÕes e temperaturas via aplicaÇÃo do mÉtodo dos elementos finitos

{ }

( )( )( )( )( )( ) ⎪

⎪⎪⎪

⎪⎪⎪⎪

∆∆∆

⎥⎦

⎢⎣

⎡=

⎭⎬⎫

⎩⎨⎧∆∆

=∆

jn

js

mn

ms

is

jmi

jmi

n

scsn

VUV

U

HHHHH

vu

d000

00 (3.24)

A partir de (3.20) e de (3.24), ace, em

nção dos deslocamentos nodais relativos referidos ao sistema global, conforme

baixo:

⎪⎪

⎪⎪∆∆

⎤in

UV

H 0

pode-se obter o campo de deformações na interf

fu

a

{ }

⎪⎪⎪

⎭⎪⎪⎪

⎩ ∆∆

⎥⎥⎥

⎦⎢⎢⎢

⎣ − j

j

VU

abba

00000000

Deste modo :

⎪⎪⎬

⎪⎪⎨∆∆

⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

−⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡=∆

m

m

jmi

jmicsn V

Uabba

HHHHHH

d00000000

000000

(3.25)

⎪⎪⎫

⎪⎪⎧∆∆

⎥⎥⎤

⎢⎢⎡− i

i

VU

abba

00000000

{ }

⎪⎪⎪⎪

⎪⎪⎪⎪

⎪⎧

∆∆

⎦⎣

j

j

m

i

jjmmii

VU

U

(3.26)

ou:

⎪⎪

⎪⎪⎪

⎨∆∆∆

⎥⎤

⎢⎡

−−=∆ m

i

jjmmiicsn V

UV

aHbHaHbHaHbHbHaHbHaHbHaH

d

{ } [ ]{ }UBd csn ∆=∆ (3.27)

65

Page 79: CENTRO DE PESQUISAS E DESENVOLVIMENTO … para anÁlise e projeto de dutos submarinos submetidos a altas pressÕes e temperaturas via aplicaÇÃo do mÉtodo dos elementos finitos

Onde :

i

jjmmii

aHbHaHbHaHbHbHaHbHaHbHaH

B (3.28)

vetor de deslocamentos nodais relativos no sistema global para o elemento de

in

[ ] ⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡−−

=jjmmi

O

terface, é calculado através do seguinte produto matricial.

{ }

⎪⎪⎪

⎪⎪ m

UV ⎪

⎪⎪⎪⎪

⎪⎪⎪⎪⎪⎪

⎪⎪⎪⎪⎪

⎪⎪⎪⎪⎪⎪

⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥

⎢⎢

−−

−−

=

⎪⎪

⎪⎪

=∆

n

n

m

q

q

p

p

i

i

j

j

m

i

V

UVUVUVU

U

V

V

V

U

0000100000100101000000000

010000000101000000000010100

(3.29)

u

⎪⎪

⎪⎪

⎧∆

jV

U

⎢⎢

⎪⎪⎪⎪∆ m

i

U 100000000

⎢⎢ −

⎪⎪

⎪⎪∆ jU 00001000001

o

{ } [ ]{ }UTU =∆ (3.30)

Onde

elementos sólidos adjacentes ao elemento de interface.

[T] é a primeira matriz da relação (3.30) e {U} o vetor de deslocamentos nodais

dos

66

Page 80: CENTRO DE PESQUISAS E DESENVOLVIMENTO … para anÁlise e projeto de dutos submarinos submetidos a altas pressÕes e temperaturas via aplicaÇÃo do mÉtodo dos elementos finitos

Deste modo num instante t+∆t, temos que :

{ } [ ]{ }UBd Gcsn =∆ (3.31)

Sendo [ ]GB dado pelo produto matricial [ ][ ]TB , representado por :

[ ] ⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡−−−−−−−

−−−−−

=mmmmjj

mmmmjj

iiiijj

iiiijjG aHbHaHbHaHbH

bHaHbHaHbHaHaHbHaHbHaHbHbHaHbHaHbHaH

B

(3.32)

3.1.3 ELEMENTO DE INTERFACE PARA MODELO AXISSIMÉTRICO

O tratamento matemático para sólidos axissimétricos é idêntico ao dado para problemas

de estado plano de deformação e tensão, sendo a única diferença, o acréscimo da tensão

circunferêncial, dada por:

{ }RuCc

θθσ = (3.33)

Onde u é o deslocamento radial de um ponto do domínio do elemento de interface, com

raio R em relação à origem do sistema de referência.

Para o modelo axissimétrico a relação constitutiva é fornecida abaixo.

⎪⎪⎭

⎪⎬

⎪⎪⎩

⎪⎨∆⎥⎥⎥

⎦⎢⎢⎢

=⎪⎭

⎪⎬

⎪⎩

⎪⎨

Ruv

CC nn

c

cn

0000

θθσ

σ (3.3 ) ⎪⎫

⎪⎧⎤⎡⎫⎧ uC ss

cs ∆00σ

4

67

Page 81: CENTRO DE PESQUISAS E DESENVOLVIMENTO … para anÁlise e projeto de dutos submarinos submetidos a altas pressÕes e temperaturas via aplicaÇÃo do mÉtodo dos elementos finitos

Os valores de su∆ e nv∆ são inter

3.21) e

.22).

O deslocamento radial u é dado por :

polados com os valores dos deslocamentos nodais no

elemento de interface do mesmo modo ao feito no item anterior nas expressões (

(3

2

uuu base ∆+= (3.35)

nde é o deslocamento radial do elemento sólido da base vizinho ao elemento de

interface analisado, e

baseu

2u∆

O

é o deslocamento radial re

lemento de interface e sua base. Assim em relação à superfície média (que fornece a

ontinuidade), o deslocamento radial no domínio do elemento de interface é fornecido

lativo entre a superfície média do

e

c

por :

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ ∆++⎟⎟

⎞⎜⎜⎝

⎛ ∆++⎟⎟

⎞⎜⎜⎝

⎛ ∆+=

222j

qjm

nmi

pi

UUH

UUH

UUHu (3.36)

om as equações (3.33) e (3.36), obtém-se para o modelo axissimétrico de modo C

semelhante ao feito para os estados plano de tensão e deformação, a seguinte expressão.

⎪⎪

⎪⎪ n

UU

⎪⎪⎪⎪

⎪⎪⎪

⎪⎪⎪⎪

⎪⎪⎪

⎨∆∆∆

⎥⎥⎥⎥⎥

⎢⎢⎢⎢

−−−=

⎪⎪⎭

⎪⎬

⎪⎪⎩

⎪⎨∆

q

p

j

j

m

jmijmi

jjmmii

jj

n

UVUV

RH

RH

RH

RH

RH

RH

aHbHaHbHaHbHbHa

Ruv

02

02

02

000000

(3.37)

⎪⎪⎪⎫

⎪⎪⎪⎧

∆∆∆

⎢⎡

⎪⎫

⎪⎧ m

i

i

mmiis

UVU

HbHaHbHaHu∆

68

Page 82: CENTRO DE PESQUISAS E DESENVOLVIMENTO … para anÁlise e projeto de dutos submarinos submetidos a altas pressÕes e temperaturas via aplicaÇÃo do mÉtodo dos elementos finitos

onde :

[ ]

⎥⎥⎥⎥⎥

⎢⎢⎢⎢⎢

−−−=

RH

RH

RH

RH

RH

RH

aHbHaHbHaHbHbHaHbHaHbHaH

Bjmijmi

jjmmii

jjmmii

02

02

02

000000

(3.38)

Do mesmo mo [ ]GB do pode-se definir uma matriz , para sólidos axissimétricos,

onforme abaixo :

c

]

⎥⎥⎥⎥⎥

⎢⎢⎢⎢⎢

[

⎣ 22222 RRRR

−−−−−−−−−−−−

=

02

00000R

HR

HHHHHaHbHaHbHaHbHaHbHaHbHaHbHbHaHbHaHbHaHbHaHbHaHbHaH

mmjiij

mmmmjjiiiijj

mmmmjjiiiijj

G

(3.39)

B

Deste modo num instante t+∆t, temos que :

[ ]{ }UB

Ru

⎪⎪

⎪⎪

vu

Gn

s

=

⎪⎪⎬

⎪⎪⎨

∆∆

(3.40)

O campo de tensões correspondente, é dado por :

{ } [ ][ ]{ }UBC Gsncsn =σ (3.41)

69

Page 83: CENTRO DE PESQUISAS E DESENVOLVIMENTO … para anÁlise e projeto de dutos submarinos submetidos a altas pressÕes e temperaturas via aplicaÇÃo do mÉtodo dos elementos finitos

3.1.4 EQUAÇÃO DE EQUILÍBRIO DO MÉTODO DOS ELEMENTOS FINITOS

PARA PEQUENOS DESLOCAMENTOS (DESLOCAMENTOS TOTAIS)

Neste item será apresentada a equação do método dos elementos finitos utilizada no

processo incremental-iterativo, para a solução de problemas envolvendo a teoria de

não-lineridade física (Plasticidade). A equação matricial

do método dos elementos finitos existente no AEEPECD, apresenta os deslocam

o incógnita.

∫∑ ∫=

∆+

⎞⎜⎜⎛

=⎟⎟⎞

⎜⎜⎛

L Sc

ci

N

iV

itt

N

ijijtt dSuufdV

1δδδεσ

(3.42)

Onde:

σ∆ - Componentes do tensor de tensões de engenharia (Força por unidade de área,

pequenos deslocamentos com

entos

totais com

O princípio dos trabalhos virtuais num instante t +∆t, considerando N corpos em contato

(BATHE,1996), fornece a equação de equilíbrio mostrada abaixo.

∑∫∫ ∆+

=

∆+∆+

=

∆+ +⎟⎟

⎝++

⎠⎝

Nci

tt

L ii

Ci

ttSi

Sf

Si

tt

VL V

uuRdSfdV11

δσδ

∑ ∑

t+

ijt

na geometria indeformada do corpo sólido).

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

∂+

∂∂

=i

j

j

iij x

uxu δδ

δε21 - Componentes do tensor de deformações na configuração

indeformada do corpo sólido, correspondente ao deslocamento virtual imposto.

iuδ - Componentes do locamento virtual imposto na configuração indeformada do

corpo sólido.

des

70

Page 84: CENTRO DE PESQUISAS E DESENVOLVIMENTO … para anÁlise e projeto de dutos submarinos submetidos a altas pressÕes e temperaturas via aplicaÇÃo do mÉtodo dos elementos finitos

ix - Componentes das coordenadas cartesianas do corpo sólido na sua configuração

deformada.

- Superfície onde são aplicadas forças distribuídas.

c - Superfície de contato para cada um dos corpos (L=1,...N).

- Calculado na superfície (as componentes

in

fS

S

iSi uu δδ = fS iuδ , são nu rf ,

- Volume do corpo sólido.

- Componentes das forças volumétricas aplicadas no corpo sólido no instante t +

t.

f∆ - Componentes das forças de superfície aplicadas no corpo sólido no instante t +

∆t.

R∆ - Componentes das forças concentradas aplicadas no corpo sólido no instante t +

t.

σ∆ - Componentes das forças de superfície aplicadas no contato no instante t + ∆t.

s Figuras 3.5 e 3.6 ilustram esquematicamente o caso particular de dois corpos sólidos

m contato, que serão abordados de forma mais detalhada. Os conceitos descritos a

seguir podem ser estendidos facilmente para o caso mais geral de N c c

las na supe ície S

onde são prescritos deslocamentos).

u

V

Vi

tt f∆+

t+ Si

t

t+ Ci

t

t+ ci

t

Os termos entre parênteses são os termos usuais da expressão dos trabalhos virtuais para

análise com deslocamentos infinitesimais (pequenos deslocamentos), enquanto o último

termo do lado direito da equação (3.42), representa a contribuição dos esforços no

contato.

A

e

orpos em ontato.

71

Page 85: CENTRO DE PESQUISAS E DESENVOLVIMENTO … para anÁlise e projeto de dutos submarinos submetidos a altas pressÕes e temperaturas via aplicaÇÃo do mÉtodo dos elementos finitos

Figura 3.5 – Corpos sólidos em contato num instante t + ∆t

Figura 3.6 – Detalhe dos corpos sólidos em contato mostrando esforços no contato

72

Page 86: CENTRO DE PESQUISAS E DESENVOLVIMENTO … para anÁlise e projeto de dutos submarinos submetidos a altas pressÕes e temperaturas via aplicaÇÃo do mÉtodo dos elementos finitos

Nas Figuras 3.5 e 3.6 os corpos sólidos em contato são chamados de I e J . Seja

o vetor de esforços superficiais de contato no corpo I devido ao contato com o { }IJttσ

∆+

corpo J, logo { } { } { }JIttIJttcttσσσ

∆+∆+∆+=−= . Desta forma o trabalho virtual devido aos

e J, conforme (3.42) pode ser escrito como.

3.43)

Onde e são as componentes dos deslocamentos virtuais nas direções normal e

tangencial nas superfícies de contato dos corpos sólidos I e J, assim:

esforços no contato entre os corpos sólidos I

IJ

S

IJi

IJi

ttJI

S

Ji

JIi

ttIJ

S

Ti

IJi

tt

L Sc

ci

ci

tt dSudSudSudSuIJJIIJ∫∫∫∑ ∫ ∆+∆+∆+

=

∆+ =+= δσδσδσδσ2

1

(

I Jiuδ iuδ

Ji

Ii

ci

IJi uuuu δδδδ −=∆= (3.44)

Utilizando (3.43) a equação do principio dos trabalhos (3.42) pode ser reescrita como:

∑∫∫∫∫ ∆+∆+∆+∆+∆+ ++=∆+i

iCi

ttSi

Sf

Si

tti

V

Vi

tt

Sc

ci

ci

ttij

Vij

tt URdSufdVufdSudV δδδδσδεσ

(3.45)

Na equação acima foi omitida por simplicidade a somatória envolvendo os corpos

lidos em contato. A superfície de contato entre os corpos sólidos pode ser variável

onforme visto acima. Neste trabalho porém a superfície de contato inicial será

onsiderada conhecida, o que permite a utilização de elementos de interface especiais

omo será visto adiante, permitindo a utilização de diferentes leis constitutivas para

onsiderar a interação entre os corpos em contato.

c

c

c

c

73

Page 87: CENTRO DE PESQUISAS E DESENVOLVIMENTO … para anÁlise e projeto de dutos submarinos submetidos a altas pressÕes e temperaturas via aplicaÇÃo do mÉtodo dos elementos finitos

Reescrevendo (3.45) na sua forma matricial para utilização no método dos elementos

nitos. fi

{ } { } { } { }e

ecsn

Sc

Tcsn

e

V

T dSddVee

∆tt∆tt ++

=⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛∆+∑ ∫∫ σδσεδ )()(

)()(

{ } { } { } { } { } { }CT

e

eS

S

TeV

V

T RUdSfddVfdee

∆tt∆tt∆tt +++ +⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

+= ∑ ∫∫ δδδ )()(

)()(

(3.46)

onde:

{ } [ ] { } { } { } { }( )opD θ ∆tt∆tt∆tt∆tt∆tt +++++ −−−= εεεεσ (3.47)

{ } [ ] { } { }( ) { } { }pcsn

ecsn

pcsn

csnsn

csn ddC σσσ

∆tt∆tt∆tt∆tt∆tt ++++++=∆−∆= (3.48)

Utilizando (3.47) e (3.48) na equação de equilíbrio (3.46), tem-se:

{ } [ ] { } { } { } { }( )

{ } [ ] { } { } )

{ } { } { } { } { } { }CT

e

eS

S

TeV

V

T

epc

snSc

V

T

RUdSfddVfd

dSd

D

ee

e

∆tt∆tt∆tt

t

∆tt

+++

+

+⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+=

=

⎟⎟⎟⎟

⎜⎜

∑ ∫∫

∑∫

δδδ

εεδ

)()(

)()(

)(

eop dV∆tt∆tt∆tt +++ ⎞+−−− εεε θ )(

(e csnsn

Tcsn dCd

e

∆t∆tt ++

⎜⎜ −∆∆+ ∫δ

)(

(3.49)

74

Page 88: CENTRO DE PESQUISAS E DESENVOLVIMENTO … para anÁlise e projeto de dutos submarinos submetidos a altas pressÕes e temperaturas via aplicaÇÃo do mÉtodo dos elementos finitos

Reescrevendo a equação acima tem-se:

{ } [ ] { } { } [ ] { }

{ } { } { } { } { } [ ] { }

{ } [ ] { } { }e epcTc

SV

dSdCd ∆tt+⎜⎜

+∆∆+∑

∫∫ δδ )( [ ] { } { } [ ] { }

{ } { }CT

eo

V

Te

V

Tsnsn

Scsn

ep

V

TeSTeVT

esnsn

Scsn

V

RU

dVDdVD

dVDdSfddVfd

dSdCddVD

eee

eee

ee

∆tt

∆tt∆tt

∆tt∆tt∆tt

+

++

+++

+

+

⎟⎟⎟⎟

+

+++

=

=⎟⎟⎠

⎜⎜⎝

∆∆+

∫∫∫

∫∫

δ

εεδεε

εεδδδ

δεεδ

θ )()(

)()()(

)()()(

)()()(

)()(

(3.50)

ando as relações para os deslocamentos e deformações em função dos

eslocamentos nodais obtidas nos itens anteriores ao nível do elemento, e reescritas

baixo, tem-se:

ecTceT ∆tt∆tt ++ ⎞⎛ )()(∑

Utiliz

d

a

{ } [ ] { }UB ∆tttt +∆+ =ε { } [ ] { }UBd ∆ttG

csn

tt +∆+=∆

mitindo o superescrito t + ∆t por simplicidade, tem-se:

{ } [ ] { }UHd ∆tt∆tt ++ =

(3.51)

O

{ } { } [ ]TTT BUδεδ = { } { } [ ]TGT BUδ { } { } [ ]TTT HUd δδ = Tc

snd δ=∆

(3.52)

Utilizando (3.52) na equação (3.50

), obtém-se a equação de equilíbrio em termos dos

deslocamentos totais num instante t + ∆t como incógnita.

75

Page 89: CENTRO DE PESQUISAS E DESENVOLVIMENTO … para anÁlise e projeto de dutos submarinos submetidos a altas pressÕes e temperaturas via aplicaÇÃo do mÉtodo dos elementos finitos

{ } ] [ ][ ]( ) [ ] [ ][ ] [ { }

{ }( )

[ ] { } }

[ ] [ ] { } [ ] [ ]

[ ] {

{ }

[ { }

∫∫

∫∫

⎟⎟⎟⎟

⎟⎟⎟⎟⎟⎟

⎜⎜

⎜⎜⎜⎜⎜⎜

+

=⎟⎟⎠

⎞⎜⎝

+

+

++

++

+

++

+

CVV

epcsnsn

TG

epT

eS

S

Vtt

V

T

T

eGsn

ScG

e

V

T

RdVDBdVDB

dSdCBdVDB

dSdfH

U

UdSBdVBDB

ee

e

ee

t

∆tt∆tt

∆tt

)()(

)(

)(

)()(

)(

)()(

εε

εδ

(3.53)

Eliminando o termo de ambos o membros, temos a seguinte equação matricial

do método dos elementos finitos para pequenos deslocamentos considerando não-

linearidade física e contato entre os corpos, conforme mostrado abaixo.

∑ ∫⎜⎛ eTT BCU )(δ

∫+ +∆ttTSe∆ fHVe

)(

)(

=

[ ] [ ] { } [ ] ] { }

⎜⎜⎜

+++

+

e

eoTeT

ScV ee

∆t∆tt∆tt )()(

)()(

θ

{ }δ UT

[ ] { } { } { } { } { } { } { CNLoSVU RRRRRRUK ∆tt∆tt∆tt∆tt∆tt∆tt∆tt +++++++ +++++= θ }(3.54)

onde:

∫ ⎟⎠

+ GsnSc

G dSBCBe )(

[ ] [ ] [ ] [ ][ ]∑ ∫∑ ⎟⎞

⎜⎜⎝

⎛==

e

eTe

V

T

e

eUU dVBDBKK

e

)()()(

)(

[ ] [ ][ ]

{ } { } [ ] { }∑ ∫∑ ==e

eV

V

T

e

eVV dVfHRR

e

)()(

)(

{ } { } [ ] { }∑ ∫∑ ==e

eS

S

Ts

e

eSS dSfHRR

e

)()(

)(

76

Page 90: CENTRO DE PESQUISAS E DESENVOLVIMENTO … para anÁlise e projeto de dutos submarinos submetidos a altas pressÕes e temperaturas via aplicaÇÃo do mÉtodo dos elementos finitos

{ } { } [ ] [ ]{ }∑ ∫∑ ==e

e

V

T

e

e dVDBRRe

)()(

)(

θθθ ε

V

T

e

eoo dVDBRR

e

)()(

)(

ε { } { } [ ] [ ]{ }∑ ∫∑ ==e

eo

{ } { } [ ] [ ]{ } [ ] [ ]{ }∑ ∫∫∑ ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛∆+==

e

epcsnns

Sc

TG

ep

V

T

e

eNLNL dSdCBdVDBRR

ee

)()()(

)()(

ε

(3.55)

A equação (3.54) fornece o sistema de equações não-lineares, para meios contínuos

considerando a não linearidade física do material sólido e do contato entre os corpos,

através quinto termo do lado direito da equação, que no incremento t+

o. Para se resolver este problema a equação (3.54) pode ser obtida na sua

ma recursiva, reescrevendo-se as equações constitutivas (3.47) e (3.48), conforme

∆t é

desconhecid

for

abaixo:

{ } [ ] { } { } { } { }( )okpkk D εεεεσ θ −−−≅ +−+++ ∆tt∆tt∆tt∆tt )1()()( (3.56)

{ } [ ] { } { }( ))1()()( −+++∆−∆≅

kpcsn

kcsnns

kcsn ddC ∆tt∆tt∆tt

σ (3.57)

rando-se a contribuição da iteração k. Isto pode ser melhor observado

escrevendo (3.47) e (3.48) na sua forma incremental iterativa conforme abaixo.

Nas equações (3.56) e (3.57), os termos dependentes das deformações plásticas

acumuladas e dos deslocamentos não-lineares relativos do contato são ‘’linearizados”,

desconside

re

77

Page 91: CENTRO DE PESQUISAS E DESENVOLVIMENTO … para anÁlise e projeto de dutos submarinos submetidos a altas pressÕes e temperaturas via aplicaÇÃo do mÉtodo dos elementos finitos

{ } [ ] { } { } { } { }( )[ ] { } { } { } { }( ) [ ]{ } { } { } { }( )k

ok

kpkokpk

okpkk

DD

D

11)()()1()1(

)()()(

δεδεεεεεεε

εεεεσ

θθ

θ

∆−∆−∆−∆+−−−=

−−−=

−+−+

++++

tt∆tt∆tt

∆tt∆tt∆tt∆tt∆t

+t

(3.58)

{ } [ ] { } { }( )

[ ] { } { }( ) [ ] ( ){ } ( ){ }( ))()()1()1(

)()()(

kpcsn

kcsnsn

kpcsn

kcsnsn

kpcsn

kcsnsn

kcsn

ddCddC

ddC

∆∆∆∆+∆−∆=

∆−∆=

+−

+−+−+

+++

∆tt∆tt∆tt∆tt

∆tt∆tt∆ttσ

(3.59)

ro, corrigido iterativamente até que os acréscimos de deformação

lástica e deslocamento relativo não-linear do contato da iteração k, seja desprezível.

equação de equilíbrio (3.54) escrita na forma recursiva, utilizando as relações

constitutivas linearizadas (3.56) e (3.57) na equação de equilíbrio (3.56) é mostrada

abaixo, s

Desprezando as contribuições dos incrementos não-lineares da iteração k nas expressões

(3.58) e (3.59) para os elementos sólidos e de interface, obtêm-se as equações (3.56) e

(3.57), que são relações aproximadas, que utilizadas na equação de equilíbrio (3.56)

originam um er

p

A

eguindo os mesmos passos desenvolvidos anteriormente.

[ ] { } { } { } { } { } { } { Ck

NLoSVk

U RRRRRRUK ∆tt∆tt∆tt∆tt∆tt∆tt∆tt +−++++++ +++++= )1()(θ }

(3.60)

78

Page 92: CENTRO DE PESQUISAS E DESENVOLVIMENTO … para anÁlise e projeto de dutos submarinos submetidos a altas pressÕes e temperaturas via aplicaÇÃo do mÉtodo dos elementos finitos

onde:

⎞⎜⎜⎛

+= eGsn

TG

eTU dSBCBdVBDBK )()(

eVttTt dVfHR )(

V

t

e )(

[ ] [ ] [ ][ ] [ ] [ ][ ]∑ ∫∫ ⎟⎟⎠⎝e ScV ee )()(

{ } [ ] { }∑ ∫ ∆+∆+ =t

e VV

e )(

{ } [ ] { }∑ ∫ ∆+∆+ =e

eS

S

ttTSS

tt dSfHRe

)(

)(

{ } [ ] [ ] { }∑ ∫ ∆+∆+ = ettTt dVDBR )(θθ ε

e

{ } [ ] [ ] { }∑ ∫ ∆+∆+ =e

eott

V

To

tt dVDBRe

)(

)(

ε

{ } [ ] [ ] { } [ ] [ ] { }∑ ∫∫ ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛∆+=

−+−∆+−∆+

e

ekpc

snsnSc

TG

ekptt

V

TkNL

tt dSdCBdVDBRee

)()1(

)()1()1(

)()(

∆ttε

(3.61)

79

Page 93: CENTRO DE PESQUISAS E DESENVOLVIMENTO … para anÁlise e projeto de dutos submarinos submetidos a altas pressÕes e temperaturas via aplicaÇÃo do mÉtodo dos elementos finitos

3.1.5 EQUAÇÃO DE EQUILÍBRIO DO MÉTODO DOS ELEMENTOS FINITOS

este item será mostrada a equação incremental-iterativa do método dos elementos

ativa já linearizada, desprezando-se a contribuição do

cremento de deformações plásticas da iteração k, conforme mostrado item anterior, e

escritas abaixo.

PARA PEQUENOS DESLOCAMENTOS (DESLOCAMENTOS

INCREMENTAIS)

N

finitos para pequenos deslocamentos na forma incremental, onde os incrementos de

deslocamentos são a incógnita da equação de equilíbrio. A equação de equilíbrio com os

incrementos de deslocamentos como incógnita será a forma utilizada na implementação

da formulação Lagrangeana Total que será vista adiante.

Para se obter o sistema de equações não lineares do método dos elementos finitos tendo

o incremento de deslocamentos como incógnita, as relações incrementais utilizadas são

escritas abaixo na forma iter

in

{ } { } { } )()1()( kkk uuu ∆+= −++ ∆tt∆tt

{ } { } { } )()1()( kkk εεε ∆+= −++ ∆tt∆tt

{ } { } [ ]{ } { } { }( )ko

kkkk D 11

)()1()( δεδεεσσ θ ∆−∆−∆+≅ −++ ∆tt∆tt

{ } { } [ ] ( ){ } )()1()( kcsnsn

kcsn

kcsn dC ∆∆=

++

−++ ∆tt∆tt∆ttσσ (3.62)

As relações acima mostram como são corrigidos os deslocamentos, deformações e

nsões no processo incremental-iterativo. A primeira iteração de um incremento t + ∆t,

te

considerando que o estado de tensões no incremento t, esta em equilíbrio é dado por:

80

Page 94: CENTRO DE PESQUISAS E DESENVOLVIMENTO … para anÁlise e projeto de dutos submarinos submetidos a altas pressÕes e temperaturas via aplicaÇÃo do mÉtodo dos elementos finitos

{ } { } { } )1()1( uuu ∆+=+ t∆tt

{ } { } { } )1()1( εεε ∆+=+ t∆tt

{ } { } [ ]{ } { } { }( )oD εεεσσ θ ∆−∆−∆+≅+ )1()1( t∆tt

{ } { } [ ] ( ){ } )1()1( csnsn

csn

csn dC ∆∆=

∆++

+ ttt∆ttσσ (3.63)

Utilizando as duas últimas expressões de (3.62) na equação de equilíbrio (3.46

ue:

) temos

q

{ } { } [ ]{ } { } { }( )( )

{ } { } [ ] ( ){ }( )

{ } { } { } { } { } { }CT

e

eS

S

TSeV

V

T

e ekc

snsnkc

snSc

Tcsn

ddVfd

dSdCd

ee

e

∆tt∆tt∆tt

∆tt∆tt

+++

++

−+

⎟⎞

⎜⎜⎝

⎛+=

⎟⎟⎠

⎜⎜⎝

∆∆∆

∑ ∫∫

∑∫

δδ

σδ

)()(

)()1(

)()(

)(

ek

ok

kk

V

T

RUdSf

dVDe

∆tt −+

+⎟⎠

=⎟⎟⎞

⎜⎜⎛ +∆−∆−∆+∫

δ

δεδεεσεδ θ )(11

)()1(

)(

(3.64)

Utilizando as relações par

função d

a os deslocamentos e deformação ao nível do elemento em

os deslocamentos nodais tem-se:

{ } [ ] { }UB tttt ∆+∆+ =ε { } [ ] { }UBd ttG

csn

tt ∆+∆+=∆ { } [ ] { }UHd ∆tt∆tt ++ =

(3.65)

]{ }U∆=∆{ } [Bε ( ){ } [ ]{ }UBd Gcsn ∆=∆∆

(3.66)

81

Page 95: CENTRO DE PESQUISAS E DESENVOLVIMENTO … para anÁlise e projeto de dutos submarinos submetidos a altas pressÕes e temperaturas via aplicaÇÃo do mÉtodo dos elementos finitos

Omitindo o superescrito t + ∆t por simplicidade, tem-se:

{ } { } [ ]TTT BUδεδ = { } { } [ ]TGTTc

sn BUd δδ =∆ { } { } [ ]TTT HUd δδ =

(3.67)

{ } { } [ ]TTT BU∆=∆ δεδ ( ){ } { } [ ]TGTTc

sn BUd ∆=∆∆ δδ

(3.68)

tilizando (3.67) e (3.68) em (3.64), obtém-se a equação de equilíbrio em termos dos

U

deslocamentos incrementais num instante t + ∆t como incógnita.

{ }( ) [ ] [ ][ ] [ ] [ ][ ] { }

{ }( )

( )

[ ] { }( ) [ ] { }( )

[ ] [ ]{ } [ ] [ ]{ } { }

∫∫

∫∫

⎟⎟⎟⎟

⎟⎟⎟

⎟⎟

⎜⎜

⎜⎜⎜⎜⎜

⎝+∆∆

=∆⎟⎠

++

+−+

+−+

+

CkV

kV

ekcsn

TG

ekT

V

T

Gsn

RdVDBdVDB

dSBdVBU

UdSB

ee

e

∆t

∆tt∆tt

11

)(1)(1

)()(

)(

δεδε

σσδ

os a seguinte equação matricial

o método dos elementos finitos para problemas com não-linearidade física e contato

∑ ∫∫ ⎟⎞

⎜⎜⎝

⎛+ k

e

e

Sc

TG

e

V

TT CBdVBDBUee

)()(

)()(

δ

[ ] { } [ ] { }∫∫⎜⎛

+ +++ eS∆ttTSeV∆ttT dSfHdVfH )()(

⎟S e )(

=⎟

⎜⎜⎜

+

e

eoTeT

ScV ee

t)()(

)()(

θ

(3.69)

Eliminando o termo { }δ UT de ambos o membros, tem

d

entre os corpos, conforme mostrado abaixo.

82

Page 96: CENTRO DE PESQUISAS E DESENVOLVIMENTO … para anÁlise e projeto de dutos submarinos submetidos a altas pressÕes e temperaturas via aplicaÇÃo do mÉtodo dos elementos finitos

[ ] { } { } { } { } { } { }NLoSV RRRR ∆tt∆tt∆tt∆tt ++++ ++++ (θ { }C

kkU RRUK ∆tt∆tt∆tt +−++ +=∆ )1)(

(3.70)

V

t

S e )(

(3.71)

s equações (3.60) e (3.70) são equivalentes, sendo que na primeira obtém-se

diretamente o campo de deslocamentos da iteração k, enquanto na segunda é necessário

utilizar a expressão (3.62) para atualizar o campo de deslocamentos.

A correção da tensão em um ponto de integração do domínio é feita utilizando a teoria

a Plasticidade (ZIENKIEWICZ,1969), conforme será visto no capítulo 4.

[ ] [ ] [ ][ ] [ ] [ ][ ]∑ ∫∫ ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+=

e

eGsn

Sc

TG

e

V

TU dSBCBdVBDBK

ee

)()(

)()(

{ } [ ] { }∑ ∫ ∆+∆ =e

eVttTV

t dVfHRe

)(

)(

+

{ } [ ] { }∑ ∫ ∆+∆+ = eSttTSS

tt dSfHR )( e

{ } [ ] [ ]{ }∑ ∫ ∆=∆+

e

ek

V

Ttt dVDBRe

)(1

)(

δε θθ

{ } [ ] [ ]{ }∑ ∫ ∆=e

ek

o

V

To dVDBR

e

)(1

)(

δε

{ } [ ] { }( ) [ ] { }( )∑ ∫∫ ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

−++

−+−∆+

e

ekcsn

Sc

TG

ek

V

TkNL

tt dSBdVBRee

)(1)(1)1(

)()(

σσ∆tt∆tt

A

d

83

Page 97: CENTRO DE PESQUISAS E DESENVOLVIMENTO … para anÁlise e projeto de dutos submarinos submetidos a altas pressÕes e temperaturas via aplicaÇÃo do mÉtodo dos elementos finitos

3.2 EQUAÇÃO DE EQUILÍBRIO DO MÉTODO DOS ELEMENTOS FINITOS

ARA GRANDES DESLOCAMENTOS (FORMULAÇÃO LAGRANGEANA

T

de eq r

ilizadas no instante t + ∆t, são referidas em relação à

onfiguração inicial conforme visto no capítulo 2 (MALVERN,1969, COSTA,1984,

BATOZ,1980), sendo dada por:

nde:

P

OTAL)

Na formulação Lagrangeana total, a equação uilíb io e as respectivas medidas de

tensão e deformação ut

c

BATHE,1996, BATHE et al., 1979,

RVdS ttoij

tto

Vij

tto

o

∆+∆+∆+ =∫ εδ (3.72)

O

( )( )( )mnnjttmittttijo ρ ∆+∆+∆+ ,,ttoo

ott xxS τρ ∆+∆+ = (3.73)

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−

∂∂

∂∂

=∆+∆+

∆+ij

jo

ktt

io

ktt

ijtt

o xx

xx δε

21 (3.74)

(3.75)

ara a obtenção da decomposição incremental da equação de equilíbrio (3.72), o

segundo tensor de tensões de Piolla-Kirchoff, o tensor de deformações de Green-

Lagrange e as coordenadas dos pontos materiais no instante t + ∆t, são decompostos da

guinte forma:

SdufVdufR oi

S

Si

ttoi

V

Vi

tttt

oo

δδ ∫∫ ∆+∆+∆+ +=

P

se

84

Page 98: CENTRO DE PESQUISAS E DESENVOLVIMENTO … para anÁlise e projeto de dutos submarinos submetidos a altas pressÕes e temperaturas via aplicaÇÃo do mÉtodo dos elementos finitos

ijoijt

oijtt

o SSS ∆+=∆+ (3.76)

(3.77)

(3.118)

Utilizando (3.78) em (3.74), obtêm-se as parcelas do tensor de deformações de Green-

Lagrange definidas em (3.77) em função do campo de deslocamentos.

A primeira parcela de (3.77) em função do campo de deslocamentos é dada por:

ijoijt

oijtt

o εεε ∆+=∆+

iit

io

itt uuxx ∆++=∆+

⎟⎟⎠

⎞⎛ ∂∂∂∂ ttj

ti

t uuuu1⎜⎜⎝ ∂∂

+∂

+∂

=j

or

io

r

io

joij

t

xxxx2ε (3.79) o

Dividindo-se a segunda parcela de (3.77) conforme abaixo:

ijoijoijo e ηε ∆∆=∆ + (3.80)

Pode-se mostrar (COSTA,1984, BATHE,1996), que estas são definidas como:

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

∂∆∂

∂∂

+∂∆∂

∂∂

+∂

∆∂+

∂∆∂

=∆i

or

jo

rt

jo

r

io

rt

io

j

jo

iijo x

uxu

xu

xu

xu

xu

e21 (3.81)

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

∂∆∂

∂∆∂

=∆j

or

io

rijo x

uxu

η (3.82)

Onde ijo e∆ e ijoη∆ , são respectivamente as parcelas linear e não-linear do incremento

do tensor de deformações de Green-Lagrange, referidas em relação à configuração

ormada do corpo sólido.

indef

85

Page 99: CENTRO DE PESQUISAS E DESENVOLVIMENTO … para anÁlise e projeto de dutos submarinos submetidos a altas pressÕes e temperaturas via aplicaÇÃo do mÉtodo dos elementos finitos

Utilizando-se (3.76) e (3.77) na equação de equilíbrio (3.72), tem-se:

( ) ( ) RVdSS ttoijoij

to

Vijoij

to

o

∆+=∆+∆+∫ εεδ (3.83)

esenvolvendo a expressão (3.83) e utilizando-se ( ) ijoijoijt

o εδεεδ ∆=∆+D , pois a

ção δ é aplicada sobre a configuração no instante t+∆t, chega-se a:

SSV

ijoijoijt

oo

∆∆+∆∫ δεδ

-se (3.80) em (3.84), e reagrupando os termos da equação que geram

incógnitas do lado esqu

(3.85)

Na equação (3.85) os termos do lado direito da equação são independentes do

incremento de deslocamentos ∆ui, enquanto o primeiro termo do lado esquerdo da

equação é uma função altamente não linear do incremento de deslocamentos ∆ui , e o

segundo termo função linear do incremento de deslocamentos ∆ui .

A relação constitutiva utilizada para relacionar o incremento no segundo tensor de

tensões de Piolla-Kirchoff com o incremento no tensor de deformações de Green-

Lagrange, é fornecida abaixo:

varia

( ) RVd ttoijo

∆+=ε (3.84)

Utilizando

erdo, chega-se a:

VdeSRVdSVdS o

Vijoij

to

tto

Vijoij

to

o

Vijoijo

ooo∫∫∫ ∆−=∆+∆∆ ∆+ δηδεδ

( )oP

ijoijoijoijoijrsoijo DS εεεεθ

∆−∆−∆−∆=∆ (3.86)

86

Page 100: CENTRO DE PESQUISAS E DESENVOLVIMENTO … para anÁlise e projeto de dutos submarinos submetidos a altas pressÕes e temperaturas via aplicaÇÃo do mÉtodo dos elementos finitos

Para a implementação do esquema numérico utilizando a formulação Lagrangeana Total

através do método dos elementos finitos, é necessário fazer

ações no primeiro termo de (3.83), pois conforme dito

incremento de

entos.

Para tal é utilizada a linearização física-geométrica no incremento do segundo tensor de

tensões de Piolla-Kirchoff (3.85), conforme mostrado abaixo:

a linearização da equação

(3.83), através de aproxim

anteriormente este termo é uma função altamente não linear do

deslocam

( ) ( )oo θθP

ijoijoijoijrsoijoijoijoijoijrsoijo eDDS εεεεεε ∆−∆−∆≅∆−∆−∆−∆=∆ (3.87)

earização feita em (3.87) e aproximando

Utilizando a lin εo∆ por , na equação

a-se a seguinte equação de equilíbrio linearizada:

Vijoijoijrso

o

o

o

ooo

∫∫

∫∫∫

∆∆+∆∆+

+∆−=∆ ∆+

δεδε

δηδ

θ

(3.88)

O primeiro termo da equação de equilíbrio acima, é agora uma função linear do

incremento de deslocamen

eo∆

(3.84), cheg

VdeDVdeD

VdeSRVdSVdeeD

o

Vijoijoijrso

o

Vijoijoijrso

o

Vijoij

to

tto

Vijoij

to

o +∆∆ δ

tos, pois ijo e∆δ é independente de

A solução da equação (3. entos, podendo-se

obter uma primeira estimativa para o campo de deslocamentos, do segundo tensor de

tensões

instant

iu∆ .

88) fornece um incremento de deslocam

de Piolla-Kirchoff e do tensor de deformações de Green-Lagrange, para o

e t + ∆t como mostrado a seguir:

87

Page 101: CENTRO DE PESQUISAS E DESENVOLVIMENTO … para anÁlise e projeto de dutos submarinos submetidos a altas pressÕes e temperaturas via aplicaÇÃo do mÉtodo dos elementos finitos

1()1(

iit

itt uuu ∆+=∆+ ) (3.89)

(3.90)

(3.91)

os tensores de deformação e tensão atualizados é possível verificar o desequilíbrio

alho realizado pelas forças externas e internas atuantes no corpo sólido no

stante t + ∆t, devido a linearização feita na equação de equilíbrio, e dado por:

(3.92)

a equação acima o superescrito indica a primeira iteração do processo de

ões para se alcançar o

quilíbrio estrutural.

Reescrevendo a equação (3.88) com o superescrito k ( k-ésima iteração ), obtém-se a

equação recursiva incremental iterativa para a formulação Lagrangeana-Total

considerando as não-linearidades Física e Geométrica para meios contínuos.

(3.93)

om o incremento de deslocamentos para a iteração k do incremento t + ∆t, atualiza-se

ovamente o campo de deslocamentos, o segundo tensor de tensões de Piolla-Kirchoff,

e o tensor de deformações de Green-Lagrange, utilizando as equações (3.89) a (3.91)

para a iteração k, como mostrado abaixo:

)1()1(ijoij

toij

tto εεε ∆+=∆+

)1()1( SSS oijt

oijtt

o ∆+=∆+

Com

entre o trab

in

∫ ∆−= ∆+∆+

V

oijoij

tto

tt

o

VdSRErro )1()1()1( εδ

N

convergência, visto que em geral são necessárias várias iteraç

e

VdeDVdeD

VdeSRVdSVdeeD

o

V

kijoijokijrso

o

V

kijoijokijrso

o

V

kijo

kij

tto

tto

V

kijo

kij

tto

o

V

kijo

kijoijrso

o

o

o

ooo

∫∫

∫∫∫

∆∆+∆∆+

+∆−=∆+∆∆ −∆+∆+−∆+

)(1

)(1

)()1()()1()()(

δεδδεδ

δηδδ

θ

C

n

88

Page 102: CENTRO DE PESQUISAS E DESENVOLVIMENTO … para anÁlise e projeto de dutos submarinos submetidos a altas pressÕes e temperaturas via aplicaÇÃo do mÉtodo dos elementos finitos

)()1()( k

ik

ittk

itt uuu ∆+= −∆+∆+ (3.94)

(3.95)

(3.96)

forças externas e internas através de

ritérios de convergência apropriados (BATHE/CIMENTO,1980).

3.2.1 DISCRETIZAÇÃO UTILIZANDO ELEMENTOS FINITOS PARA

MODELOS BIDIMENSIONAL E AXISSIMÉTRICO

A discretização da equação (3.93) para modelos bidimensionais de estado plano de

tensão e deformação e modelos axissimétricos, é feita por meio de elementos finitos

isoparamétricos, a partir da decomposição do tensor de deformações de Green-Lagrange

conforme mostrado a seguir.

(3.97)

nde utilizando novamente (3.80) e (3.81) com o superescrito da iteração k, tem-se:

)()1()( kijo

kij

tto

kij

tto εεε ∆+= −∆+∆+

)()1()( ko

kij

tto

kij

tto SSS ∆+= −∆+∆+

Devendo-se verificar o desequilíbrio entre as

c

)()()( k

ijok

ijok

ijo e ηε ∆+∆=∆

O

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

∂∆∂

∂∂

+∂∆∂

∂∂

+∂∆∂

+∂∆∂

=∆−∆+−∆+

io

kr

jo

kr

tt

jo

kr

io

kr

tt

io

kj

jo

kik

ijo xu

xu

xu

xu

xu

xue

)()1()()1()()()(

21 (3.98)

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

∂∆∂

∂∆∂

=∆j

o

kr

io

krk

ijo xu

xu )()(

)(η ( 9)

Abrindo as equações (3.98) e (3.99), para sua aplicação na análise de problemas de

estado plano de tensões e deformações e também de estruturas axissimétricas, obtém-se:

3.9

89

Page 103: CENTRO DE PESQUISAS E DESENVOLVIMENTO … para anÁlise e projeto de dutos submarinos submetidos a altas pressÕes e temperaturas via aplicaÇÃo do mÉtodo dos elementos finitos

1

)(2

1

)1(2

1

)(1

1

)1(1

1

)(1)(

11 xu

xu

xu

xu

xue o

k

o

ktt

o

k

o

ktt

o

kk

o ∂∆∂

∂∂

+∂∆∂

∂∂

+∂∆∂

=∆−∆+−∆+

2222 xxx ooo ∂∂+

)(2

)1(2

)(1

)1(1

2

)(2)(

22uuu

xu

xue

kkttk

o

ktt

o

kk

o∆∂∂∆∂

∂∂

+∂∆∂

=∆−∆+−∆+

⎟⎟⎠

⎞∂∆∂

∂∂

+∂∆∂

∂∂

+

⎜⎜⎝

⎛+

∂∆∂

∂∂

+∂∆∂

∂∂

+⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛∂∆∂

+∂∆∂

=

−∆+−∆+

−∆+−∆+

1

)(2

2

)1(2

1

)(1

2

)1(1

2

)(2

1

)1(2

2

)(1

1

)1(1

1

)(2

2

)(1)(

21 21

21

xu

xu

xu

xu

xu

xu

xu

xu

xu

xue

o

k

o

ktt

o

k

o

ktt

o

k

o

ktt

o

k

o

ktt

o

k

o

kk

∆=∆ )(12e ok

o

1

)(1

)1(1

1

)(1)(

33 xuu

xue o

kktt

o

kk

o∆

+∆

=−∆+

(3.100) ∆

⎟⎟

⎜⎜

⎛⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛∂∆∂

+⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛∂∆∂

=2

1

)(2

2

1

)(1)(

11 21

xu

xu

o

k

o

kk

oη ∆

⎟⎟

⎜⎜

⎟⎟⎠

⎜⎜⎝ ∂

=2

1)(22 2 xok

oη⎝

⎛⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛∂∆∂

+⎞⎛ ∆∂

∆2

2

)(2

2)(1xuuo

kk

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛∂∆∂

∂∆∂

+∂∆∂

∂∆∂

=∆=∆2

)(2

1

)(2

2

)(1

1

)(1)(

21)(

12 21

xu

xu

xu

xu

o

k

o

k

o

k

o

kk

ok

o ηη

2

1

)(1)(

331

⎟⎟⎞

⎜⎜⎛ ∆

=∆uo

kk

oη 2 ⎠⎝ x (3.101)

k3

k a

estruturas axissimétricas.

Nas equações (3.100) e (3.101) os termos 33o e∆ e 3oη∆ , são utilizados somente par)( )(

90

Page 104: CENTRO DE PESQUISAS E DESENVOLVIMENTO … para anÁlise e projeto de dutos submarinos submetidos a altas pressÕes e temperaturas via aplicaÇÃo do mÉtodo dos elementos finitos

O tensor de deformações linear pode ser dividido em duas parcelas. A primeira

função das derivadas parciais dos incrementos de desloc

k, e uma segunda função também dos deslocamentos acumulados até a iteração (k-1),

conforme pode ser visto abaixo.

)(kijo e∆

amentos para uma dada iteração

( )( )( ) ( )( )( )kijo

kijo

kijo eee 21)( ∆∆=∆ + (3.102)

Onde:

( )( )( )

1

)(11

11 xue o

kk

o ∂∆∂

=∆

)( )( )(2

)(21

22 xue o

kk

o ∂∆∂

= ∆

( )( )( ) ( )( )( )⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛∂∆∂

+∂∆∂

=∆=∆1

)(2

2

)(11

21112 2

1x

uxuee o

k

o

kk

ok

o

( )( )( )

1

)(11

33 xue o

kk

o∆

=∆ (3.103)

e

( )( )1

)(2(2 u k∆

1

)1(2

1

)(1

1

)1(1)

11 xxu

xu

xue oo

ktt

o

k

o

kttk

o ∂∂

∂∂

+∂∆∂

∂∂

=∆−∆+−∆+

( )( )2

)(2

2

)1(2

2

)(1

2

)1(1)(2

22 xuu

xu

xue o

k

o

ktt

o

k

o

kttk

o ∂∆∂

∂∂

+∂∆∂

∂∂

=∆−∆+−∆+

x

91

Page 105: CENTRO DE PESQUISAS E DESENVOLVIMENTO … para anÁlise e projeto de dutos submarinos submetidos a altas pressÕes e temperaturas via aplicaÇÃo do mÉtodo dos elementos finitos

( )( ) ( )( )

⎟⎟⎠

⎞∂∆∂

∂∂

+∂∆∂

∂∂

+

⎜⎜⎝

⎛+

∂∆∂

∂∂

+∂∆∂

∂∂

=∆=∆

−∆+−∆+

−∆+−∆+

1

)(2

2

)1(2

2

)(1

2

)1(1

2

)(2

2

)1(2

2

)(1

1

)1(1)(2

21)(2

12 21

xu

xu

xu

xu

xu

xu

xu

xu

ee

o

k

o

ktt

o

k

o

ktt

o

k

o

ktt

o

k

o

kttk

ok

o

( )( )1

)(1

)1(1)(2

33 xuue o

kkttk

o∆

=∆−∆+

(3.104)

ada tensor de deformação linear apresentado acima, está associado a uma matriz de

imeiro tensor de

.102), apresentado abaixo na forma matricial.

C

transformação linear (deslocamento versus deformação), sendo o pr

(3

( )

icasaxissimétrestrutxuxuxuxuxu

e

ee

k

o

o

o

o

o

k

o

o

o

o

.

10000001100100000001

1

1

2

2

1

2

2

1

1

1

)(

)1(33

)1(12

)1(22

)1(11

→⎪⎪⎪⎪⎪⎪

⎪⎪⎪⎪⎪⎪

⎪⎪⎪⎪⎪⎪

⎪⎪⎪⎪⎪⎪

∆∂∆∂∂∆∂∂∆∂∂∆∂

⎥⎥⎥⎥

⎢⎢⎢⎢

=

⎪⎪⎭

⎪⎪⎬

⎪⎪⎩

⎪⎪⎨

∆∆∆∆

γ

(3.105)

Ou:

{ } [ ]{ } )(,

)()1(

21

kxx

ko oouAe ∆=∆ (3.106)

a expressão (3.105), foi utilizado , devido a sua aplicação no

princípio dos trabalhos virtuais, expresso na equação (3.93).

)1(

12)1(

12 2 eoo ∆=∆ γN

92

Page 106: CENTRO DE PESQUISAS E DESENVOLVIMENTO … para anÁlise e projeto de dutos submarinos submetidos a altas pressÕes e temperaturas via aplicaÇÃo do mÉtodo dos elementos finitos

Em coordenadas naturais, o vetor de derivadas dos incrementos de deslocamentos é

dado por:

( ) ( )k

o

o

o

o

o

oo

oo

oo

oo

k

o xuxuxuxuxu

xxxx

xxxx

xu

u

u

u

u

⎪⎪⎪⎪⎪⎪

⎪⎪⎪⎪⎪⎪

⎪⎪⎪⎪⎪⎪

⎪⎪⎪⎪⎪⎪

∆∂∆∂∂∆∂∂∆∂∂∆∂

⎥⎥⎥⎥⎥⎥

⎢⎢⎢⎢⎢⎢

=

⎪⎪⎪⎪⎪⎪

⎪⎪⎪⎪⎪⎪

⎪⎪⎪⎪⎪⎪

⎪⎪⎪⎪⎪⎪

∆∂∆∂∂∆∂∂∆∂∂∆∂

1

1

2

2

1

2

2

1

1

1

21

21

21

21

1

1

2

2

1

1

100000,,000,,00000,,000,,

ηη

ξξ

ηη

ξξ

η

ξ

η

ξ

(3.107)

Ou:

{ } [ ]{ } )(,

)(,

21

kxxao

koouJu ∆=∆ ηξ (3.108)

ortanto:

P

{ } [ ] { } )(,

1)(, 21

kao

kxx

uJu oo ηξ∆=∆ − (3.109)

Onde:

( )

)(

2

1

22

21

12

11

111oo xx

u⎢⎣⎪⎪

∆∂η

21

,,2,1

,,2,1

,,2,1

,,2,1

1

1

2

2

1

1

000

000000

000000

k

N

No

N

N

N

N

N

k

o

UU

UUUU

xHHH

HHHHHH

HHHHHH

x

u

u

u

u

⎪⎪⎪⎪

⎪⎪⎪⎪

⎪⎪⎪⎪

⎪⎪⎪⎪

∆∆

∆∆∆∆

⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥

⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎡

=

⎪⎪

⎪⎪⎪

⎪⎪⎪⎪⎪⎪

⎪⎪

⎪⎪⎪

⎪⎪⎪⎪⎪⎪

∆∂∂∆∂∂∆∂∂∆

ML

L

L

L

L

ηηη

ξξξ

ηηη

ξξξ

ξ

η

ξ

(3.110)

⎧∂

93

Page 107: CENTRO DE PESQUISAS E DESENVOLVIMENTO … para anÁlise e projeto de dutos submarinos submetidos a altas pressÕes e temperaturas via aplicaÇÃo do mÉtodo dos elementos finitos

Ou:

{ } [ ] { } )(,

)(,

kk UHu ∆=∆ ηξηξ (3.111)

Utilizando (3.111) em (3.109), tem-se:

{ } [ ] [ ] { } )(,

1)(, 21

kao

kxx

UHJu oo ∆=∆ −ηξ (3.112)

Nas expressões (3.107) e (3.110), foram utilizadas as relações:

r 1

r

o X1

(3.113)

r 1

(3.114)

- Funções de interpolação em coordenadas naturais;

- Coordenadas cartesianas dos pontos nodais na configuração

indeformada do corpo sólido.

- Incremento de deslocamentos dos pontos nodais.

e (3.113), tem-se:

∑=N

ror

o XHx 11 =

∑=N

rorHx 22

=

∑ ∆=∆N

rr UHu 11

=

∑=

∆=∆N

r

rr UHu

122

Onde:

rH

roro XeX 21

rr UeU 21 ∆∆

D

94

Page 108: CENTRO DE PESQUISAS E DESENVOLVIMENTO … para anÁlise e projeto de dutos submarinos submetidos a altas pressÕes e temperaturas via aplicaÇÃo do mÉtodo dos elementos finitos

∑=

=N

r

or

o XHx1

,1 , ξξr

1

∑=N

=

ror

o XHx 2,2 , ξξ

r 1

∑=

=N

r

ror

o XHx1

1,1 , ηη

∑=

=N

r

ror

o XHx1

2,2 , ηη

(3.115)

A primeira parcela do tensor de deformações { } )(ko e∆ é obtida utilizando (3.112) em

(3.106), resultando em:

( ){ } [ ] [ ] [ ] { } )(,

1)(1 kao

ko UHJAe ∆=∆ −

ηξ (3.116)

ou:

( ){ } [ ] { } )(1

)(1 kL

ko UBe ∆=∆ (3.117)

Onde [B]L1 é a matriz [B], usual de pequenos deslocamentos.

segunda parcela do tensor de deformações

{ } )(kA o e∆ , é expressa por :

95

Page 109: CENTRO DE PESQUISAS E DESENVOLVIMENTO … para anÁlise e projeto de dutos submarinos submetidos a altas pressÕes e temperaturas via aplicaÇÃo do mÉtodo dos elementos finitos

( )

( )

( )

( )

( )

( )k

o

o

o

o

ok

o

oo

tt

k

o

o

o

xuxux

uxu

xu

uuuu

xu

xu

ee

⎪⎪⎪⎪⎪⎪

⎪⎪⎪⎪

⎪⎪⎪⎪⎪⎪

⎪⎪⎪⎪

∆∂∆∂∂

∆∂∂∆∂

⎥⎥⎥⎥⎥⎥

⎥⎥

⎢⎢

⎢⎢⎢⎢⎢⎢

∂∂∂∂

∂∂

∂∂

=⎪

⎪⎪⎬

⎪⎪⎧

∆∆∆

−∆+

1

2

2

1

2

1

1

11

1

1

2211

22

1

2

1

1

)(

212

222

211

0000

0

0

000

γ

(3.118)

oo ux

xu

xu

⎪⎪

⎪⎪∆∂∂

⎥⎥

∂∂

∂∂ 221 00

ooooo

xxxxe ⎢⎢ ∂∂∂∂⎪⎭⎪⎩∆ 1212

233

⎪⎨

1

Ou:

( ){ } [ ] { } )(,

)1()(2 ko e∆

21

kxx

ktto oouL ∆= −∆+ (3.119)

Na expressão (3.118), foi utilizado , devido a sua aplicação no

princípio dos trabalhos virtuais, expresso na equação (3.93).

A defini s deslocamentos da última iteração

realizada, é dada por :

)2(12

)2(12 2 eoo ∆=∆ γ

ção da matriz [ ] )1( −∆+ ktto L , que depende do

( )1

1

)1( 01

−∆+

⎪⎫

⎪⎧∂∂

⎡⎫⎧

k

o

ktt

xu

l

1

1

2

2

1

2

2

1

1

33

21

22

12

11

10000001000100000010000

⎪⎪⎪⎪⎪⎪

⎪⎪⎪⎪⎪

⎪⎪⎪⎪⎪⎪

⎪⎪⎪⎪⎪

∂∂∂∂∂∂

⎥⎥⎥⎥⎥⎥

⎢⎢⎢⎢⎢⎢

=

⎪⎪⎪

⎪⎪⎪

⎪⎪⎪

⎪⎪⎪

o

o

o

o

o

xu

xux

ux

u

llll

(3.120)

96

Page 110: CENTRO DE PESQUISAS E DESENVOLVIMENTO … para anÁlise e projeto de dutos submarinos submetidos a altas pressÕes e temperaturas via aplicaÇÃo do mÉtodo dos elementos finitos

Ou:

[ ] [ ] { } )1(,

)1(

21

−∆+−∆+ = kxx

ttL

ktto oouAl (3.121)

nde:

O( ) ( )1

1

11

⎪⎪

⎪⎪

⎪⎪

⎪⎪

oo xu

xu

2

2

1

2

2

1

21

21

21

21

1

1

2

1

1

100000,,000,,00000,,

0,,

−∆+−∆+

⎪⎪⎪⎪

⎪⎪⎪

⎪⎪⎪⎪

⎪⎪⎪

∂∂∂∂∂

∂∂

⎥⎥⎥⎥⎥⎥

⎦⎢⎢⎢⎢⎢⎢

=

⎪⎪

⎪⎪⎪⎪⎪⎪

⎪⎪

⎪⎪⎪⎪⎪⎪

∂∂∂∂∂∂

k

o

o

o

o

tt

oo

oo

oo

oo

ktt

xux

ux

xu

xxxx

xxxx

u

u

u

ηη

ξξ

ηη

ξξ

η

ξ

η

ξ

(3.122)

ou:

1

1

00 ⎪⎪

⎪⎪∂⎤ u

2 ⎪⎪

⎪⎪∂u

{ } [ ] { } )1(,

)1(,

21

−∆+−∆+ = kxx

ttao

kttoouJu ηξ (3.123)

Portanto:

{ } [ ] { } )1(,

1)1(, 121

−∆+−−∆+ = kttao

kxx

tt uJu oo ηξ (3.124)

97

Page 111: CENTRO DE PESQUISAS E DESENVOLVIMENTO … para anÁlise e projeto de dutos submarinos submetidos a altas pressÕes e temperaturas via aplicaÇÃo do mÉtodo dos elementos finitos

Mas:

( )

)1(11

1−∆+

⎫⎧⎪⎪

⎪⎪ ∂ ktt

211

2

1

1

1

000⎪⎪⎪

⎭⎪⎪⎪

⎥⎥

⎦⎢⎢

⎣⎪⎪⎪⎪

⎪⎪ N

No

Noo

UU

HHH

u

L1

22

21

12

,,2,1

,,2,1

,,2

,,2,1

1

1

2

2

1

00000

000000

−∆

⎪⎪⎪⎪

⎬⎪

⎪⎪⎪⎪

⎨⎥⎥⎥⎥⎥⎤

⎢⎢

⎢⎡

=

⎪⎪

⎪⎪⎪

⎪⎪

∂∂∂

N

N

N

N

k

o

t

UUU

xxx

HHHHHH

HHHHH

x

u

u

u

ML

L

L

L

ηηη

ξξξ

ηη

ξξξ

η

ξ (3.125)

+t

,1

0⎢⎢

⎪⎪

⎪⎪∂∂ Hu

ηη

Ou:

{ } [ ] { } )1(,

)1(,

−∆+−∆+ = kttktt UHu ηξηξ (3.126)

Logo, tem-se que:

[ ] [ ] [ ] [ ] { } )1(,

1)1( −∆+−−∆+ = kttaoL

ktto UHJAl ηξ (3.127)

Deste modo,a partir de [ ] )1( −∆+ ktto l pode-se montar a matriz [ ] )1( −∆+ ktt como mostrado a o L ,

seguir :

[ ]

( )1

21221112

2212

2111

)1(

00000000000

−∆+

−∆+

⎥⎥⎥⎥⎥⎤

⎢⎢⎢⎢⎢⎡

=

ktt

ktto

lllllll

ll

L (3.128)

33 ⎦⎣o

Para se obter a segunda parcela do tensor de deformações

{ } )(ko e∆ , utiliza-se (3.112) e

(3.128) em (3.119), chegando-se a:

98

Page 112: CENTRO DE PESQUISAS E DESENVOLVIMENTO … para anÁlise e projeto de dutos submarinos submetidos a altas pressÕes e temperaturas via aplicaÇÃo do mÉtodo dos elementos finitos

( ){ } [ ] [ ] [ ] { } )(,

1)1()(2 kao

ktto

ko UHJLe ∆=∆ −−∆+

ηξ (3.129)

Ou:

( ){ } [ ] { } )()1(2

)(2 kkL

tto

ko UBe ∆=∆ −∆+ (3.130)

O tensor de deformações (3.102), utilizando (3.117) e (3.130) é dado por:

{ } ( ){ } ( ){ } [ ] [ ]( ){ } )()1(21

)(2)(1)( kkL

ttoLo

ko

ko

ko UBBeee ∆+=∆+∆=∆ −∆+ (3.131)

Ou:

{ } [ ]( ){ } )()1()( kkL

tto

ko UBe ∆=∆ −∆+ (3.132)

nde :

[ ] [ ] [ ] )1(21

)1( −∆+−∆+ += kL

ttoLo

kL

tto BBBO (3.133)

Voltando a equação de equilíbrio (3.93), e utilizando a relação (3.132) nas parcelas que

dependem do tensor de deformações

{ } )(koe∆ , tem-se :

i)

{ }( ) [ ]{ }

{ }( ) [ ]( ) [ ] [ ] { } )()1()1()(

)()()()(

ko

V

kL

ttoo

TkL

tto

Tk

o

V

koo

Tko

o

V

kijo

kijoijrso

UVdBDBU

VdeDeVdeeD

o

oo

∆⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛∆=

=∆∆=∆∆

∫∫

−∆+−∆+δ

δδ

(3.134)

99

Page 113: CENTRO DE PESQUISAS E DESENVOLVIMENTO … para anÁlise e projeto de dutos submarinos submetidos a altas pressÕes e temperaturas via aplicaÇÃo do mÉtodo dos elementos finitos

Podendo-se definir a partir de (3.134) a matriz de rigidez linear como:

[ ] [ ]( ) [ ] [ ] VdBDBK o

V

kL

ttoo

TkL

tto

kL

tto

o∫ −∆+−∆+−∆+ = )1()1()1( (3.135)

ii)

{ }( ) { } =−∆+

VdSe oktt

o

Tk )1()( ˆ

{ }( ) [ ]( ) { }⎜⎛

∆= ∫−∆+−∆+ VdSBU okttTk

Ltto

Tk )1()1()( ˆδ ⎟⎟⎠

⎞⎜⎝

∆=∆ ∫∫ −∆+ VdeS

Vo

V

o

V

kijo

kij

tto

o

oo

)()1( δδ

odendo-se definir o vetor de esforços internos como:

(3.136)

P

{ } [ ]( ) { } VdSBR o

V

ktt

o

TkL

tto

ktto

o∫

−∆+−∆+−∆+ =)1()1()1( ˆ

σ (3.137)

O

(3.138)

nde:

{ }

)1(

33

12

22

11

)1(ˆ

−∆+

−∆+

⎪⎪⎭

⎪⎪⎬

⎪⎪⎩

⎪⎪⎨

=

ktt

o

ktt

o

SSSS

S

100

Page 114: CENTRO DE PESQUISAS E DESENVOLVIMENTO … para anÁlise e projeto de dutos submarinos submetidos a altas pressÕes e temperaturas via aplicaÇÃo do mÉtodo dos elementos finitos

iii)

{ }( ) [ ]{ } =∆∆=∆∆ ∫∫ VdDeVdeD oTkokijoijokijrso 1

)()(1 δεδδεδ θθ

{ }( ) [ ]( ) [ ]{ }

V oo

(3.139)

Vkoo

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛∆∆= ∫ −∆+ VdDBU o

Vkoo

TkL

tto

Tk

o1

)1()( δεδ θ

Podendo-se definir o vetor de esforço térmico como:

{ } [ ]( ) [ ]{ } dDB koo

TkL

tto

o∫ ∆= −∆+−

1)1()1 δε θ VR o

V

ktto∆+ (

θ (3.140)

o pode ser observado na expressão acima, o símbolo δ1k (delta de Kroenecker)

indica que o vetor de carregamento térmico só deve ser inserido na expressão (3.93) na

primeira iteração do processo de convergênc

rativo.

Com

ia, visto o solver adotado ser incremental-

ite

iv)

{ }( ) [ ]{ }

{ }( ) [ ]( ) [ ]{ } ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛∆∆=

=∆

−∆+ VdDBU

VdD

o

Vk

ooo

TkL

tto

Tk

o

Vk

ooo

Tk

V

o

o

o

1)1()(

1)(

δεδ

δε

(3.141)

odendo-se definir o vetor de esforço inicial como:

∆=∆∆ ∫ eVdeD okijoijokijrso

o

)(1 δδεδ

P

{ } [ ]( ) [ ]{ } VdDBR o

VLooo

o∫ k

ooo

Tkttktt ∆= −∆+−∆+1

)1()1( δε (3.142)

101

Page 115: CENTRO DE PESQUISAS E DESENVOLVIMENTO … para anÁlise e projeto de dutos submarinos submetidos a altas pressÕes e temperaturas via aplicaÇÃo do mÉtodo dos elementos finitos

Para a obtenção da representação matricial da equação de equilíbrio (3.93), é necessário

r ainda os termos e VdS o

V

kijo

kij

tto

o∫ ∆−∆+ )()1( ηδ Rtt ∆+trata .

termo dependente da parcela não-linear do incremento de deformações de Green-

agrange, inclui a matriz de transformação não-linear de deslocamentos versus

kijoηδ∆− , para a análises considerando estado plano de

eformação e tensão, além de estruturas axissimétricas, tem-se:

(3.143)

A

O

L

deformação, conforme mostrado a seguir.

Desenvolvendo o termo (kij

tto S∆+ )()1

d

)(33

)1(33

)(22

)1(22

)(21

)1(21

)(12

)1(12

)(11

)1(11

)()1(

ko

ktto

ko

ktto

ko

ktto

ko

ktto

ko

ktto

kijo

kij

tto

SS

SSSS

ηδηδ

ηδηδηδηδ

∆+∆+

+∆+∆+∆=∆

−∆+−∆+

−∆+−∆+−∆+−∆+

plicando-se o operador variacional δ, nas expressões de (3.102), chega-se a:

⎟⎟⎠

⎞⎜⎝ ∂⎟

⎠⎜⎝ ∂

=1

11 xx ooo δη ⎜⎛

∂∆∂

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛∂∆∂

+∆∂⎟

⎞⎜⎛ ∆∂

∆1

)(2

1

)(2

1

)(1

)(1)(

xu

xuuu

o

k

o

kkkk δδ

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛k

∂∆∂

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛∂∆∂

+∂∆∂

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛∂∆∂

=∆2

)(2

2

)(2

2

)(1

2

)(1)(

22 xu

xu

xu

xu

o

k

o

k

o

k

o

k

o δδη

δ

⎥⎥⎤⎟⎞

⎜⎛ ∆∂∆∂

+)(

2)(

2 uuu kk

δ⎦⎟⎠

⎜⎝ ∂∂∂

∆∂⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛∂∆∂

+

⎢⎢⎣

⎡+⎟⎟

⎞⎜⎜⎝

⎛∂∆∂

∂∆∂

+∂∆∂

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛∂∆∂

=

212

)(2

1

)(2

2

)(1

1

)(1

2

)(1

1

)(1)(

12 21

xxxxu

xu

xu

xu

xu

ooo

k

o

k

o

k

o

k

o

k

o

kk

o

δ

δδη

∆δ

102

Page 116: CENTRO DE PESQUISAS E DESENVOLVIMENTO … para anÁlise e projeto de dutos submarinos submetidos a altas pressÕes e temperaturas via aplicaÇÃo do mÉtodo dos elementos finitos

⎥⎥⎦

⎤⎟⎞

⎜⎛ ∆∂∆∂

+∂∆∂

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛∂∆∂

+)(

2)(

2

1

)(2

2

)(2 uu

xu

xu kk

o

k

o

k

δ ⎟⎠

⎜⎝ ∂∂

+⎟⎟⎠

⎜⎜⎝ ∂∂

+

12

121

xx

xxx

oo

ooo

δ

δ

(3.144)

⎢⎢⎣

⎡ ⎞⎛ ∆∂∆∂∂∆∂

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛∂∆∂

=∆)(

1)(

1)(

1

2

)(1)(

21 21 uuu

xu kkk

o

kk

o δηδ

Para a análise de estruturas axissimétricas, temos:

( ) ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ ∆∆=∆ 2

1

)(1

)(1)(

33x

uuo

kkk

ηδ (3.145)

strar que:

Utilizando (3.144) e (3.145), em (3.143), pode-se mo

⎪⎪⎪

⎪⎪∆∂

)(2

ux

k

⎪⎪⎪

⎪⎪

⎪⎪⎪

⎪⎪⎪

⎪⎪

⎪⎪⎪

∆∂∂∆∂

∂∆∂

⎥⎥⎥⎥⎥

⎦⎢⎢⎢

⎪⎪ ∂∆∂

⎥⎤

⎢⎢⎢⎡

−∆+1

)1(

2221

1211

000000

xu

SSSS

o

ktt

⎪⎭

⎪⎬⎫

⎪⎩

⎪⎨⎧

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ ∆⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

∂∆∂

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

∂∆∂

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

∂∆∂

1

1

)(2

1

)(2

2

)(1

)(1

33

2221

1211

00000

000000

x

ux

u

xu

SSSSS

o

o

k

o

k

k

o

k

(3.146)

tensor de deformação esta associado a matriz de transformação não-linear

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

∂∆∂

=∆−∆+

1

)(1

2

)(2

1

)(2

2

)(1

1

)(1)()1( .

xu

xu

xu

xu

xuS

T

o

k

o

k

o

k

o

k

o

kk

ijok

ijtt

o δδδδδηδ

)(k

ijoη∆O

(deslocamento versus deformação) [ ]NLo B , obtida a partir do vetor de derivadas dos

incrementos de deslocamentos que aparece na equação (3.146).

103

Page 117: CENTRO DE PESQUISAS E DESENVOLVIMENTO … para anÁlise e projeto de dutos submarinos submetidos a altas pressÕes e temperaturas via aplicaÇÃo do mÉtodo dos elementos finitos

O vetor de der deslocamentos já foi obtido na expressão

.113), sendo escrito abaixo novamente.

ivadas dos incrementos de

(3

( )

[ ] [ ] { } )(,

1

1o x ⎪⎭⎪⎩

1

2

1

2

2

1

1

1

kao

k

o

o

o

UHJ

u

xuxuxu

∆=

⎪⎪

⎪⎪⎪⎪⎪⎪

⎪⎪

⎪⎪⎪⎪⎪⎪

2oxu⎪⎪

⎪⎪∂

∂∆∂∂∆∂∂∆∂

−ηξ (3.147)

odendo-se definir a matriz , conforme abaixo, a partir de (3.147).

∆∂

[ ]NLo BP

{ } [ ] { } )()(, 21

kNLo

kxx

UBu oo ∆=∆ (3.148)

e

{ } [ ] { } )()(, 21

kNLo

kxx UBu oo ∆=∆ δδ (3.149)

nde:

(3.150)

O

[ ] [ ] [ ]DNJB aoNLo1−=

Introduzindo (3.148) e (3.149) em (3.146), tem-se:

{ }( ) [ ] { }

{ }( ) [ ] [ ] [ ] { } )()1( kkttTT −∆+)(

)(,

)1()(,

)()1(

2121

NLooNLok

kxx

ktto

Tkxx

kijo

kij

tto

UBSBU

uSuS oooo

∆∆=

=∆∆=∆ −∆+−∆+

δ

δηδ

(3.151)

104

Page 118: CENTRO DE PESQUISAS E DESENVOLVIMENTO … para anÁlise e projeto de dutos submarinos submetidos a altas pressÕes e temperaturas via aplicaÇÃo do mÉtodo dos elementos finitos

Com (3.151), finalmente chega-se a forma matricial utilizada no método dos elementos

(3.152)

onde:

2221

1211

2221

1211

)1(0

000000000000 −∆+

−∆+

⎥⎥⎥⎥⎥⎤

⎢⎢⎢⎢⎢⎡

=

ktt

ktt

SSSS

SSSS

S (3.153)

Para se obter a o método dos

lementos finitos, falta ainda determinar as matrizes correspondentes ao trabalho

finitos para o termo dependente da parcela não-linear do incremento de deformações de

Green-Lagrange, conforme abaixo.

{ }( ) [ ] [ ] [ ] { } )()1()()()1( ko

VNLo

ktto

TNLo

Tko

V

kijo

kij

tto UVdBSBUVdS

oo

∆⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛∆=∆ ∫∫ −∆+−∆+ δηδ

[ ]

)1(

3300000 ⎥⎦⎢⎣ S

forma matricial da equação de equilíbrio (3.94) utilizada n

e

realizado pelas forças externas, dadas por:

{ } { } { } { } { } { }CTo

S

Stto

Ttto

V

Vtto

Ttt

ii

Ci

oSi

tt

S

Si

tto

oi

tt

V

Vi

ttoext

tt

RUSdfuVdfu

URSdufVdufR

oo

oo

∆tt

∆tt

+∆+∆+∆+∆+

+∆+∆+∆+∆+∆+

++=

=++=

∫∫

∑∫∫

δδδ

δδδ

(3.154)

(3.155)

A decomposição do deslocamento no instante t + ∆t, é dada por:

{ } { } { }uuu ttt ∆+=∆+

105

Page 119: CENTRO DE PESQUISAS E DESENVOLVIMENTO … para anÁlise e projeto de dutos submarinos submetidos a altas pressÕes e temperaturas via aplicaÇÃo do mÉtodo dos elementos finitos

ou:

{ } { }( ) { }( ) { }( )kkttktttt uuuu ∆+== −∆+∆+∆+ 1 (3.156)

ssim, tem-se que:

(3.157)

Substituindo (3.157) em (3.154), temos que:

A

{ }( ) { }( )kktt uu ∆=∆+ δδ

{ } { }( )( ) { } { }( )( ) { } { } { }CTo

So

Voext RUSdfuVdfuR

oo

∆tt+∆+∆+∆= ∫∫ δδδ

(3.158)

ento de deslocamentos no nível do elemento, pode ser obtido em função dos

deslocamentos nodais, como mostrad

2

1

22

21

12

321 0...0000

N

N

N

Nk

UU

UUU

HHHHu

⎪⎪⎪⎪

⎪⎪⎪⎪

⎪⎪⎪⎪

⎪⎪⎪⎪

∆∆

∆∆∆

⎥⎦

⎤⎢⎣

=∆

δδ

δδδ

δM

(3.159)

u:

SttTkoVttTktt ∆+∆+∆+

O increm

o a seguir.

)(1

1

kU ⎫⎧ ∆δ

321 ...000 HHHH⎡{ }( )

o

{ }( ) [ ] { } )(kk UHu ∆=∆ δδ (3.160)

106

Page 120: CENTRO DE PESQUISAS E DESENVOLVIMENTO … para anÁlise e projeto de dutos submarinos submetidos a altas pressÕes e temperaturas via aplicaÇÃo do mÉtodo dos elementos finitos

Utilizando (3.160) em (3.158), chega-se a:

{ } { }( )( ) [ ] { } { }( )( ) [ ] { } { } { }CTo

SV oo

(3.161)

Stto

TS

TkoVtto

TTkext

t RUSdfHUVdfHUR o∆tt+∆+∆+∆ ∆+∆+∆= ∫∫ δδδ

a:

o f∆ - Expressa as forças de superfície que atuam no corpo sólido no instante t +

t, medida por unidade de área na configuração inicial (indeformada).

- Expressa as forças concentradas que atuam no corpo sólido no instante t +

t, medida por unidade de área na configuração inicial (indeformada).

m geral depende da área e volume do sólido em análise no instante t + ∆t,

ndo considerado neste trabalho por simplicidade que o carregamento é independente

a deformação do corpo sólido, podendo ser medido na configuração indeformada,

onforme mostrado nas expressões anteriores.

tilizando expressões desenvolvidas em (3.136), (3.138), (3.141), (3.152) e (3.161) na

quação de equilíbrio (3.94), pode-se obter o sistema de equações na forma recursiva do

o da

rmulação Lagrangeana Total, conforme mostrado a seguir.

t+

Na expressão acim

{ }Vtto f∆+ - Expressa as forças volumétricas que atuam no corpo sólido no instante t +

∆t, medida por unidade de volume na configuração inicial (indeformada).

{ }Stt+

{ }Ctto R∆+

{ }exttto R∆+E

se

d

c

U

e

método dos elementos finitos, para materiais inelásticos através da aplicaçã

fo

107

Page 121: CENTRO DE PESQUISAS E DESENVOLVIMENTO … para anÁlise e projeto de dutos submarinos submetidos a altas pressÕes e temperaturas via aplicaÇÃo do mÉtodo dos elementos finitos

{ }( ) [ ]( ) [ ] [ ] { } +∆⎟⎞

⎜⎜⎝

⎛∆=

+∆−=∆+∆∆

∫∫

∫∫∫

−∆+−∆+

−∆+∆+−∆+

UVdBDBU

VdeDVdeD

VdeSRVdSVdeeD

ko

V

kttTktto

Tk

o

Vijoijoijrso

o

Vijoijoijrso

o

V

kijo

kij

tto

tto

V

kijo

kij

tto

o

V

kijo

kijoijrso

o

o

o

o

ooo

)()1()1((

)()1()()1()()(

δ

δηδδ

θ

{ }( ) [ ] [ ] [ ] { } { }( )( ) [ ] { } +∆=∆⎟⎟⎞

⎜⎜⎝

⎛∆+ ∫∫ ∆+−∆+ VdfHUUVdBSBU oT

Vtto

TTkko

VNLo

ktto

TNLo

Tk

o

)()1()( δδ

{ }( )( ) [ ] (

{ } [ ] [ ]{ } { } [ ] [ ]{ } ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

∆∆+⎟⎟⎠

⎜⎜⎝

∆∆

+⎟⎟⎠

⎝∆+

⎟⎠

=∆∆+∆∆+

∫∫ − VdDBUVdDBU

VdUSd

o

Vk

ooo

TkLo

VkooLo

o

V

o

S

V

LooL

oo

oo

o

1)1(

1

)

)

δεδδεδ

δ

δεδε

(3.162)

{ } } ) { } { }( ) [ ]( ) { }⎜⎜⎛

∆−∆+ ∫∫−∆+−∆++∆+ SBURfHU

ktt

o

TkL

tto

TkC

TkTS

tto

TS

Tko

1()1()()( ˆδδ ∆tt{

( ) ( ) ( ) ( )⎛⎞⎛ ∆+−∆+ ttTkoTkttTk )()1()( θ+

Colocando { }( )

}RVdDBVdDB

VdSBSdfHVdfH

oo

oo

o

o

∆tt+−∆+−∆+

−∆+−∆+∆+∆+

+∆+∆

+−+

∫∫

∫∫∫

1)1(

1)1(

)1()1( ˆ

δεδε θ

( )TkU∆δ em evidência, obtém-se:

[ ]( ) [ ] [ ] [ ] [ ] [ ] { } ko

VNLo

ktto

TNLo

o

V

kL

ttoo

TkL

tto UVdBSBVdBDB

oo

−∆+−∆+−∆+ =∆⎟⎟⎠

⎜⎜⎝

+= ∫∫ )()1()1()1(⎛

[ ] { } [ ] { } [ ]( ) { }

[ ]( ) [ ]{ } [ ]( ) [ ]{ } { Co

Vk

ooo

TkL

tto

o

Vkoo

TkL

tto

o

V

ktt

o

TkL

tto

o

S

TS

tto

TS

o

V

TV

tto

T=

+

(3.163)

108

Page 122: CENTRO DE PESQUISAS E DESENVOLVIMENTO … para anÁlise e projeto de dutos submarinos submetidos a altas pressÕes e temperaturas via aplicaÇÃo do mÉtodo dos elementos finitos

ou:

[ ] [ ]( ){ } { } { } { } { otto }RR ∆++θ tt

oktt

oexttto

kkNL

tto

kL

tto RRUKK ∆+−∆+∆+−∆+−∆+ +−=∆+ σ

)1()()1()1(

(3.164)

onde:

[ ] [ ]( ) [ ] [ ] VdBDBK o

V

kL

ttoo

TkL

tto

kL

tto

o∫ −∆+−∆+−∆+ = )1()1()1( (3.165)

[ ] [ ] [BK ttTktt ∫ ∆+−∆+ =)1( ] [ ] VdBS o

VNLo

koNLoNLo

o

− )1( (3.166)

{ } [ ] { } [ ] { } { }Co

S

TS

tto

TS

o

V

TV

tto

Text

tt+o RSdfHVdfHR

o

o

o

∆tt+∆+∆+∆ ++= ∫∫ (3.167)

∆+∆−∆+ =())1( (3.168)

ko

Tktt∫ ∆= −∆+1

)1( δε θ (3.169)

ko

o

Tktto

tto ∫ ∆= −∆+∆+

1)1( δε (3.170)

{ } [ ]( ) { } VdSBF o

V

ktt

o

TkL

tto

ktto

o∫

−−+ )11( ˆ

{ }tt ∆+ [ ]( ) [ ]{ } VdDBR o

VoLoo

{ } [ ]( ) [ ]{ } VdDBR o

VoLo

o

109

Page 123: CENTRO DE PESQUISAS E DESENVOLVIMENTO … para anÁlise e projeto de dutos submarinos submetidos a altas pressÕes e temperaturas via aplicaÇÃo do mÉtodo dos elementos finitos

3.3 INTEGRAÇÃO NUMÉRICA DAS INTEGRAIS DEFINIDAS NA EQUAÇÃO

MÉTODO DOS ELEMENTOS FINITOS DO

o uma

f

A seguir é apresentada a forma de integração das integrais definidas na equação do

método dos elementos finitos, mostradas nos itens anteriores. As principais integrais da

equação do método dos elementos finitos são volumétricas, sendo dada atenção especial

a este caso.

O integrando das integrais a serem calculadas será definido genericamente com

unção matricial [ ]F qualquer, definida sobre todo o volume do corpo sólido, deste

modo temos:

Para modelos bidimensionais de estado plano de tensão e deformação

[ ] [ ] [ ] [ ] [ ]∫ ∫∫∫+ +

==1

1

1

1

det ηξddJFttdVFFSV

(3.171)

=dSF

u aplicando a regra de integração de Gauss-Legendre: O

[ ] [ ] [ ] ji

NG

i

NG

jijij WWJFtF ∑∑

= =

os:

=1 1

det (3.172)

Para modelos axissimétric

[ ] [ ] [ ] [ ] [ ]∫ ∫∫∫+

+

===1

1

1

1

det ηξddJRFdSRFdVFFSV

(3.173)

ou:

[ ] [ ] [ ] ji

NG

i

NG

jijijij WWJRFF ∑∑

= =

=1 1

det (3.174)

110

Page 124: CENTRO DE PESQUISAS E DESENVOLVIMENTO … para anÁlise e projeto de dutos submarinos submetidos a altas pressÕes e temperaturas via aplicaÇÃo do mÉtodo dos elementos finitos

Para modelos tridimensionais:

[ ] [ ] [ ] [ ]∫ ∫ ∫∫+

+

+

==1

1

1

1

1

1

det ζηξ dddJFdVFFV

(3.175)

ou:

[ ] [ ] [ ]∑∑∑= = =

=NG

i

NG

j

NG

kkjiijkijk WWWJFF

1 1 1det (3.176)

Nas expressões acim

t – Espessura do corpo sólido.

ro de pontos de integração nas direções locais.

,, - Coeficientes de integração Gauss-Legendre.

a para o cálculo numéricos das integrais de volume, tem-se:

NG – Núme

[ ]ijkF - Função matricial no (i-ézimo, j-ézimo, k-ésimo) ponto de integração.

kji WWW

ijR - Raio do modelo axissimétrico segundo a direção do eixo das abcissas do (i-ézimo,

j-ézimo) ponto de integração.

[ ]J - Matriz de Jacobiana

Sendo que:

[ ]⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

=

ζζζ

ηηη

ξξξ

,,,,,,,,,

zyxzyxzyx

; para modelos tridimensionais J

111

Page 125: CENTRO DE PESQUISAS E DESENVOLVIMENTO … para anÁlise e projeto de dutos submarinos submetidos a altas pressÕes e temperaturas via aplicaÇÃo do mÉtodo dos elementos finitos

e

[ ] ⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡=

ηη

ξξ

,,,,

yxyx

J ; para modelos bidimensionais e axissimétricos

A integração numérica das integrais de volume mostradas acima, abrange a maioria dos

termos presentes na equação do método dos elementos finitos, sendo mostrado abaixo a

forma obtida para a integração numérica da matriz de rigidez dos elementos sólidos para

modelos bidimensionais.

[ ] [ ] [ ][ ] [ ] [ ][ ] [ ] [ ][ ] [ ]∫ ∫∫∫− −

===1 1

det ηξddJBDBtdSBDBtdVBDBK T

S

T

V

T

+ +1 1

(3.177)

u aplicando a regra de integração de Gauss-Legendre:

O

[ ] [ ] [ ][ ]( ) [ ] ji

NG

i

NG

jijij

T WWJBDBtK ∑∑= =

=1 1

det (3.178)

As demais integrais de volume da equação de equilíbrio do método dos elementos

finitos seguem o mesmo procedimento visto acima.

Outra categoria importante de integração numérica a ser feita para a equação de

equilíbrio, é a de integrais de superfície. A seguir será mostrada a integração numérica

da integral de superfície de pressões externas aplicadas no contorno do elemento, para

modelos bidimensionais e tridimensionais.

Para modelos bidimensiona ressões externas aplicadas

as faces dos elementos é dada por:

is, a força nodal equivalente às p

n

112

Page 126: CENTRO DE PESQUISAS E DESENVOLVIMENTO … para anÁlise e projeto de dutos submarinos submetidos a altas pressÕes e temperaturas via aplicaÇÃo do mÉtodo dos elementos finitos

{ } [ ] { } 79)

s pressões externas são fornecidas nos pontos nodais da superfície do elemento, e

FYFXFYFX

HHHHHH

ff

f

⎪⎪⎪⎪

⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡=

⎪⎭

⎪⎬⎫

⎪⎩

⎪⎨⎧

=M

2

2

1

1

21

21

0...000...00

(3.181)

u:

S Ff ⎪⎭⎪⎩

⎪⎨⎧

= (3.182)

este modo, utilizando (3.182) em (3.179), temos:

dSfHR STSS ∫= (3.1

S

onde: { }⎪⎭

⎪⎬⎫

⎪⎩

⎪⎨⎧

= Sy

SxS

ff

f (3.180)

A

interpoladas para sua obtenção nos pontos de integr ão.

{ }

S

N

N

N

NS

y

SxS

FY

⎪⎪

⎪⎪

FX⎪⎪

o

{ } [S

x Hf

f =⎪⎬⎫ ]{ }SS

Sy

D

{ } [ ] [ ]{ } [ ] [ ]{ } [ ]∫∫−

==1

det ξdJFHHtdSFHHR SSSTSS

S

STSS (3.183)

+1

113

Page 127: CENTRO DE PESQUISAS E DESENVOLVIMENTO … para anÁlise e projeto de dutos submarinos submetidos a altas pressÕes e temperaturas via aplicaÇÃo do mÉtodo dos elementos finitos

Ou aplicando a regra de integração de Gauss-Legendre:

{ } [ ] [ ] { } [ ] i

NG

i

SSSTS WJFHHtR ∑ iiiiS=

=1

det (3.184)

onde:

[ ]2/122

det⎟⎟

⎜⎜

⎛⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛∂∂

+⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛∂∂

=ξξyxJ S (3.185)

n

TSS ∫= (3.186)

onde: ⎪⎬

⎫⎪⎨

⎧= S

y

Sx

S ff

f (3.187)

As pressões externas são fornecidas nos

esma for

caso bidimensional.

Para modelos tridimensionais, a força nodal equivalente às pressões externas aplicadas

as faces dos elementos é dada por:

{ } [ ] { } dSfHR S

S

{ }⎪⎭⎪⎩

Szf

pontos nodais da superfície do elemento e

interpoladas para sua obtenção nos pontos de integração, da m ma à realizada no

114

Page 128: CENTRO DE PESQUISAS E DESENVOLVIMENTO … para anÁlise e projeto de dutos submarinos submetidos a altas pressÕes e temperaturas via aplicaÇÃo do mÉtodo dos elementos finitos

{ } NS

Sy

S

FZHHHff⎪⎨⎥⎢=

⎪⎬

⎪⎨= 21 00...0000

S

N

N

N

N

N

z

Sx

FZFYFX

FYFXFZFYFX

HHH

HHH

f

f

⎪⎪⎪⎪⎪⎪

⎪⎪⎪⎪⎪⎪

⎪⎪⎪⎪⎪

⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎧

⎪⎫

⎪⎧

M2

2

2

1

1

1

21

21

00...0000

00...0000

(3.189)

este modo, utilizando (3.189) em (3.186), temos:

(3.190)

área dS é obtida através de álgebra vetorial, fazendo o produto vetorial de dois

etores tangentes à superfície do elemento sólido onde é aplicada a pressão, assim:

(3.188)

ou:

{ } [ ]{ }SS

Sz

Sy

Sx

S FHfff

f =⎪⎭

⎪⎬

⎪⎩

⎪⎨

⎧=

D

{ } [ ] [ ]{ } dSFHHR S

S

STSS ∫=

A

v

115

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ηξ

η

η

η

ξ

ξ

ξ

dd

z

y

x

z

y

x

Sd

⎪⎪⎪

⎪⎪⎪

⎪⎪⎪

⎪⎪⎪

∂∂∂∂∂∂

⎪⎪⎪

⎪⎪⎪

⎪⎪⎪

⎪⎪⎪

∂∂∂∂∂∂

=r

(3.191)

assim:

ηξ

ηξηξ

ηξηξ

ηξηξ

ddSSS

xyyx

zxxz

yzzy

Sd

z

y

x

⎪⎭

⎪⎬

⎪⎩

⎪⎨

⎧=

⎪⎪⎪

⎪⎪⎪

⎪⎪⎪

⎪⎪⎪

∂∂

∂∂

−∂∂

∂∂

∂∂

∂∂

−∂∂

∂∂

∂∂

∂∂

−∂∂

∂∂

=r

(3.192)

Com (3.192) a equação (3.190), pode se reescrita como:

{ } [ ] [ ]{ } ηξddSdFH SSTSr+ +1 1

HRS ∫ ∫− −

=1 1

(3.193)

onde:

222zyx SSSSd ++=

r (3.194)

Aplicando a regra de integração de Gauss-Legendre na equação (3.193), temos:

{ } [ ] [ ] { } ji

NG

i

NG

j ij

Sijij

STij

SS WWSdFHHR ∑∑

= =

=1 1

r (3.195)

116

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4 PLASTICIDADE

A teoria linear entre tensões e deformações é tratada na teoria matemática da

elasticidade e largamente utilizada na prática da engenharia. Porém, em muitos casos, a

teoria da elasticidade não é adequada no tratamento de problemas mais complexos,

devendo ser estendida, considerando-se o comportamento não-linear entre tensões e

deformações. Essa extensão é tratada na teoria matemática da plasticidade, que

possibilita o melhor tratamento de vários fenômenos ligados à análise de tensões.

Neste capítulo, serão apresentados os conceitos básicos da teoria da plasticidade, que

serão utilizados na formulação do Método dos Elementos Finitos, introduzindo o

comportam

hipóteses do modelo de materiais com

ento não linear entre tensão e deformação.

São revistos conceitos relativos às

comportamento plástico, função de escoamento, envoltória de resistência de Mohr-

Coulomb e Von Mises, relação incremental tensão-deformação em regime plástico,

etc...

117

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4.1 LEI DE ESCOAMENTO PLÁSTICO PARA MATERIAIS ISOTRÓPICOS

No estudo do estado de tensões que leva o material ao escoamento pode-se definir uma

função de escoamento que no caso de materiais com comportamento isotrópico depende

do estado de tensões, e parâmetros do material ( ( )kijf ,σ )

(CHEN,1988,ZIENKIENWICZ,1969). O escoamento do material ocorre quando a

superfície de escoamento do material alcança um valor crítico, dado pela

expressão ( ) ( )pij kF εσ 2= . Na expressão que define o início das deformações plásticas

2

mações plásticas. O parâmetro 2k pode ser expresso em função da deformação

plástica efetiva obtida através de um

F representa a superfície de escoamento do material, sendo comandada pelo parâm

, que representa a evolução do tamanho desta superfície com a evolução de

ensaio uniaxial.

ento para materiais com comportamento isotrópico é dada por uma

expressão do tipo:

etro

k

defor

A função de escoam

( ) 0, =kijf σ (4.1)

ou

( ) ( ) ( )pijij kFf k εσσ 2, −= (4.2)

No desenvolvimento da teoria da plasticidade em materiais isotrópicos com

encruamento (“work hardening”), as seguintes condições são necessárias.

Existência de uma superfície inicial de escoamento que define o limite elástico do

material para um estado multiaxial de tensões.

Lei de encruamento que descreva a evolução da superfície de escoamento, durante o

processo de carregamento.

Lei de escoamento, que relaciona a função de potencial plástico com a direção e o valor

da deformação plástica no espaço de tensões.

118

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utro importante conceito utilizado na teoria da plasticidade, refere-se à determinação

as condições de “carregamento” e “descarregamento”, que são óbvios para o caso

ento (elástico ou plástico) e descarregamento

lástico), são importantes para determinar se a relação constitutiva utilizada no cálculo

forme será visto mais

diante na obtenção das relações incrementais tensão-deformação.

ara um material plástico-perfeito as condições para verificação de carregamento e

escarregamento ou Carregamento Elástico:

(4.4)

nde :

O

d

uniaxial, não ocorrendo o mesmo para o caso multiaxial analisado neste trabalho. A

verificação das condições de carregam

(e

do incremento de tensões será elástica ou elasto-plástica, con

a

A seguir serão mostradas as condições para verificar a ocorrência de carregamento e

descarregamento, mostrando-se primeiramente o caso de materiais sem endurecimento

(plástico-perfeito), e posteriormente de materiais com endurecimento isotrópico.

P

descarregamento podem ser expressas da seguinte forma (COSTA,1978,CHEN,1988):

Carregamento (plástico):

{ }pdε > 0 se f = 0 e df = 0 (4.3)

D

{ }pdε = 0 se f < 0 ou f = 0 e df < 0

o

( ) ( ) 2oijij kFff −== σσ (4.5)

e

ijij

ddf σ∂σ

= ou { }

f∂ { }σσ∂

ddf

T

⎭⎬⎫

⎩⎨⎧

= (4.6) ∂f

119

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A expressão (4.6) é conhecida como condição de consistência, sendo de fundamental

importância no estudo do comportamento de materiais que exibem deformações

lásticas. Para materiais com comportamento plástico-perfeito, o parâmetro

permanece constante, sendo o diferencial da função de escoamento dependente apenas

do incremento no estado de tensões.

Isto pode ser melhor compreendido observando o comportamento de um material

plástico-perfeito submetido à um carregam e a tensão de escoamento

22okk = p

ento uniaxial, ond

( ook σ= ) é limitada pelo valor oσ constante (Figura 4.1).

Generalizando este conceito para um estado multiaxial de tensões, tem-se a função de

escoamento do material, que será vista em detalhe mais a frente. Deste modo a condição

de consistência dada pelo diferencial da função de escoamento df = 0 , implica que um

ponto do estado de tensões sobre a superfície de escoamento não pode mover-se para

fora desta devido a um incremento de tensão. Interpretando geometricamente ijσ ({ }σ )

e ijdσ ({ }σd ), como vetores no espaço de tensões (CHEN,1988), um incremento de

carregamento na tensão ( ijσ ) que desenvolva deformações plásticas no material, deve

g superfície escoamento (F

tensões esteja no interior da superfície de escoamento do m increm

tensões e deformações são elásticos não gerando deformações permanentes no ma

Na Figura 4.2 como nas demais mostradas neste item, será utilizad

escoamento de von Mises plano ), que permite a visualização dos

conceitos descritos de uma forma mais simples.

Conforme foi visto acima a função de escoamento serve como um critério para

verificação de carregamento em regime elasto-plástico, como para verificação de

descarregamento e carregamento em regime elástico. A função de escoamento do

material

ser tan ente à de igura 4.2). Por outro lado caso o estado de

aterial, o ento de

terial.

a a superfície de

21 σσ x ( 03 =σ

( )ijf σ também é chamada de função de carregamento (CHEN,1988) pelos

motivos expostos acima.

120

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Figura 4.1 – Diagrama uniaxial tensão-deformação

para material plástico-perfeito

Figura 4.2 – Representação geométrica da superfície de escoamento para material

plástico perfeito, com carregamento e descarregamento no estado de tensões

121

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A seguir serão vistas as condições de carregamento e descarregamento para materiais

com endurecimento plástico, que podem ser compreendidas observando o

comportamento de um teste de carregamento uniaxial (Figura 4.3).

A generalização do conceito de carregamento e descarregamento para um estado

ultiaxial de tensões é feita utilizando-se a função de escoamento do material. Para que

ultiaxial de tensões. Para expressar matematicamente as condições de

arregamento e descarregamento de materiais com endurecimento, é necessário utilizar

m

ocorra um carregamento em regime elasto-plástico com o desenvolvimento de

deformações plásticas e conseqüentemente expansão da superfície de escoamento, o

ponto do estado de tensões sobre a superfície de escoamento deve mover-se para fora

desta, quando é imposto um incremento de tensão. A Figura 4.4 fornece uma

interpretação geométrica para as condições de carregamento e descarregamento para um

estado m

c

o vetor { }fn normal à função de carregamento do material, definido pela expressão

.7). D rma, para que um incremento de carregamento na tensão ( ) desenvolva

eformações plásticas no material (condição de carregamento), o incremento de tensões

nalisado

igura 4.4). Por outro lado caso seja dado um incremento de tensões que leve o estado

e tensões para o interior da superfície de escoamento do material (condição de

egamento), neste caso deve-se ter um ângulo obtuso entre o incremento de

al no ponto analisado (Figura 4.4), gerando desta forma apenas

def mbém que no caso do incremento de

te bre a superfície de carregamento, formando um ângulo reto com a

ormal no ponto analisado, tem-se uma condição chamada de carregamento neutro sem

ente ao verificado no caso de

m material plástico-perfeito, onde um incremento de tensões com geração de

eformações plásticas, deve obrigatoriament fície de

escoamento (perpendicular a normal no ponto).

al à função de escoamento do material num ponto é dada pela seguinte

(4 esta fo ijσ

d

deve formar um ângulo agudo com a normal a função de escoamento no ponto a

(F

d

descarr

tensão e a norm

ormações elásticas no material. Observa-se ta

nsões mover-se so

n

a geração de deformações plásticas adicionais, diferentem

u

d e caminhar sobre a mesma super

A norm

expressão:

122

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21

⎟⎠⎞

⎜⎛ ∂∂f

⎝ ∂∂

∂∂

=

klkl

ijfij

f

f

n

σσ

σ (4.7)

Figura 4.3 – Diagrama uniaxial tensão-deformação para material

elasto-plástico com encruamento

Figura 4.4 – Representação geométrica da função de escoamento para material com

encruamento, mostrando carregamento e descarregamento no estado de tensões

123

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Analogamente ao feito para um material plástico-perfeito, pode-se definir para um

material com endurecimento plástico com algumas modificações, as condições para

verificação de ocorrência de carregamento e descarregamento, que podem ser expressas

conforme mostrado abaixo (COSTA,1978, CHEN,1988):

Carregamento Elasto-plástico (ângulo agudo entre e ):

≠ 0 se e

fijn ijdσ

{ }pdε 0=f { } { } 0>σdn Tf (4.8)

Carregamento Elástico ou Descarregamento (ângulo obtuso entre e ):

= 0

fijn ijdσ

se f < 0 ou f = 0 e { } { } 0<σdn Tf { }pdε (4.9)

= 0 se = e

Carregamento nulo (ângulo reto entre fijn e ijdσ ):

{ }pdε f 0 { } { } 0=σdn Tf (4.10)

nde :

o

( ) ( ) ( )2, −== (4pijij kFkff εσσ .11)

ateriais com endurecimento isotrópico, o parâmetro pode ser

xpresso em função da deformação plástica efetiva, podendo ser obtida a partir de um

ra o ca material

lástico-perfeito, uma vez que diferem apenas pelo denominador presente na expressão

da normal a função de escoamento do material mostrado na equação (4.7).

( )22pkk ε= Para m

e

ensaio uniaxial tensão-deformação (COSTA,1978, CHEN,1988).

As expressões para verificação de carregamento e descarregamento para materiais com

endurecimento isotrópico, são semelhantes aos mostrados pa so de

p

124

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Definida a função de escoamento do material, pode-se obter a lei de escoamento

plástico que relaciona o incremento de deformação plástica ( ), com o

radiente da função de potencial plástico (

pijdε { }pdε

( )ijg σ ), proposta por von Mises em 1928 da

a (CHEN,1988).

g

seguinte form

ijdd ij ∂σλε = ou { }gp ∂

⎭⎬

⎩⎨=∂σ

λε dd (4.12) ⎫⎧ ∂gp

onde dλ , é um escalar positivo assumindo valores diferentes de zero somente quando

correm deformações plásticas. A função ( )ijg σo = const. define uma superfície no

spaço de tensões, onde o gradientee ijg ∂σ∂ é normal à superfície de potencial plástico

. Se o incremento de deformação plástica for plotado como um vetor no

spaço de tensões, este terá a direção da normal à superfície de potencial plástico, pois é

roporcional ao gradiente da função de potencial plástico (Figura 4.5).

egamento ,

m-se :

no ponto ijσ

e

p

Quando a função de potencial plástico coincide com a função de carr gf =

te

ij

fdd p

ij ∂σ∂

λε = ou }{⎭⎬⎫

⎩⎨⎧

=∂σ

∂λε

fdd p (4.13)

este modo, o escoamento plástico se desenvolverá normal à superfície de escoamento

de carregamento. No caso em que

D

f . A equação (4.12) é chamada de regra de escoamento associativa, pois o escoamento

é associado à função gf ≠ , a relação (4.12) é

hamada de regra de escoamento não associativa.

c

125

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Figura 4.5 – Representação geométrica da regra de escoamento associativa

126

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4.2 EFEITO DE BAUSCHINGER

No item anterior foi mostrada a função de escoamento para um material com

omportamento isotrópico. Foram avaliados os casos de materiais plástico-perfeito e

com end rtamento isotrópico consideram que

durante o processo de escoamento plástico a superfície de escoamento do material se

expande sem distorção e translação conform

ode ser visto na Figura 4.6.

c

urecimento plástico. Materiais com compo

e o escoamento plástico ocorre, conforme

p

Figura 4.6 – Superfície de escoamento após carregamento para material com

lei de escoamento com encruamento isotrópico é um modelo de fácil utilização,

orém aplicável principalmente em carregamentos monotônicos sem reversão de

trópica se expandir

niformemente, o fenômeno denominado na literatura de efeito de Bauschinger não é

vado em conta. O efeito de Bauschinger refere-se a um fenômeno direcional

encruamento isotrópico

A

p

tensões. Devido ao fato da superfície de escoamento iso

u

le

127

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anisotrópico induzido pelas deformações plásticas; uma deformação plástica com um

sinal tende a reduzir a resistência do material quando submetido à um novo

carregamento com deformação plástica de sinal contrário (CHEN,1988), conforme pode

ser visto na Figura 4.7 para um carregamento uniaxial, onde durante o descarregamento

as deformações plásticas se iniciam para uma tensão menor que a verificada durante a

fase de carregamento ( ). to

co σσ <

Figura 4.7 – Curva tensão-deformação mostrando efeito de Bauschinger

consideração da mudança do ponto de escoamento do material em função das

deformaç

através de uma funç dotada para o caso

.

(4.14)

A

ões plásticas que podem ocorrer durante o carregamento, pode ser considerada

ão de escoamento do material mais geral que a a

isotrópico (4.2)

A função de escoamento na sua forma mais geral é dada por uma expressão do tipo:

( ) 0, , =kpf εσ ijij

128

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ou

( ) ( ) ( )pp

ijijp

ijij kFf k εεσεσ 2, ,, −= (4.15)

Conforme pode ser visto acima a função de escoamento do material na sua forma mais

geral, depende do estado de tensões e histórico de carregamento, considerando-se o

efeito Bauschinger .

A mudança do ponto de escoamento do material pode ser considerada através do

modelo chamado de cinemático, onde a superfície de escoamento do m

frer uma translação no espaço de tensões mantendo sua forma e tamanho, conforme

mos ão-

mação de um teste uniaxial, conforme mostrado na Figura 4.9, onde é comparado o

pico só volta a alcançar

tensão de escoamento quando a tensão máxima do carregamento for alcançada

gerando um

aterial pode

so

trado na Figura 4.8. Este modelo fica mais claro visualizando uma curva tens

defor

comportamento do modelo cinemático com o modelo isotrópico. Observa-se que

durante o descarregamento (reversão da tensão), o modelo isotró

a

, já no modelo cinemático a variação máximaa variação de tensão 12σσ =∆

de tensão permanece constante oσσ 2=∆ , diminuindo em módulo a tensão de

escoame

ata-se de um modelo plástico-perfeito com deslocamento da origem da superfície de

na Figura 4.8.

nto durante a reversão do carregamento. Desta forma o modelo cinemático puro

tr

escoamento, como pode ser visto

129

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Fig

ura 4.8 – Superfície de escoamento com encruamento cinemático após carregamento

Figura 4.9 – Curva tensão-deformação unidimensional comparando modelos cinemático

e isotrópico após carregamento e descarregamento

130

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A expressão matemática utilizada para e escoamento cinemático,

a da seguinte forma:

expressar a superfície d

é express

( ) ( ) 2p 0, =−−= oijijijij kFf ασεσ (4.16)

nde representam as coordenadas do centro da superfície de escoamento (vetor OO1

na Figura 4.8) que mudam conforme ocorrem deformações plásticas no material, e é

uma constante que representa o tamanho da superfície. Conforme pode ser visto na

Figura 4.8, o modelo cinemático puro corresponde ao caso da superfície de escoamento

plástico-perfeito, porém movendo-se como um corpo rígido no espaço de tensões.

O modelo cinemático fornece uma forma de representar a modificação do ponto de

escoamento do material durante um processo cíclico, porém é apenas uma aproximação

inicial do comportamento real observado durante carregamentos cíclicos. Um modelo

mais completo que o cinemático é o misto que considera além do efeito da modificação

da origem da superfície de escoamento, endurecimento isotrópico do material

permitindo uma modelagem mais real do comportamento do material

A e lo

isto (cinemático+isotrópico), é expressa da seguinte forma:

O ijα

ok

xpressão matemática utilizada para expressar a superfície de escoamento do mode

m

( ) ( ) ( ) 02,, =−−= pijijk

pijij kFf εασεσ (4.17)

Onde ijα representam as coordenadas do centro da superfície de escoamento (vetor OO1

na Figura 4.10) que mudam conforme ocorrem deformações plásticas no material, e

( )pk ε é agora uma variável regida pela deformação plástica efetiva que representa o

tamanho da superfície de escoamento. Conforme pode ser visto na Figura 4.10, o

delo isto corresponde a uma associação entre os modelos c

podendo a superfície de escoamento sofrer translação e expansão (mantendo sua forma)

o espaço de tensões.

mo m inemático e isotrópico,

n

131

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Figura 4.10 – Superfície de escoamento com encruamento misto

adas variações de tensões (>2SMYS) tendem a gerar o

nômeno de acúmulo de deformações durante o processo de carregamento e

escarregamento, denominado de “ratchetting”. De um modo geral para tensões médias

aixas, as deformações tendem a se estabilizar, enquanto para tensões médias elevadas o

ao longo dos ciclos

BAQUS,2003). O modelo cinemático é capaz de representar o efeito de Bauschinger,

ento isotrópico permite modelar a

laxação da tensão média que causa um decaimento da taxa de acúmulo de

(cinemático e isotrópico) após carregamento

Carregamentos cíclicos com elev

fe

d

b

acúmulo de deformações ocorre a uma taxa praticamente constante

(A

porém representa fisicamente uma taxa constante de acumulo de deformações,

conforme pode ser visto na Figura 4.11. Para representar de uma mais real o

comportamento físico do material, o endurecim

re

deformações ao longo dos ciclos.

132

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Figura 4.11 – Acúmulo de deformação para material com modelo cinemático puro

representação apenas aproximada do

omportamento de materiais submetidos a carregamentos cíclicos. O modelo misto

utilização de modelos mistos foge ao escopo deste trabalho, pois depende de uma

tamento cíclico de dutos aquecidos é avaliado utilizando-se

modelo tradicional de encruamento isotrópico de von Mises. A validade do modelo

ente para deform

limitando-se a variação de tensão máxima durante o processo de carregamento cíclico.

variação de tensões (deformações), pode ser obtida através de testes

mações, tem como

bjetivo evitar o complexo fenômeno de acúmulo de deformação plástica

ratchetting”), que pode levar u utu adiga plástica de baixo

iclo.

Mesmo representando o comportamento do material com o modelo misto

(cinemático+isotrópico), ainda tem-se uma

c

apresenta ainda limitações em relação ao comportamento real (ABAQUS,2003)

observado, devendo-se obter os parâmetros do material para a variação de deformação

esperada para o carregamento imposto.

A

série de dados experimentais por ser de difícil representação. Neste trabalho, como será

visto mais adiante, o compor

o

isotrópico se dá som ações plásticas moderadas, que podem ser obtidas

A limitação da

experimentais (para medir o efeito de Baushinger), ou utilizando normas específicas. A

limitação na variação de tensões e consequentemente nas defor

o

(“ ma estr ra a ruptura por f

c

133

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A limitação da variaçã cesso cíclico de carregamento o máxima de tensões durante o pro

descarregamento permite a utilização de deformações plásticas moderadas, que

onduzem a um ganho significativo quando comparado à metodologia usual de

imensionamento estrutural através de estados limites ou tensões máximas como será

mais no estado da arte do dimensionamento

strutural em regime plástico.

.3 CRITÉRIO DE ESCOAMENTO DE VON MISES

ateriais regidos pelo critério de escoamento

om endurecimento isotrópico (“isotropic hardening”), considerando-se um estado

ultiaxial de tensões, conforme visto anteriormente é dada por uma equação do tipo:

e

c

d

visto mais a frente. A verificação do comportamento estrutural para deformações

plásticas elevadas, onde o efeito de Bauschinger seja significativo é um tema importante

a ser avaliado, para que se avance ainda

e

4

A superfície de escoamento plástico para m

c

m

( ) ( ) ( )pijij kFf k εσσ 2, −= (4.18)

ando a

nergia de distorção elástica alcança um valor crítico, para um estado multiaxial de

esta forma o material inicia o processo de escoamento plástico quando:

von Mises sugeriu um critério de escoamento, dizendo que o material começa a se

deformar plasticamente quando o segundo tensor de tensões desviatórias ( 2J ) alcança

um valor crítico (COSTA,1984, CHEN,1988). Fisicamente o critério de escoamento de

von Mises baseia-se no fato que o material começa a escoar plasticamente qu

e

tensões.

D

)(22

1peJ εσ=

3 (4.19)

134

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onde:

2J - Segundo invariante de tensões desviatórias

- Tensão efetiva

e tensões desviatórias é dado por:

)( pe εσ

O segundo invariante d

ijij ssJ21

2 = co ijkkijijs δσσ31

−=m: (4.20)

u na forma expandida:

o

( ) 2222222 5.0 xzyzxyzyx sssJ τττ +++++=

om c

mxxs σσ −= ; myys σσ −= ; mzzs σσ −=

e 3

zyxm

σσσσ

++= (4.21)

to do critério de von M

ma superfície cilíndrica nos espaço de tensões principais. Na Figura 4.13 é mostrada

ruamento do material.

A função de escoamen ises pode ser vista na Figura 4.12, sendo

u

superfície de escoamento ao longo do plano de tensões desviatórias, para diferentes

níveis de enc

135

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Figura 4.12 – Superfície de escoamento de von Mises no espaço de

tensões principais

Figura 4.13 – Superfície de escoamento de von Mises no plano desviatório de tensões

para diferentes níveis de encruamento do material

136

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Comparando a express para a função de escoamento de ão (4.19) com a expressão geral

materiais isotrópicos com encruamento (4.18), chega-se a:

( ) 2JF ij =σ e )( pek εσ= (4.21)

ento do material para o critério de von Mises é dada por:

Logo a função de escoam

( )pe εσ (4.22) Jf 22 3

1−=

ão efetivas.

curva tensão versus deformação efetiva existente na função de escoamento pode ser

l, onde tem-se

Como pode ser visto na equação (4.22) a função de escoamento do critério de von Mises

depende do segundo invariante de tensões desviatórias da tensão e deformaç

A

obtida através de um ensaio experimental uniaxia ey σσ = e .

um estado multiaxial de tensões a tensão e deformações efetivas são definidas

omo:

ppx εε =

Para

c

235.03 Jss ijije ==σ (4.23)

(4.24)

nde

e

∫= pp dεε

p

ijp

ijp ddd εεε 32=o

ou

( )222222 )()()()(2)(2)(231 pxy

pzx

pyz

pz

py

pxp ddddddd γγγεεεε +++++=

137

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O incremento de deformações plásticas pode ser obtido, através da utilização da lei de

escoamento associativa como foi visto, e mostrado novamente abaixo:

ij

pij

fdd

∂σ∂

λε = ou { } { }⎭⎬⎫

⎩⎨⎧

=σ∂

∂λε

fdd p (4.25)

Aplicando a definição da função de escoamento dada pela expressão 4.22 na expressão

.25 acima temos que:

ou (4.26)

Da expressão acima pode-se tirar que:

4

ijp

ij sdd λε =

⎪⎪⎪

⎪⎪⎪

⎪⎪⎪

⎪⎪⎪

⎪⎪⎪

⎪⎪⎪

⎪⎪⎪

⎪⎪⎪

=

yz

xz

xy

z

y

x

pyz

pxz

pxy

pz

py

px

sss

d

dddddd

τττ

λ

γγγεεε

222

λτ

γ

τ

γ

τ

γεεεd

ddd

s

d

s

d

s

d

xy

pxy

zx

pzx

yz

pyz

z

pz

y

py

x

px ======

222 (4.27)

expressão de proporcionalidade mostrada acima é conhecida como equação de

randtl-Reuss, fornecendo informações importantes sobre o critério de escoamento de

on Mises como:

s incrementos de deformações plásticas dependem unicamente do estado de tensões

esviatórias atual , e não dos incrementos de tensões que são necessário para

anter o escoamento do material, como seria natural de ser deduzido.

ações plásticas são co-direcionais com os eixos principais de

A

P

v

O

ijs ijdσd

m

Os incrementos de deform

tensões:

138

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λεεε

ds

d

s

d

s

d ppp

===3

3

2

2

1

1 (4.28)

As deformações plásticas decorrentes do critério de escoamento de von Mises não

induzem variação volumétrica. Da equação 4.27 , pode-se obter que:

(4.29)

s proporções mostradas em (4.28) estabelecem as razões de proporcionalidade entre os

incrementos de deformações plásticas de diferentes direções.

A visualização gráfica da relação en e a

função de escoamento de von Mises, pode ser feita no espaço tridimensional de tensões

principais. Porém como a visualização tridimensional é mais complexa optou

ostrar seções transversais ao longo do plano desviatório e hidrostático da superfície de

scoamento tridimensional como pode ser visto nas Figuras 4.14 e 4.15.

omo pode ser visto no plano desviatório da superfície de escoamento de von Mises

(Figura 4.14), o incremento de deformações plásticas é normal a superfície de

escoamento e paralelo ao vetor de tensões desviatórias . No corte da superfície de

escoamento ngo plano ar graficamente a condição

de imcompressibilidade das deformações plásticas expressas na expressão 4.29, já

é normal ao eixo hidrostático não gerando variações volumétricas no material.

s tensões octaédricas mostradas na Figura 4.15 são definidas como:

0)( =++=++ zyxpz

py

px sssdddd λεεε

A

pijdεtre o incremento de deformação plástica

-se por

m

e

Cp

ijdε

ijs

ao lo do hidrostático pode-se visualizp

ijdε

A

23

2Joct =τ

( )3211 3

1

3

1σσσσ ++== Ioct (4.30)

139

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Figura 4.14 – Seção tran

de escoam

sversal ao longo do plano de tensões desviatórias da superfície

ento de von Mises mostrando incremento de deformações plásticas

Figura 4.15 - Seção transversal ao longo do plano de tensões hidrostáticas da superfície

de escoamento de von Mises mostrando incremento de deformações plásticas

140

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4.4 CRITÉRIO DE ESCOAMENTO DE MOHR-COULOMB

A superfície de escoamento gerada pela utilização do critério de escoamento de Mohr-

Coulomb, é aplicável a solos e rochas, sendo função do ângulo de atrito e coesão do

material. A escoamento do material é atingido quando as tensões alcançam a tensão

máxima de cisalhamento (COSTA,1978), representada por uma reta no sistema de eixos

rtogonais σ x τ (figura 4.16), com a região dos estados de tensões possíveis definida

o

por :

ϕστ tgc +≤ (4.31)

Figura 4.16 – Representação da região de estados possíveis de tensões

para o critério de Mohr-Coulomb no plano σ x τ

entando o estado de tensões limite de um ponto da massa de solo em termos das

nsões principais σ1, σ2, σ3 (com σ1≤ σ2 ≤ σ3), no plano σ x τ, obtém-se a condição de

Repres

te

141

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escoamento do critério de Mohr-Coulomb,

s envoltórias de Coulomb, num ponto T onde,

quando o maior dos três círculos tangenciar

ϕστ tgc += a

Figura 4.17 – Representação do estado limite para o critério de Mohr-Coulomb

Expressando o estado de tensões, para a combinação de tensões que leva o material à

condição de escoamento (ponto T), tem-se da Figura 4.17 que :

23 1

σσ −=R (4.32)

S c g= −+

cot ϕσ σ1 3

2 (4.33)

sinRS

ϕ = (4.34)

esenvolvendo (4.34), tem-se:

D

c sincosϕσ σ+1 3 ϕ

σ σ− =

23 1

2 (4.35)

ou ( ) ( )σ ϕ σ ϕ ϕ1 31 1 2 0− − + + =sin sin cos (4.36)

142

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A equação (4.36) fornece para qual combinação de tensões o material entrará em

onsiderando σ1 ≤

condição de escoamento considerando σ1 como tensão principal maior e σ3 como tensão

rincipal menor, resultando :

escoamento, sendo obtida c σ3. Analogamente, pode-se obter a

p

( ) ( )σ ϕ σ ϕ ϕ1 31 1 2 0+ − − − =sin sin cos (4.37)

A região delimitada pelas equações (4.36) e (4.37) fornece o lugar geométrico dos

σ1 x σ3, que satisfazem

ohr-Coulomb. Utilizando a mesma seqüência, obtém-se o lugar geométrico segundo

incipais (espaço de

aigh-Wistergaard), dos pontos que satisfazem ao critério de escoamento de Mohr-

Coulomb tridimensional.

pontos pertencentes ao plano ao critério de escoamento de

M

os planos σ2 x σ3 (com σ1, como tensão intermediária, trocando σ1 por σ2 em (4.36) e

(4.37), e σ1 x σ2 (com σ3, como tensão intermediária, trocando σ3 por σ2 em (4.36) e

(4.37). A interseção dos três diedros determinados segundo os planos acima citados,

fornece o lugar geométrico (Figura 4.18) no espaço de tensões pr

H

OV c g= 3 cot ϕ

Figura 4.18 – Superfície de escoamento de Mohr-Coulomb no espaço de tensões

principais

143

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A superfície de escoamento determinada é uma pirâmide hexagonal irregular, com

lano desviatório π definido como sendo o plano cuja normal tem a direção da reta σ1 =

ção

om o plano π um hexágono irregular (quando ϕ ≠ 0), mostrado na figura 4.19, tendo

sua projeção no plano σ ra 4.20. Em ambas as seções,

s pontos A, B, C, D, E e F são pontos singulares, causando indeterminação no cálculo

neste trabalho.

p

σ2 = σ3, e que passa pela origem (eixo hidrostático). A pirâmide forma na interse

c

1 x σ3 (σ2 = 0), mostrada na Figu

o

dos incrementos de deformação plástica pela utilização da lei de escoamento

associativa. O tratamento destas singularidades é feito por COSTA (1978), podendo ser

eliminada por meios numéricos de modo a garantir a unicidade da solução, não sendo

abordado

( )Rc

( )Rc

sin1 3− ϕ2 6

=cosϕ sin2 3+ ϕ

2 6=

cosϕ

Figura 4.19 – Seção da pirâmide da figura 4.18 pelo plano desviatório

144

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Figura 4.20 – Representação do corte da pirâmide de Mohr-Coulomb para σ2 = 0

Para a implementação da formulação elasto-plástica, a equação (4.36) não tem uma

forma adequada devendo ser reformulada em função dos invariantes de tensões

desviatórias. Conforme COSTA (1978), que toma como base o trabalho de Nayak e

Zienkiewicz, tem-se:

para ( )321 σσσ ≤≤

( )( )

( )σ π σ33 2 3⎩⎪ ⎭⎪ ⎩⎪ ⎭⎪ ⎩⎪ ⎭⎪+sin mΘ

(4.38)

σσ σ

π σσ

1

22

4 3⎧⎨⎪ ⎫

⎬⎪

⎧⎨⎪

⎫⎬⎪ ⎧

⎨⎪ ⎫

⎬⎪

=+

+sin

sinm

m

ΘΘ

onde :

( ) 2222222 5.0 xzyzxyzyx sssJ τττσ +++++== (4.39)

Θ = −⎛⎝⎜

⎞⎠⎟

13

3 32

33arcsin

, π π

6 6≤ ≤Θ (4.40)

3 (4.41)

zxyxyzyxzxzyzxyzyx ssssssJ 2222 ττττττ −−−+=

3zyx

m

σσσσ

++= (4.42)

145

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Assim, substituindo as equações da relação (4.38) na equação do critério de escoamento

e Mohr-Coulomb (4.36), chega-se a forma da equação de escoamento utilizada na

formulação elas

d

to-plástica.

{ }( ) 0cossinsin3

1cossin =−Θ−Θ+= ⎟

⎞⎜⎛

ϕϕσϕσσ cf m (4.43) ⎠⎝

Como se pode notar, a equação (4.43) não se apresenta explicitamente como função de

( )pk ε , conforme definido no critério de escoamento através de (4.2), o que não limita

u uso a materiais de comportamento plástico-perfeito, pois o endurecimento pode ser

tes c e ϕ.

RELAÇÕES INCREMENTAIS TENSÃO-DEFORMAÇÃO

imento do material.

eios contínuos, o estado de tensões de cada ponto genericamente pertence ao

ional de tensões, sendo necessário, na sua obtenção, o

ento da matriz constitutiva elasto-plástica, que determina o estado de tensões

atualizado e corrig e elasto-plástico é determinado

ento de deformações e da matriz constitutiva tensão-deformação que

do carregamento (COSTA,1978, CHEN,1988,

onforme mostrado abaixo.

se

inserido nos coeficien

4.5

Na obtenção das relações incrementais tensão-deformação para o modelo elasto-plástico

utilizado neste trabalho, é necessário o conhecimento da sua lei de escoamento e das

características de endurec

Nos m

espaço Euclidiano hexadimens

conhecim

ido. O incremento de tensões no regim

a partir do increm

depende do estado de tensões e história

ZIENKIEWICZ,1969, HICKS,1995), c

( )oklklkl

epijklij dddDd εεεσ θ

−−=

(4.44)

146

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ou na forma matricial como:

{ } [ ] { } { } { }( )oep dddDd εεεσ θ−−= (4.45)

equação acima é utilizada no método dos elementos finitos durante o processo

titutiva elasto-plástica, é utilizada a decomposição da

m

conju material e condição de consistência da

nção de escoamento.

A

incremental não-linear de carregamento, sendo necessário determinar a matriz

constitutiva elasto-plástica tensão-deformação.

Na determinação da matriz cons

defor ação total em uma parcela linear (elástica) e outra não linear (plástica), em

nto com a lei de escoamento associativa do

fu

O tensor de deformação pode ser decomposto numa parcela elástica e outra plástica,

conforme mostrado abaixo.

pij

eijij dd εεε += ou { } { } { }pe ddd εεε += d (4.46)

r de tensões relac

lásticas, através da matriz constitutiva tensão-deformação elástica.

ddd εεε θ−− ou

Sendo o incremento no tenso ionado ao incremento de deformações

e

ijklij Ddσ = ( )oklkl

ekl { } [ ] { } { } { }( )oe dddDd εεεσ θ

−−= (4.47)

Utilizando (4.46) na expressão (4.47), obtém-se o incremento de tensões em função dos

ementos nos tensores de deformações total e plástico.

incr

{ } [ ] { } { } { } { }( )op ddddDd εεεεσ θ−−= − (4.48)

147

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Na determinação da relação incremental tensão-deformação em regime elasto-plástico é

necessário obter-se a parcela plástica do incremento de deformações, que é obtido

ssociativa.

através da lei de escoamento a

ij

pij

fdd

∂σ∂

λε = ou { } { }⎭⎬⎫

⎩⎨⎧

=σ∂

∂λε

fdd p (4.49)

tilizando a lei associativa (4.49), na relação incremental tensão-deformação em regime

lasto-plástico, obtém-se.

U

e

{ } [ ] { } { } { } { } ⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

−−⎭⎬⎫

⎩⎨⎧

= −odd

fddDd εε

σ∂∂

λεσθ (4.50)

Conforme pode ser observado na expressão acima, para a determinação do incremento

e tensões em regime elasto-plástico, é necessário conhecer a função de escoamento do

material e o parâmetro adimensional

d

λd . O parâmetro λd pode ser obtido a partir da

condição de consistência para a função de es

função de escoamento na sua forma geral conforme visto anteriormente é dada por

ma expressão do tipo:

coamento, como será visto a seguir.

A

u

( ) 0, , =kpijijf εσ (4.51)

ou

( ) ( ) ( )pp

ijijp

ijij kF f k εεσεσ 2, ,, −= (4.52)

A

o e

pós um incremento ijdε na deformação total, que gere um carregamento com

deformações plásticas, o estad ijij dσσ + , pij

pij dεε + dkk + , deve satisfazer a equação:

148

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( ) ( ) 0,, ,, =+=++ + dfkfdkkdf pijij

pijd

pijijij εσεεσσ (4.53)

ortanto de (4.51), tem-se que:

P

0=∂∂

∂∂∂

= ++ dkddkfff

df pijp

ijij

ijε

εσ

σ (4.54)

Que é conhecida como condição de consistência para um material com encruamento

pondo restrições entre os incrementos e

ara materiais com encruamento isotrópico, a função de escoamento e condição de

c trado abaixo:

ijdσ , pijdε dk . plástico, im

P

onsistência podem ser simplificadas, conforme mos

( ) ( ) ( ) 02, =−= pijij kFf k εσσ (4.55)

e

0=∂∂∂

= + dkd ffdf σ (

∂ kijijσ

4.56)

s expressões acima podem ser escritas na sua forma matricial, resultando nas seguintes

xpressões:

A

e

{ }( ) { }( ) ( )pkFf k εσσ 2, −= (4.57)

e

{ } { } 0=∂∂

∂∂

= +⎭⎬⎫

⎩⎨⎧ dk

kf

df

dfT

σσ

(4.58)

149

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{ }Chamando { }⎭⎬

⎩⎨

σ∂

⎫⎧=

∂fa (4.59)

-se : tem { } { } 0=∂k

Na expressão acima, tem-se que:

∂+ dka fdTσ (4.60)

pp

ddk

dk ε= (4.61)

como:

pij

pijp ddCd εεε = e

ij

pij

fdd

∂σ∂

λε = (4.62)

nde 32=C o

tem-se que:

λ ∂σ∂σεd ijijp

∂∂ dffCdk

dk = ou { } { } λεd p

daaCdk

dk T= (4.63)

tilizando o tensor de incremento de tensões (4.48) na expressão de consistência (4.60), U

em conjunto com a expressão (4.63), chega-se a:

{ } [ ] { } { } { } { }( ) { } { } 0=∂∂

−− +− λεελε θ daaCddk

kf

ddaddD ToTa (4.64) ε p

R

esolvendo a expressão acima para λd , tem-se:

{ } [ ] { } { } { }( )

h

dddDad

oT εεελ

θ−−

= (4.65)

150

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onde

{ } [ ]{ } { } { }aaCdkf

aah T

p

T D ∂−= (

Chamando:

dk ε∂4.66)

{ } { }aaCd

dk

k

fA T

ε∂

∂=

(4.67)

serindo (4.65) em (4.50) e agrupando os termos comuns, obtém-se a relação

p

A equação (4.66) modifica-se para:

{ } [ ]{ } Aaah DT−=

In

incremental tensão-deformação na forma utilizada no processo incremental não-linear,

implementado no método dos elementos finitos, conforme mostrado abaixo.

{ } [ ] [ ]{ }{ } [ ] { } { } { }( )oT

dddh

DaaDDd εεεσ

θ−−−= ⎟⎟

⎞⎜⎜⎝

⎛ (4.68)

ou

{ } [ ] { } { } { }( )odd εε θ−− (4.69) ep dd D εσ =

De onde obtém-se a expressão da matriz de transformação tensão-deformação elasto-

plástica, como:

[ ] =epD [ ] [ ]{ }{ } [ ]h

DaaDD

T

− (4.70)

151

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onde a segunda parcela de (4.70) é a parcela plástica da matriz constitutiva tensão-

deformação, e representa a degradação da rigidez do material devido ao escoamento

plástico.

A equação (4.69) só é válida para o caso de carregamentos que gerem deformações

plásticas, caso o carregamento ou descarregamento seja elástico a equação (4.47) deve

ser utilizada.

Na obtenção da matriz constitutiva elasto-plástica, deve-se definir o vetor do gradiente

da função de escoamento ( ) e matriz constitutiva elástica para cada tipo de sistema

estrutural analisado, conforme mostrado abaixo.

Sólidos tridimensionais:

{ }a

⎪⎪⎪

{ }

⎪⎪⎪⎪⎪

⎪⎪⎪⎪⎪

∂∂∂∂∂∂

=

zx

yz

xy

z

y

f

f

f

a

τ

τ

σ

σ

; [ ] ( )(

⎪⎪⎫

⎪⎪⎪

⎪⎪⎧

∂∂

∂∂

x

f

f

f

τ

σ

)

⎥⎥⎥⎥⎥⎥

⎢⎢⎢⎢

⎢⎢⎢

−−

−−

+=

221

0000

0221

0000

00221

0

000100010001

11

ν

ν

νννν

νννννν

νE

D ⎥⎥

⎢⎢

0

002ν

(4.71)

152

Page 166: CENTRO DE PESQUISAS E DESENVOLVIMENTO … para anÁlise e projeto de dutos submarinos submetidos a altas pressÕes e temperaturas via aplicaÇÃo do mÉtodo dos elementos finitos

Sólidos axissimétricos:

⎪⎪⎪⎪

{ } ⎪⎪⎪

⎬⎪⎪⎪

⎨∂∂∂

σf

a z

r

; [ ]

⎪⎫

⎪⎪⎪⎪

⎪⎧

∂∂∂∂

θσ

τf

f

f

rz

( )( )⎥⎥⎥⎥⎤

⎢⎢⎡

−−

=νν

ννν

11

01

ED

⎦⎣ −ννν 10⎢⎢−+

νν

νν 02

200

0

211

(4.72)

Estado plano de tensões:

{ }

⎪⎪⎪

⎪⎪⎪

⎪⎪⎪

=

xf

f

a ;

⎪⎪⎪

⎩∂∂∂

xy

y

σ

σ

[ ]⎥⎥⎥⎥⎤⎡

010ν

⎦⎢⎢⎢⎢

⎣−−

=1

00

1

21 νν

ν

ED

(4.73)

Estado plano de deformações:

2

{ }

⎪⎪⎪

⎭⎪⎪⎪

⎩∂∂∂

z

xy

τ⎪

⎪⎪⎪⎪

⎪⎪⎪⎪

∂∂∂∂∂

= y

x

f

f

f

σ

σ

[ ] ( )( ) ( ) ⎥⎥

⎢⎢

⎡ − 01 νν

−−

−+=

2210001

211ν

νννν

ED (4.74) a

153

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Para obter a matriz constitutiva elasto-plástica do modelo de estado plano de

eformações, é necessária uma adaptação da matriz constitutiva elasto-plástica

(COSTA,1978, ZIENKIEWICZ,1969).

s incrementos infinitesimais de tensões em função do incremento de deformações

[ ]epD d

O

elásticas no caso tridimensional são dados por:

{ } [ ] { } { } { }( )oe dddd D εεεσ θ−−= (4.75)

Invertendo a expressão acima tem-se que o incremento de deformaç s:

ões elástica

{ } { } { }( ) [ ] { }σεεεθ oe 1− dddd D=−− (4.76)

onde:

[ ] ( )( )

( )⎥⎥⎥⎥⎥⎥

⎢⎢⎢⎢⎢⎢

++

+−−

−−−−

=−

νν

ννν

νννν

120000001200000012000000100010001

11

ED (4.77)

infinitesimais de deformações totais, são obtidos utilizando as

xpressões 4.46 e 4.49 na expressão 4.76, obtendo-se a expressão abaixo:

Os incrementos

e

154

Page 168: CENTRO DE PESQUISAS E DESENVOLVIMENTO … para anÁlise e projeto de dutos submarinos submetidos a altas pressÕes e temperaturas via aplicaÇÃo do mÉtodo dos elementos finitos

[ ]

⎪⎪⎪⎪⎪

⎪⎪⎪⎪⎪⎫

⎪⎪⎧

⎥⎥⎤

⎢⎢⎢⎢⎡

⎪⎪⎪⎪⎫

⎪⎪⎪⎪⎧

∂∂

−−

−−

−−

σ

σσ

εεε

εεε

εεε

θ

θ

θ

d

df

ddd

ddd

dddx

x

ozzz

oyyy

oxxx |

⎪⎪⎪⎪⎪

⎪⎪⎪

⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥

⎦⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢

⎣⎪⎪⎪⎪⎪⎪

⎪⎪⎬

⎪⎪⎪⎪⎪⎪

⎪⎪⎨

∂∂

∂∂

∂∂

=−

−−

−−

−−

λ

τ

τ

τ

σ

σσ

σ

γγγ

γγγ

γγγ

θ

θ

θ

d

d

d

d

d

Aff

D

f

ddd

ddd

ddd

yz

yz

xy

z

y

yx

y

ozxzxzx

oyzyzyz

oxyxyxy

L

M|__________||

|

0

1

(4.78)

Fazendo 0=== zxyzz ddd γγε na expressão acima, pode-se obter a matriz constitutiva

elasto-plástica para as hipóteses do estado plano de deformações, resultando conforme

COSTA (1978), na seguinte equação matricial :

( )

( )

( )

⎪⎪⎪

⎪⎪⎪⎪

⎪⎩

⎪⎪⎪⎪

⎥⎥

⎥⎥⎥⎥⎥

⎢⎢

⎢⎢⎢⎢⎢

⎟⎠

⎜⎝⎟⎟

⎠⎜⎜⎝

⎟⎠

⎜⎝

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

⎪⎭

⎪⎪⎪⎪

⎪⎪⎪

⎪⎪⎪⎪

+++

+−+−

++−−

=

−−

−−

σ

σ

∂σ∂τ∂σν

∂σ∂σν

∂σ

∂σ∂

ν∂σ∂ννν

∂σ∂

ν∂σ∂ννν

γ

εεε

εεε

θ

θ

θ

d

d

EA

ffEE

ffEE

d

ddd

ddd

y

x

zxyzyzx

y

zx

o

oyyy

oxxx

22

22

01

01

(4.79)

e (4.79), pode-se redefinir o coeficiente

⎪⎪⎪

⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

⎞⎛⎞⎛⎞⎛⎪⎪⎪ +−−

λ

τ

∂∂∂∂∂∂

∂τ∂νγγ

d

d

ffffff

fE

ddxy

xy

xyxyxy

2

1200

0

z

⎪⎩

dλ e o vetor { }aD , para o estado plano de

deformações, como :

{ } [ ] { } { } { }( )epd

oT

h

dddCad

εεελ

θ−−

= (4.80)

155

Page 169: CENTRO DE PESQUISAS E DESENVOLVIMENTO … para anÁlise e projeto de dutos submarinos submetidos a altas pressÕes e temperaturas via aplicaÇÃo do mÉtodo dos elementos finitos

de: on

{ } [ ]{ }aaAh CTepdepd += (4.81)

sendo:

{ }

⎪⎪⎪

⎪⎪⎪⎫

⎪⎪⎧

+zx

ff

∂σ

∂ν

∂σ

2

⎟⎟⎬

⎪⎪⎪

⎪⎨ +=

xy

zy

f

ffa

∂τ

∂∂σ

∂ν

∂σ

∂ e ⎠⎝ z∂σ

⎞⎜⎜⎛

+=epdf

EAA∂ (4.82)

Desta forma a matriz constitutiva elasto-plástica, pa

deformações, é dada por:

ra a hipótese de estado plano de

[ ] [ ] [ ]{ }{ } [ ]epd

Tep CaaC

CC −= (4.83) h

s expressões mostradas acima para o gradiente da função de escoamento do material

ara os diferentes modelos estruturais são genéricas para materiais que utilizem a lei de

scoamento associativa. A seguir serão mostrados os vetores do gradiente da função de

escoamento para os modelos d deformação e

nsão para as funções de von Mises e Mohr-Coulomb utilizadas neste trabalho.

A

p

e

e sólidos axissimétricos e estados plano de

te

156

Page 170: CENTRO DE PESQUISAS E DESENVOLVIMENTO … para anÁlise e projeto de dutos submarinos submetidos a altas pressÕes e temperaturas via aplicaÇÃo do mÉtodo dos elementos finitos

4.6 MATRIZ CONSTITUTIVA ELASTO-PLÁSTICA DO CRITÉRIO DE

ESCOAMENTO DE VON MISES

icialmente será abordada a função de escoamento de Von Mises. Conforme visto

anteriormente a função de escoamento do material para

or:

In

o critério de von Mises é dada

p

( )peJf εσ 221

1−= (4.84)

3

A função de escoamento mostrada acima pode ser modificada para que o parâmetro λd ,

seja igual a deformação plástica efetiva (COSTA,1978). Deste modo temos a função de

escoamento equivalente, mostrada abaixo.

( )peJf εσ−= 22 3 (4.85)

quiva s funções d es acima, decorre do fato

de fornecerem os mesmos incrementos de deformações plásticas, quando é utilizada a

i de escoamento associativa, através da proporcionalidade entre o gradiente da função

de escoamento e do parâmetro

A e lência entre as dua e coamento mostradas

le

λd , conforme pode ser visto a seguir.

{ } { } { }⎭⎬⎫

⎩⎨⎧

⎭⎬⎫

⎩⎨⎧

==σ∂

∂λ

σ∂

∂λε 2

21

1f

df

dd p (4.86)

O parâmetro A presente no denominador da expressão 4.70 da matriz constitutiva

elasto-plástica, para a função de escoamento de Von Mises dada em (4.85) assume uma

forma mais amigável, como mostrado a seguir.

157

Page 171: CENTRO DE PESQUISAS E DESENVOLVIMENTO … para anÁlise e projeto de dutos submarinos submetidos a altas pressÕes e temperaturas via aplicaÇÃo do mÉtodo dos elementos finitos

1−=∂

k

f ; p

e

p d

d

d

dk

ε

σ

ε= (4.87)

ijij

sJ 22

=∂σ

(4como f 3∂ .88)

mos que: { } { } 132

==ijij

T ffaaC

∂σ∂

∂σ∂ (4.89)

a utilizando as expressões acima o parâmetro A pode ser reescrito como:

te

Desta form

{ } { } )( ppp

eT

p

Hd

daaC

d

dk

k

fA

σ= ε

εε−=−=

∂ (4.90)

e escoamento de von Mises fornecida em

inador da matriz constitutiva elasto-plástica (4.70), contribui com uma parcela

te angular da curva tensão efetiva versus deformação plástica

apresentados acima, para o critério de escoamento de von

Para a função d (4.85), o parâmetro A presente

no denom

dada pelo coeficien

efetiva.

O vetor a representativo do gradiente da função de escoamento (4.85) para os { }diferentes modelos estruturais

Mises (COSTA, 1978), são fornecidos abaixo.

158

Page 172: CENTRO DE PESQUISAS E DESENVOLVIMENTO … para anÁlise e projeto de dutos submarinos submetidos a altas pressÕes e temperaturas via aplicaÇÃo do mÉtodo dos elementos finitos

Sólidos tridimensionais: Sólidos axissimétricos:

{ }

⎪⎪⎪

⎪⎪⎪

⎪⎪⎪

⎪⎪⎪

⎪⎭⎪⎩∂ zxτ⎪⎪⎪⎪⎪⎪

⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪

⎪⎪⎪⎪⎪⎪

⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪

=

∂∂∂∂∂∂∂∂∂∂∂

=

zx

yz

xy

z

y

x

yz

xy

z

y

x

sss

J

f

f

f

f

f

f

τττ

τ

τ

σ

σ

σ

2222

3

2

{ }⎪⎪⎭

⎪⎪⎬

⎪⎪⎩

⎪⎪⎨

⎪⎪⎪⎪

⎪⎪⎪⎪

⎪⎪⎪⎪

⎪⎪⎪⎪

=

∂∂∂∂∂∂∂∂

=

θ

θ

τ

σ

τ

σ

σ

s

ss

J

f

f

f

f

arz

z

r

rz

z

r

22

3

2

a

Estado plano de tensões: Estado plano de deformações:

{ }⎪⎭

⎪⎬⎫

⎪⎩

⎪⎨⎧

⎪⎪

⎪⎪⎪

⎪⎪

⎪⎪⎪

=

∂∂∂∂∂

=

xy

y

x

y

x

ss

Jf

f

f

σ

σ

22

3

2

{ }⎪⎭

⎪⎬⎫⎪

⎨⎧⎪

⎪⎪

⎪⎪

⎪⎪⎪

++

=+

+

= zy

zx

y

zx

ssss

Jf

ff

ff

a νν

∂∂σ

∂ν

∂σ

∂∂σ

∂ν

∂σ

2

3

⎪⎭⎪⎩∂ xyτ

⎪⎩

⎪⎪⎪

⎭⎪⎩

rz

xy

z τ

∂τ

22

denominador da matriz constitutiva elasto-

lástica no modelo de estado plano de deformações é dado por:

(4.92)

O parâmetro A modificado presente no

p

2

2

2

43

zp

e

zepd S

JE

d

dfEAA +

∂+−= =⎟⎟

⎞⎜⎜⎝

⎛ε

σ

σ (4.93)

A matriz constitutiva elasto-plástica dada pela equação (4.70), pode ser calculada

utilizando a matriz constitutiva elástica e o vetor de gradiente da função de escoamento

para cada tipo modelo estrutural analisado. Porém para a função de escoamento do

critério de von Mises com endurecimento isotrópico, a matriz constitutiva elasto-

plástica tensão-deformação pode ser escrita de uma forma bem compacta.

159

Page 173: CENTRO DE PESQUISAS E DESENVOLVIMENTO … para anÁlise e projeto de dutos submarinos submetidos a altas pressÕes e temperaturas via aplicaÇÃo do mÉtodo dos elementos finitos

Para obter a expressão da matriz constitutiva elasto-plástica numa forma mais compacta,

a expressão matricial 4. é reescrita na forma indicial, sendo dada por:

h

Dff

pqklpqmn

ijmn

ijklepijkl

DDD

∂σ∂

∂σ∂

−= (4.94)

nde:

pkl

ijklij

Hff

h D +=∂σ

∂σ

∂ o

Para a função de escoamento adotada em (4.85), temos que:

ijij

sJ

f

22

3=

∂σ∂ (4.95)

matriz de constantes elásticas pode ser escrita na forma indicial como (CHEN,1988):

A

( )⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ ++

++

= jkilklikklijijkl ED δδδδδδ

ννν

12

21 (4.96)

Utilizando (4.96) e (4.95) em (4.94), temos a seguinte expressão para a matriz

constitutiva elasto-plástica.

h

ssG ijijijkl

epijkl DD

29−= (4.97)

e ( ) 23 epHGh σ+= ( )ν+=1

EGonde: (4.98)

160

Page 174: CENTRO DE PESQUISAS E DESENVOLVIMENTO … para anÁlise e projeto de dutos submarinos submetidos a altas pressÕes e temperaturas via aplicaÇÃo do mÉtodo dos elementos finitos

A matriz constitutiva elasto-plástica tridimensional mostrada acima pode ser modificada

s para os modelos de estado plano de deformação e tensão na forma

atricial (CHEN,1988).

para diferentes modelos estruturais. Abaixo são mostradas as matrizes constitutivas

elasto-plástica

m

Estado Plano de deformações:

[ ]

⎥⎥

⎢⎢

−−H

sG

H

ss xyyxy2⎥⎥⎥⎥

⎢⎢

−+−−

−+

=

H

ssH

GKH

GK

Sims

GK

D

xxy

y

x

2

2

33

4

(4.99) ⎢⎢

sssH

xyep 423

Estado Plano de Tensões:

[ ]

⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎤

⎢⎡

−−

SimHsE 1

21 ν

⎦⎢

⎢⎢

⎣−−−

−−=

sss

sEssED ep

66261

2221

2

ν (4.100)

⎢⎢ −−

sGssssss

2

22 11 νν

2

onde:

( )yx ssE

s νν

+−

= 211

; ( )yx ssE

s +−

= νν 22

1

xysE

sν+

=12 ; xyype ssssxssHs 621 2

9

4+++= σ (4.101)

ação, pode ser colocada numa forma bem compacta em função das propriedades

lásticas do material, do segundo tensor de tensões desviatórias e do parâmetro de

endureciment

Conforme pode ser visto nas expressões a matriz constitutiva elasto-plástica tensão-

deform

e

o do material.

161

Page 175: CENTRO DE PESQUISAS E DESENVOLVIMENTO … para anÁlise e projeto de dutos submarinos submetidos a altas pressÕes e temperaturas via aplicaÇÃo do mÉtodo dos elementos finitos

4.7 MATRIZ CONSTITUTIVA ELASTO-PLÁSTICA DO CRITÉRIO DE

tes I1 , J2 e J3, podendo ser colocada na forma apresentada a seguir

ESCOAMENTO DE MOHR-COULOMB

Conforme foi visto anteriormente a equação de escoamento plástico do critério de von

Mises depende apenas do segundo invariante de tensões desviatórias (J2). A função de

escoamento plástico para o critério de Mohr-Coulomb é mais complexa dependendo dos

invarian = mσ

( ) ( )321 ,, JJIff ij =σ (4.102)

O gradiente da função de escoamento ijf ∂σ∂ , neste caso pode ser escrita como

(CHEN,1988, COSTA,1978):

ijijijij

J

J

fJ

J

fI

I

ff

∂σ

∂σ

∂σ

∂σ

∂ 3

3

2

2

1

1

++= (4.103)

ou

ijijijij

JB

JB

IB

f

∂σ

∂σ

∂σ

∂σ

∂ 33

22

11 ++= (4.104)

Adaptando a expressão acima em função dos parâmetros apresentados neste trabalho

ara a função de escoamento de Mohr-Coulomb (4.43), temos já na forma matricial que: p

{ }( ) ( )3,, Jff m σσσ = (4.105)

Logo :

{ }{ }

( ){ } { } { } { } ⎭

⎬⎫

⎩⎨⎧

⎭⎬⎫

⎩⎨⎧

⎭⎬⎫

⎩⎨⎧

⎭⎬⎫

⎩⎨⎧

⎭⎬⎫

⎩⎨⎧

++===σ∂

σ∂

σ∂

σ∂

∂σ

σ∂

σσ∂

σ∂

∂ 3321

3,, JCCC

Jffa mm

(4.106)

162

Page 176: CENTRO DE PESQUISAS E DESENVOLVIMENTO … para anÁlise e projeto de dutos submarinos submetidos a altas pressÕes e temperaturas via aplicaÇÃo do mÉtodo dos elementos finitos

onde os parâmetros C1, C2 e C3 são apresentados por Costa (1978), a partir de trabalho

esenvolvido por Nayak & Zienkiewicz, conforme mostrado abaixo: d

( )ϕ

∂σ

σσ∂sin

,, 31 ==

m

m JfC

( ) ( ) ( )⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

Θ−Θ+ΘΘ+Θ== tgtgtgtgJf

C m 33

sin31cos

,, 32

ϕ

σ∂

σσ∂

( )Θ

Θ+Θ

==

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

3cos~2

cossin3

1sin

3,,

23

33

σ

ϕ

σσ∂

J

JfC m (4.107)

Com os parâmetros C1, C2 e C3 , pode-se expressar o gradiente da função de

escoamento em função das tensões e constantes elásticas do meio para os modelos

estruturais analisados neste trabalho, conforme mostrado abaixo:

Estado Plano de Deformações:

( ){ } ( )

⎪⎭⎬

⎪⎩⎨

⎪⎭

⎬⎪⎩

⎨⎪⎭⎬

⎪⎩⎨

⎪⎭

⎪⎬⎫

⎪⎩

⎪⎨⎧

++−

−+++++

=0

132220

11

332

321 ντν

τν

σνν

ssssCss

CCa

xyz

xyyxy

xy

zy (4.108)

O termo

⎪⎫⎪⎧⎪⎫

⎪⎧

⎪⎫

⎪⎧ +−++ 12

στνν

Cssssss xyyxzyzx

τsx

( )2zfE ∂σ∂ presente no denominador da matriz constitutiva elasto-plástica do

modelo de

estado plano de deformações é definido como:

( )22

323

21

2

323 ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+−++=

στ

σ∂σ

∂ CssCs

CCE

fE xyyxz

z

(4.109)

163

Page 177: CENTRO DE PESQUISAS E DESENVOLVIMENTO … para anÁlise e projeto de dutos submarinos submetidos a altas pressÕes e temperaturas via aplicaÇÃo do mÉtodo dos elementos finitos

Estado Plano de Tensões:

{ }⎪⎭

⎪⎬⎫

⎪⎩

⎪⎨⎧

⎪⎭

⎪⎬⎫

⎪⎩

⎪⎨⎧

⎪⎭

⎪⎬⎫

⎪⎩

⎪⎨⎧

⎪⎭

⎪⎬⎫

⎪⎩

⎪⎨⎧

+−

++=011

3222011

3

23

321 σ

ττσ

C

sssss

Css

CCa

xyz

zx

zy

xy

y

x

(4.110)

Modelo Axissimétrico:

{ }⎪⎪⎭⎪

⎪⎩⎪

⎪⎭⎪

⎪⎭⎪

⎪⎩⎪

⎪⎭⎪

⎪⎩ 11 θs

rz

⎪⎪⎬

⎫⎪⎪⎨

⎧⎪⎪⎬

⎪⎪⎩

⎪⎪⎨

⎪⎪⎬

⎪⎪⎨

⎪⎪⎬

⎪⎪⎨ +

−−

+=011

322201

3

23

2

321 σ

τττσ θ

θ C

sssss

CsCC

a

rzzr

rz

rz (4.111)

⎧⎫⎧⎫⎧1 θsss zr

As expressões obtidas acima para a obtenção do gradiente da função de escoamento são

utilizadas na expressão 4.70, para o cálculo da matriz constitutiva elasto-plástica,

anulando o parâmetro de endurecimento isotrópico do material (A=0).

164

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4.8 IMPLEMENTAÇÃO NUMÉRICA DAS RELAÇÕES INCREMENTAIS

TENSÃO-DEFORMAÇÃO EM REGIME ELASTO-PLÁSTICO

Este item tem como objetivo mostrar a implementação numérica das relações

crementais tensão-deformação em regime elasto-plástico para os critérios de in

escoamento de von Mises e Mohr-Coulomb.

Conforme mostrado anteriormente, o incremento de tensões { }σd pode ser expresso em

rmos do incremento de deformações elásticas, ou do incremento de deformações totais

onforme mostrado abaixo.

te

c

{ } [ ] { } { } { }( ) [ ] { } { } { } { }( )opoe dddddddd DD εεεεεεεσθθ−−−=−−= (4.112)

ou

{ } [ ] { } { } { }( )oep dddd D εεεσθ−−= (4.113)

onde a matriz constitutiva elasto-plástica é obtida através da expressão 4.70, conforme

ostrado anteriormente.

ilíbrio geradas pelo método dos

lementos finitos (capítulo 2), temos que a deformação e o incremento de deformação

m

Para um incremento de carga (t+∆t) e uma iteração k do processo recursivo de

convergência do sistema de equações matriciais de equ

e

num ponto de Gauss do modelo são dados por:

{ }( ) [ ] { }( )kttktt UB ∆+∆+ =ε (4.114)

{ }( ) { }( ) { }( )1−∆+∆+ −=∆kttkttk

εεε (4.115)

165

Page 179: CENTRO DE PESQUISAS E DESENVOLVIMENTO … para anÁlise e projeto de dutos submarinos submetidos a altas pressÕes e temperaturas via aplicaÇÃo do mÉtodo dos elementos finitos

Nas expressões acima os deslocamentos são considerados conhecidos para uma

interação imediatamente anterior a calculada. Notar que para k=1 { }( ) { }UU tktt =−∆+ 1 ,

{ }( ) { }tktt =−∆+ 1 , { }( ) e { }tktt =−∆+ 1 σσ ( ) kk tktt =−∆+ 1 , ou seja é necessário conhecer o εε

campo de deslocamentos, deformações, tensões e parâmetros de endurecimento do

aterial para o último incremento de carga, para inicializar o processo iterativo no

incremento de carga atual (t+∆t), como será mostrado a seguir.

O cálculo das tensões e deformações num incremento de carga (t+∆t) do processo

incremental-iterativo, supõem inicialmente que o incremento de tensões seja elástico,

para posteriormente efetuar a sua correção pela teoria da plasticidade caso seja

necessário, utilizando a expressão abaixo.

m

{ } ( ) [ ] { }( ) { } { }( )ko

kkke D 11 δεδεεσ θ

∆−∆−∆=∆ (4.116)

Observa-se na expressão acima que os incrementos de deformações térmica e inicial,

sã m

increme ão dos

incrementos de tensões e deformações corrigidos pela teoria da plasticidade, o

superíndice (k) do processo iterativo será omitido, mostrando-se a metodologia de

cálculo para a primeira iteração do processo de convergência. Desta forma a expressão

4.116 para o cálculo do incremento de tensões pode ser reescrita como:

o inseridos somente na iteração inicial do processo de convergência para u

nto de carga (t+∆t). Para facilitar o entendimento do processo de obtenç

{ } [ ] { } { } { }( )oe D εεεσ θ∆−∆−∆=∆ (4.117)

Assumindo que na iteração (k=1), o estado de tensões no ponto de Gauss avaliado esteja

em regime elástico, a função e escoamento do material deve satisfazer a condição

{ }( ) 0, <kf tt σ

elas

incremento de tensõ

. Caso o incremento de carga fornecido leve o material para o regime

to-plástico, a função de escoamento utilizando a aproximação elástica para o

es fornecerá { } { }( ) 0, >∆+ kf tet σσ , devendo existir um fator r que

forneça { } { }( ) 0, =∆+ krf tet σσ .

166

Page 180: CENTRO DE PESQUISAS E DESENVOLVIMENTO … para anÁlise e projeto de dutos submarinos submetidos a altas pressÕes e temperaturas via aplicaÇÃo do mÉtodo dos elementos finitos

O proce ástico

pode ser visto esquematicame

sso descrito acima durante a passagem do regime elástico para o elasto-pl

nte na Figura 4.21.

Figura 4.21 to de Gauss

passando do regime elástico para o elasto-plástico

O incremento de deform

es, uma puramente elástica dada por , e uma

gunda elasto-plástica dada por

– Visão esquemática do estado de tensões de um pon

ações durante a passagem do regime elástico para o elasto-

plástico será dividido em duas part { }ε∆r

{ } ( ){ }εε ∆−=∆ r1se . Da mesma forma que o tensor de

eformações totais, os tensores de deformações térmico e inicial, podem ser d

subdivididos numa parcela elástica { }θε∆r e { }or ε∆ , e outra elasto-plástica

{ } ( ){ }θθεε ∆−=∆ r1 e { } ( ){ }oo r εε ∆−=∆ 1 . Assim o incremento de tensões corrigido pela

teoria da plasticidade pode ser integrado da seguinte forma:

{ } [ ]{ } )ε

o (4.118)

{ } { } { }({ }

∫∆+

−−−∆ =ε

εεεεσθ

tt

t

p ddddD{ }

167

Page 181: CENTRO DE PESQUISAS E DESENVOLVIMENTO … para anÁlise e projeto de dutos submarinos submetidos a altas pressÕes e temperaturas via aplicaÇÃo do mÉtodo dos elementos finitos

Subdividindo incremento de deformação na expressão 4.118, nas parcelas elástica e

elasto-plástica, pode-se obter a seguinte expressão para o increm

o

ento de tensões em

gime elasto-plástico (CHEN,1988, ZIENKIENWICZ,1969).

∆+

−−εε

εεε θ

rt

oddd (4.119)

esta forma o estado de tensões após a passagem do regime elástico para o elasto-

t+∆

de

o numericamente devido à

ão-linearidade observada na expressão da função de escoamento

re

{ } { } [ ]{ } { }

∫∆+

∆∆ +=εε

σσ

t

epe Dr { } { } { }( ){ } { }

D

plástico (primeira iteração), pode ser obtido conforme abaixo.

{ }σtt =∆+ (4.120) { } { }σσ

O escalar r pode ser obtido analiticamente ou numericamente a partir da função

escoamento do material. Em geral o fator r deve ser obtid

n

{ } { }( ) 0, =∆+ krf tet σσ . Para o caso da função escoamento de von Mises o fator

multiplicador r, pode ser obtido analiticamente, introduzindo-se o estado de tensões

{ } { } { }et r σσσ ∆+= na função de escoamento ( )peJf εσ 22 31−= , obtendo-se

(CHEN,1988, COSTA,1978).

STSBBr .2 −+−

= (4.121)

onde:

2222 2 xyzyx ssssS ∆+∆+∆+∆=

xyxyt

zzt

yyt

xxt ssssssssB ∆+∆+∆+∆= 2

22222

32 ttttt 2 exyzyx ssss σ−+++= T

3zyx

m

σσσσ

∆+∆+∆=∆

mxxs σσ ∆∆=∆ − ; myys σσ ∆∆=∆ − ; mzzs σσ ∆∆=∆ − ; xyxys σ∆=∆ (4.122)

168

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Além do incremento de tensões elasto-plásticas em 4.119, deve-se também calcular os

incrementos de deformações plásticas, em especial a deformação plástica efetiva, que é

necessária para obter o parâmetro Hp (declividade da curva tensão efetiva-deformação

plástica efetiva) presente no denominador da matriz constitutiva elasto-plástica para o

critério de escoamento de von Mises conforme pode ser visto na Figura 4.22.

deformação plástica efetiva na primeira iteração (k=1) do incremento de carga (t+∆t)

fornecido através da expressão mostrada abaixo.

A

é

{ } [ ]{ } { } { }( ){ } { }

{ } { }

∫∆+

∆+

−−= +∆+

εε

εε

εεε θ

εεt

rt hdddDa oT

pt

ptt (4.123)

As integrais presentes nas expressões (4.120) e (4.123) são calculadas numericamente

subdividindo os incrementos de deformações plásticas { }ε∆ ,{ }θε∆ e { }oε∆ . A cada passo

do processo de integração, uma correção adicional é efetuada, conforme mostrado a

guir. se

{ } { } [ ]( ){ }

{ } { } { }( )oepittitti

D δεδεδεσσ θ

σ−−

−+= −∆+∆+

)1(

)1()( (4.124)

e

{ } [ ]{ }

ppi

hδεδεδε

σ

εε −−=−

⎟⎟⎠

⎜⎜⎝

+)1(

(4.125)

Nas expressões acima o processo numérico de integração é feito obedecendo as

seguintes condições de contorno.

{ } { } { }( )oT

ittitt Da θ⎞⎛−∆+∆+ )1()(

169

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Para i=1,2,...,m

{ } { }

{ }

{ } { } { } { } { } { }⎪⎪⎪⎪⎪

⎪⎪⎪⎪⎪

∆+

∆+

=

=

o

pptt

tt

εε

σσ

θ

σ

)0(

)0(

e

∆=

∆=∆=

mmmo ε

δεε

δεεδε θ ;;

{ } { }

{ }⎪⎪⎪

⎪⎪⎪

⎧ ∆+ =t

mtt σσ )(

∆+ ∆+= ppn

pt εεε

σ

)(

(4.126)

Onde m é o n o processo de

integração n deformações

IENKIENWICZ,1969, COSTA,1978).

úmero de subdivisões utilizadas para a realização d

umérica da parcela elasto-plástica do incremento de

(Z

Figura 4.22 – Curva tensão efetiva versus deformação plástica efetiva mostrando

declividade utilizada no critério de von Mises com encruamento isotrópico

170

Page 184: CENTRO DE PESQUISAS E DESENVOLVIMENTO … para anÁlise e projeto de dutos submarinos submetidos a altas pressÕes e temperaturas via aplicaÇÃo do mÉtodo dos elementos finitos

Após a integração da parcela elasto-plástica do incremento de deformações, e a

btenção do estado de tensões o ( { }σtt ∆+ ) e dos parâmetros de resistência ( ), ainda ktt ∆+

tem-se o seguinte erro:

{ }( ) 012 ≠− =∆+∆+ fF ktttt σ (4.127)

Para o caso do critério de escoamento de Von Mises a expressão (4.85), pode ser escrita

omo: c

{ }( ) 01 ≠− =∆+∆+ fF etttt σσ (4.128)

O incremento corretivo utilizado no estado de tensões (CHEN,1988), é considerado

normal à superfície de escoamento, sendo dado por:

{ } { } { }σσδσ

tt

fn

∆+⎭⎬⎫

⎩⎨⎧∂∂

= (4.129)

Utilizando o incremento de tensões corretivo { }δσ , pode-se recalcular a função de

escoamento corrigid

a, conforme mostrado abaixo.

01 =+ dff (4.130)

onde:

{ }{ }

{ }δσσ

σtt

Tf

df∆+

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎭⎬⎫

⎩⎨⎧∂

∂= (4.131)

Utilizando as expressões (4.130) e (4.131) na expressão (4.129), pode-se obtém-se o

parâmetro n:

171

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{ } { }{ }σ

σσtt

ff

fn

T

∆+⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎭⎬⎫

⎩⎨⎧∂∂

⎭⎬⎫

⎩⎨⎧∂∂

−= 1 (4.132)

Sendo o incremento corretivo de tensões dado por:

{ }

{ } { }{ }

{ } { }σσ

σσ

δσ

σ

tt

tt

f

ff

fT

∆+

∆+

⎭⎬⎫

⎩⎨⎧

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ ∂

⎭⎬⎫

⎩⎨⎧∂∂

⎭⎬⎫

⎩⎨⎧∂∂

−= 1 (4.133)

Desta forma a ob

tenção do incremento corretivo de tensões, temos:

{ } { } { }δσσσ +∆+∆+=

)(mtttt (4.134)

e

{ } { }( ) 0)(=+

∆+δσσ

mttf (4.135)

Após a seqüência de cálculo mostrada acima, o estado de tensões do ponto de

integração analisado, esta sobre a superfície de escoamento atualizada correspondente

po de deformações existente.

)

ao cam

Os cálculos mostrados acima referem-se à passagem do regime elástico para o elasto-

plástico, caso o estado de tensões encontre-se sobre a superfície de escoamento e um

incremento de deformações suposto inicialmente elástico seja imposto (correspondente

a um incremento de carga), duas situações podem ocorrer:

1{ }e

{ } { }( ) 0, <∆+ kf tet σσ { }⎪⎩

⎪⎨

=∆

≠∆

0

0

ε descarregamento

172

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{ }⎧ ≠∆ 0eε{ } { }( ) 0, >∆+ kf tet σσ2)

{ }⎪⎩

⎪⎨

≠∆ 0pε carregamento

o primeiro caso a consideração do incremento de tensões ser elástico é verdadeira, já

o segundo deve-se utilizar a mesma seqüência de cálculo mostrada anteriormente para

não ocorre para

perfícies de escoamento mais complexas com grande não-linearidade no fator r. Um

N

n

a passagem do regime elástico para o elasto-plástico do estado de tensões de um ponto

de integração, só que utilizando o fator multiplicador r igual a zero.

Como foi para a função de escoamento de Von Mises, o fator multiplicador r pode ser

obtido diretamente, podendo-se obter de forma simples para o ponto de Gauss analisado

o estado de tensões sobre a superfície de escoamento. O mesmo

su

exemplo é a função de escoamento de Mohr-Coulomb, onde o fator r deve ser obtido

numericamente de forma recursiva (Figura 4.23).

Figura 4.23 – Primeira iteração do processo numérico utilizado para obter o

multiplicador r para o critério de escoamento de Mohr-Coulomb

173

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O parâmetro r pode ser obtido através de semelhança de triângulos, fornecendo a

lação mostrada abaixo. re

{ }( ){ } { }( ) { }( ) o

ofr −−= (4.136) tttet

tt

ffkfkrf

kf−

=−∆+ 1,,

,

σσσ

σ

onde:

{ }( )kff tto ,σ=

e

{ } { }( )krff tet ,1 σσ ∆+= (4.137)

ça erro

enor que uma tolerância estipulada para a função de escoamento do material.

o ANEXO C é mostrado o fluxograma para uma iteração (k) qualquer de um

cremento de carga (t+∆t), do processo iterativo para a obtenção do incremento de

nsões em regime elasto-plástico paras as funções de escoamento de Mohr-Coulomb e

on Mises.

Os valores de of e 1f são atualizados até se obter um multiplicador r, que forne

m

N

in

te

V

174

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5 INTERAÇÃO SOLO-DUTO

correta representação da interação solo-duto é de fundamental importância na

a sua geometria, podem vencer a resistência do solo iniciando o processo de

stabilização e conseqüente flambagem.

interação solo-duto pode ser positiva ou negativa no tocante ao desenvolvimento das

ondições necessárias para gerar uma flambagem termomecânica, dependendo do nível

e restrição que o solo seja capaz de impor ao duto. Se o solo tiver a capacidade de

pedir movimentações significativas do duto, o que geralmente ocorre no caso de

utos enterrados, age de forma positiva impedindo a flambagem. Caso o duto esteja

parcialmente enterrado ou simplesmente apoiado sobre o solo, que é o caso corrente de

utos submarinos com elevadas lâminas d´agua, o solo pode ser um indutor do processo

de e

restring

s modelos analíticos e numéricos comumente utilizados na literatura técnica

OBBS,1981, KYRIAKIDES,1988, PALMER et al.,1981, PENDERSEN et al.,1985),

utilizam modelos de fricção de Morh-Coulomb. Esta forma de representação do

comportamento do solo nem sempre é apropriada principalmente no caso de dutos

submetidos a carregamentos cíclicos como será visto adiante.

A

simulação do comportamento de dutos aquecidos. Ao mesmo tempo em que tende a

restringir a movimentação do duto, sendo este um efeito benéfico caso a restrição seja

eficiente, também pode gerar as condições necessárias para a ocorrência do fenômeno

de flambagem termomecânica (“thermal buckling”), caso a restrição do solo seja parcial

sendo insuficiente para restringir movimentações do duto.

A reação axial do solo à movimentação do duto gera esforços de compressão na parede

deste, que dependendo das reações lateral e/ou vertical e das imperfeições iniciais

existentes n

in

A

c

d

im

d

d

flambagem, já que gera esforços compressivos na linha, não sendo capaz d

ir a sua movimentação e conseqüente instabilização.

O

(H

175

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Neste capítulo as leis constitutivas apresentadas servem tanto para solos argilosos como

arenosos, pois representam apenas as curvas de reação versus deslocamento da interação

solo-duto independente do tipo de solo.

5.1 INTERAÇÃO SOLO DUTO – DIREÇÃO AXIAL

Como dito anteriormente a resistência axial do solo, contrária à expansão térmica do

duto tende a gerar um esforço de compressão na linha que é função do enterramento

(área de contato solo-duto) e parâmetros de resistência do solo.

A reação axial máxima de um modo geral é dada pela lei de atrito de Coulomb,

conforme mostrado abaixo.

τ (5.1)

Ond

∫=A

axi dAF

e:

φστ tgc n+= (5.2)

plificada mostrando formas mais conhecidas no cálculo da

Verifica-se a partir das equações (5.1) e (5.2) que a reação axial depende da área de

contato solo-duto e do peso submerso expresso pela distribuição da tensão normal

efetiva no contato.

A equação (5.1) pode ser sim

reação axial.

Para materiais argilosos em condições não-drenadas fazendo uSc = e 0=φ , tem-se que:

(5.3) ∫=A

uaxi dASF

176

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ou caso a resistência não-drenada seja constante:

onde:

Su Resistência não-drenada no contato solo-duto

Alat Área lateral (por unidade de comprim nto) de contato solo-duto

Para materiais arenosos (comportamento drenado) com

latuaxi ASF = (5.4)

e

0=c , tem-se:

∫=A

naxi dAtgF φσ (5.5)

No caso de uma distribuição aproximadamente uniforme da tensão normal no contato

solo-duto, temos que:

subaxiaxi WF µ= (5.6)

onde:

latnsubW σ= A Peso Submerso por unidade de comprimento

φµ tgaxi = Coeficiente de atrito axial do contato solo-duto

A reação axial d te compreendida

rincipalmente em argilas, onde o valor da reação pode mudar ao longo do tempo

evido ao processo de adensamento ocasionado pela dissipação de poropressões que

esenvolvida em dutos ainda não é completamen

p

d

pode durar até semanas. Uma compreensão mais adequada da reação axial ainda é

objeto de estudo, podendo-se citar estudos experimentais, alguns ainda em fase inicial

visando a sua melhor compreensão (BOLTON et al.,2003, ASCE,2001, ODEN et al.

1985).

177

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Na análise de dutos é comum a utilização do conceito de coeficiente de “atrito” axial

equivalente para quantificar a interação solo-duto independente de seu comportamento

ser drenado ou não-drenado. O coeficiente de “atrito” equivalente é obtido dividindo a

reação axial máxima pelo peso submerso do duto. Esta forma de representação da

interação solo-duto pode levar a obtenção de coeficientes de atrito maiores que um,

ependendo do enterramento e parâmetros de resistência do solo, mas é extremamente

representar a lei

onstitutiva de Coulomb, mais comumente utilizada para representar a interação solo-

lha-se com a lei constitutiva

presentada na Figura 5.2, onde se verifica a existência de um deslocamento de

obilização que delimita as regiões elástica e plástica. Também verifica-se a existência

e uma região de transição entre a região com resistência de pico e a resistência residual

breakout region”), que domina o comportamento de expansão do duto na direção axial

consequentemente processo de flambagem. A forma da lei constitutiva e o valor do

eslocamento de mobilização apresentam influência significativa apenas no processo de

iciação do processo de flambagem e no comportamento do fenômeno chamado na

teratura técnica de “pipeline walking” (CARR et al. 2003 (a)).

d

útil pois fornece um valor adimensional mais fácil de ser comparado, levando em conta

as características do solo e do duto, sendo mais prático do que a simples utilização da

reação axial.

Utilizando o conceito de coeficiente de atrito equivalente pode-se

c

duto na direção axial conforme mostrado na Figura 5.1, onde verifica-se que

deslocamentos axiais relativos solo-duto só ocorrem quando a reação máxima na

direção axial é mobilizada.

Na realidade o comportamento real na direção axial asseme

a

m

d

(“

e

d

in

li

178

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Figura 5.1 – Lei constitutiva de atrito de Coulomb (rígido plástico)

em termos do coeficiente de “atrito” axial equivalente.

Figura 5.2 – Lei constitutiva plástico-perfeita com deslocamento de

mobilização em termos do coeficiente de “atrito” axial equivalente.

179

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5.2 INTERAÇÃO SOLO DUTO – DIREÇÃO TRANSVERSAL

A reação lateral do solo desenvolvida pela movimentação de dutos compreende

ssencialmente duas parcelas; a primeira semelhante à existente na direção axial e

omandada pelo atrito no contato solo-duto, e uma segunda dada pela mobilização da

o de flambagem (“Break-out Force”), mostrando a contribuição das parcelas de

trito e resistência passiva do solo.

ento do duto. Dependendo do nível de enterramento do duto a maior parte da

esma forma a apresentada para a reação axial, a reação lateral é geralmente

termos de um coeficiente de atrito lateral equivalente dividindo o peso

e

c

resistência ao cisalhamento do meio contínuo ao redor do duto, também chamado de

resistência passiva.

A equação 5.7 expressa a resistência lateral máxima desenvolvida pelo solo no inicio do

process

a

plat FFF += µ (5.7)

A primeira parcela de (5.7) depende do atrito no contato solo-duto e do peso submerso

do duto. A segunda parcela de (5.7) é devido a resistência passiva do solo ( pF ), sendo

função do diâmetro externo do duto, dos parâmetros de resistência do solo e do nível de

enterram

reação do solo é devido a componente de resistência passiva. De um modo geral a

reação lateral é função do tipo de carregamento imposto pelo duto ao solo. Em solos

argilosos caso o carregamento seja rápido, de modo a não permitir a dissipação de

poropressões, pode-se utilizar a resistência não drenada do material, sendo este o caso

mais freqüente. Caso ocorra a dissipação de poropressões com adensamento do solo, a

obtenção da reação lateral torna-se mais complexa não havendo ainda na literatura

técnica metodologia adequada de cálculo.

Da m

expressa em

submerso do duto pelo valor da reação lateral, conforme mostrado abaixo.

180

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sublatlat WF µ= (5.8)

Existem uma série de formulações semi-empíricas para determinar o valor da reação

passiva do solo, baseadas em testes experimentais e formulações de equilíbrio limite

através da definição de superfícies de ruptura (VERLEY,2000, ASCE,2001, BOLTON

te al.,2003).

Abaixo é mostrada uma das expressões clássicas para a obtenção da reação lateral

passiva (VERLEY,2000) de dutos apoiados sobre solos argilosos até enterramentos em

torno de 30% do diâmetro do duto, considerando propriedades não-drenadas.

31.1392.0

13.4 ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

ee

u

ue

p

Dz

DS

SDF

γ (5.9)

u etro externo do duto (De) e do

ento (z). Formulações semi-empíricas podem fornecer resultados não

atórios em muitos casos, devido a grande dispersão existente nos resultados

em

ala formada durante a sua movimentação.

a movimentação. Observa-se

Pode-se observar na equação (5.9) que a resistência lateral passiva depende da

resistência não-drenada do material (S ), do diâm

enterram

satisf

experimentais em que são baseadas, e nas hipóteses simplificadoras adotadas

(BOLTON et al.,2003), servindo mais para a compreensão dos principais parâmetros

envolvidos no comportamento físico do problema.

Algumas formulações incorporam o efeito do peso submerso do duto (BOLTON et

al.,2003), pois a reação lateral depende da capacidade do duto empurrar o solo s

escapar da v

A Figura 5.3 mostra o comportamento da reação lateral de dutos parcialmente

enterrados através do coeficiente de atrito equivalente na direção lateral, para dutos que

apresentem peso submerso suficiente para continuar empurrando o solo (dutos pesados)

sem sair da vala formada pela sua movimentação, e de dutos leves que durante o

processo de flambagem ultrapassam a vala formada pela su

181

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que, caso o duto tenha peso suficiente para continuar na vala, a reação lateral continua

aumentando devido ao acréscimo de resistência passiva mobilizada pelo duto (Figura

5.4). Por outro lado caso o duto seja leve o suficiente para escapar da vala (Figura 5.4),

a reação lateral tende a apresentar uma queda devido a desmobilização da resistência

passiva do solo. Nas Figuras 5.5 e 5.6 pode-se observar claramente o morro e a

formação de vala após a flambagem lateral de dois casos reais, o primeiro na Baia da

Guanabara que gerou o acidente ambiental com o duto PE-2 em janeiro de 2000, e o

utro caso na Bacia de Campos. o

Figura 5.3 – Lei constitutiva para reação lateral para dutos parcialmente enterrados

leves e pesados em termos do coeficiente de “atrito” lateral equivalente.

182

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Figura 5.4 – Seção transversal do duto no ponto de máximo deslocamento

lateral da alça de deformação mostrando comportamento de dutos leves

e pesados após a flambagem.

Figura 5.5 – Caso real mostrando formação de morro (“berm”) e

vala formada após flambagem lateral do duto PE-2.

183

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Figura 5.6 – Caso real mostrando formação de

vala formada por duto na Bacia de Campos.

Para dutos enterrados a reação lateral é essencialmente devido a componente passiva,

apresentando comportamento semelhante ao observado para os dutos denominados de

pesados.

Abaixo é mostrada a expressão recomendada pela ASCE (2001) para a obtenção da

reação lateral passiva de dutos totalmente enterrados.

esqhechp HDNcDNF γ+= (5.10)

Onde e são fatores de capacidade de carga, que são função do nível de

enterra

expressão (5.10) pode ser simplificada para os casos específicos de solos arenosos e

rgilosos, fornecendo respectivamente:

chN qhN

mento (H) do duto e do ângulo de atrito interno do material.

A

a

184

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esqhp HDNF γ= (5.11)

euchp DSNF = (5.12)

A recomendação da ASCE (2001) também estima o valor do deslocamento elástico

áximo lateral do solo em função do enterramm ento do duto.

Conforme pode-se observar acima para solos argilosos (5.12), a resistência lateral

passiva em dutos totalmente enterrados depende da resistência não-drenada do material

(Su), do diâmetro externo do duto (De) e de um fator de capacidade de carga que é

função do enterramento (H) e do ângulo de atrito interno do material. A expressão para

a reação lateral de dutos totalmente enterrados possui uma forma semelhante a

verificada para dutos parcialmente enterrados (5.9), sendo diferente apenas nos fatores

existentes em cada expressão que ajustam seus resultados de forma mais adequada para

cada caso (parcialmente enterrado versus totalmente enterrado).

A modelagem do comportamento da reação lateral durante carregamentos cíclicos é

mais complexa que o descrito acima, onde a utilização da lei de atrito de Coulomb é

inadequada, devido às variações que ocorrem no valor da reação lateral durante os

processos de aquecimento e resfriamento.

Dutos aquecidos com

agnitudes de 10 a 20 vezes o diâmetro do duto. Neste caso o

eio continuo formado pelo solo deslocado (BOLTON et

flambagem lateral tendem a desenvolver grandes deslocamentos,

podendo chegar a m

comportamento interativo solo-duto é de difícil avaliação principalmente no caso em

que valas são formadas pela movimentação do duto. A reação lateral pode sofrer

variações significativas durante os ciclos de aquecimento e resfriamento, já que durante

o resfriamento o duto tende a mobilizar apenas a parcela de atrito no contato solo-duto

enquanto durante o processo de aquecimento pode mobilizar as resistências de atrito no

contato e passiva do m

al.,2003).

185

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O com rtamento da reação lateral durante carregamentos cíclicos de aquecimento e

resfriamento em dutos, é geral

conforme mostrado na Figura 5.7. Esta forma de modelar a reação lateral não é

ente no caso de dutos que se movimentam dentro de valas devido

quecimento e desaquecimento da linha. Neste

ignificativamente diferente ao mostrado na Figura 5.7, e será

avaliada m entadas no AEEPECD.

A nto típico da curva de reação (atrito) lateral versus

eslocamento durante o aquecimento, resfriamento e posterior reaquecimento de um

parcela de atrito no

ontato solo-duto, até o fechamento do “gap” entre o duto e a massa de solo deslocado,

mento explicitado é apenas um dos possíveis, podendo ocorrer outros tipos de

omportamentos em dutos submarinos apoiados sobre o leito marinho. Outras leis

em ser mais adequadas em outros casos, dependendo do

esenvolvimento da interação solo-duto. As leis constitutivas implementadas no

AEEPECD para representar o co m

carregamentos cíclicos será abordada de forma detalhada mais a frente.

A utilização de uma o comportamento da

reação lateral em dutos aquecidos submetidos a carregamentos cíclicos é de

fundam ntal importância na obtenção do estados de tensões/deformações real, que

servirão como dados para avaliação dos estados limites. Caso seja utilizada a lei

constitutiva tradicional de Coulomb a alça de deformação formada pode aumentar

indefinidamente durante os ciclos de aquecimento e resfriamento como será visto no

to uma avaliação mais realista da curva de reação lateral do solo

ostra que o solo deslocado (“berm”), tende a gerar reações suficientes para estabilizar

a alça depois de determinado número de ciclos (capítulo 8).

po

mente modelado utilizando lei de atrito de Coulomb,

adequada principalm

ao processo de ciclagem induzido pelo a

caso a reação lateral é s

ais à frente com as leis constitutivas implem

Figura 5.8 mostra um comportame

d

duto contido numa vala. Observa-se o aumento da reação lateral durante o aquecimento

até determinado nível. Durante o resfriamento a reação lateral é geralmente menor

devido a mobilização apenas da parcela de atrito.

Após o reaquecimento do duto a reação lateral mobiliza apenas a

c

quando a reação lateral volta a aumentar devido a reação passiva do solo. O

comporta

c

constitutivas pod

d

mportamento físico de dutos aquecidos, sub etidos à

lei constitutiva que represente corretamente

e

capítulo 8, enquan

m

186

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Figura 5.7 – Reação lateral do solo para lei de atrito de

Coulomb durante ciclos de aquecimento de desaquecimento

Figura 5.8 – Comportamento real típico da reação lateral do solo

durante ciclos de aquecimento de desaquecimento

187

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Apesar lateral

do solo, ao longo deste trabalho será utilizado o programa AEEPECD na obtenção da

curva de reação lateral do solo, por ser uma ferramenta numérica validada com ensaios

experimentais (COSTA, 2001g), além conseguir representar adequadamente a não-

homogeneidade das propriedades mecânicas e de resistência do solo.

Para solos argilosos abordados neste trabalho, em função do carregamento imposto pelo

duto, considera-se o comportamento do solo neste processo como não-drenado. Para o

modelo elasto-plástico, adota-se o critério de Mohr-Coulomb (capítulo 4) para material

puramente coesivo com ângulo de atrito igual a zero, o que recai no modelo de Tresca

na condição “no tension”.

A resistência não-drenada de solos argilosos geralmente é função da profundidade

podendo apresentar grandes variações na camada superficial, que é a região de interesse

na determinação das reações de solo devido à movimentação do duto. A Figura 5.9

mostra ara a

camada superficial de solo de um solo marinho analisado.

de existirem várias formulações analíticas para a determinação da reação

algumas curvas de resistência não-drenada em função da profundidade p

Figura 5.9 - Curvas típicas Força eslocamento, obtidas através

simulações considerando modelo de contínuo de estado plano de

deformações utilizando o programa AEEPECD

x d

188

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Figura 5.10 – Perfil de resistência não-drenada na camada superficial

típico em solo argiloso localizado em águas profundas

Foi implementada rotina no AEEPECD para considerar variações na resistência não-

drenada com a profundidade, calculando as propriedades mecânicas e de resistência em

cada elemento. Os valores utilizados em cada elemento são obtidos utilizando a

equação de resistência não-drenada obtida (Su(z)), para a profundidade do centro de

gravidade do elemento. As propriedades elásticas do solo são calculadas da mesma

forma, utilizando correlações (AMARAL, 1997c) com a resistência não-drenada.

O programa AEEPECD foi validado fazendo-se comparações com ensaios

experimentais realizados no IPT (COSTA,2001g). A Figura 5.11 mostra o tanque de

prova experimental e a geomteria deformada do solo considerando um enterramento de

50% do diâmetro do duto, podendo-se observar claramente a formação de uma pequena

vala. A determinação de reações devido à movimentação de dutos também foi validada

através de comparações entre os programas AEEPECD e ABAQUS

(CARDOSO,2004(b)) para modelos com Su constante.

189

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Figura 5.11 – Tanque de prova experimental (IPT) utilizado para determinação

5.3 INTERAÇÃO SOLO DUTO – DIREÇÃO VERTICAL

imente-se no sentido de aumentar o

u enterramento tem-se a reação denominada de vertical descendente, por outro lado se

sprezada para enterramentos inferiores a meio diâmetro.

da reação lateral mostrando duto e vala formada

A reação vertical do solo pode ser dividida em função da direção de mobilização do

solo pela movimentação do duto. Caso o duto mov

se

o duto se movimentar no sentido de diminuir o seu enterramento, temos a reação

chamada de vertical ascendente. De um modo geral estas duas reações são diferentes,

mas para dutos muito enterrados (enterramentos superiores a 3 diâmetros), as reações

máximas do solo tendem a ser iguais nos dois sentidos (ASCE,2001).

No caso de dutos apoiados sobre o solo ou parcialmente enterrados, a reação vertical

mais significativa é a descendente, a reação vertical ascendente é secundária e de difícil

obtenção pois depende essencialmente da sucção no contato solo-duto, sendo

geralmente de

190

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Em dutos totalmente enterrados a reação vertical do solo, tanto ascendente como

descendente pode ser obtida através de formulações analíticas baseadas em ensaios

experimentais e modelos teóricos, ou por modelagem numérica utilizando modelos de

elementos finitos.

É possível obter as reações verticais em dutos enterrados utilizando expressões

nalíticas, onde a principal referência é dada pela recomendação da ASCE (2001) para

projeto de dutos enterrados. A expressões propostas pela ASCE (2001) são baseadas em

testes em escala reduzida e modelos matemáticos para obtenção da reação vertical

máxima do solo, sendo também propostas expressões para o cálculo do deslocamento de

mobilização correspondente à reação vertical máxima.

O cálculo da reação vertical ascendente proposta pela ASCE (2001), é mostrada abaixo,

sendo válida para dutos com enterramentos moderados.

a

esqvecvva HDNcDNF γ+= (5.13)

Onde e são fatores de capacidade de carga, e H é o enterramento referente ao

c

A expressão (5.13) pode ser simplificada para os casos específicos de solos arenosos e

cvN qvN

entro do duto.

argilosos, representada conforme mostrado abaixo.

esqvva HDNF γ= (5.14)

(5.15)

eucvva DSNF =

191

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O cálculo da reação vertical descendente proposta pela ASCE (2001), é mostrada

abaixo.

2

2e

sesqecvdD

NHDNcDNF γγ γ++= (5.16)

Onde e são fatores de capacidade de carga.

A expressão (5.16) é a expressão clássica para o cálculo de capacidade de carga em

fundações rasas (LAMBE,1969), e pode ser simplificada para os casos específicos de

s

cN qN γN

olos arenosos e argilosos respectivamente, conforme mostrado abaixo.

2

2e

sesqvdD

NHDNF γγ γ+= (5.17)

esqeucvd HDNDSNF γ+= (5.18)

As reações verticais mostradas acima fornecem reações má as do solo caso o duto

apresente deslocamentos elevados pode ocorrer o rompimento das camadas de solo

sobrejacentes alter

xim

ando a reação vertical ascendente de forma significativa. Para

presentar corretamente a reação vertical do solo durante o processo de flambagem

ertical, deve-se considerar uma possível perda de suporte vertical com a movimentação

do duto. As Figuras 5.12 e 5.13 mostram respectivamente a configuração fletida de um

duto inicialmente com cobertura de solo acima de sua geratriz superior com os esforços

atuantes, e a curva de reação vertical ascendente versus deslocamento vertical

associada.

re

v

192

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Figura 5.12 – Esforços atuantes na configuração deformada do duto, considerando

imperfeição inicial (δi) e variação da resistência vertical ascendente com o

deslocamento vertical

Figura 5.13 – Curvas idealizadas de reação vertical ascendente de materiais argilosos e

arenosos em função do deslocamento vertical para dutos totalmente enterrados

193

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Para considerar a variação de resistência não-drenada com a profundidade, as reações

de solo são geradas com o programa AEEPECD de forma semelhante à descrita para a

obtenção das reações laterais.

A Figura 5.14 mostra uma malha de elementos finitos gerada para a determinação da

reação vertical descendente de um duto apoiado sobre o piso marinho com enterramento

inicial de 50% do diâmetro externo. As Figuras 5.15 e 5.16 mostram respectivamente a

deformada do duto e a região plastificada do solo, assim como algumas curvas de

reação vertical em função do deslocamento vertical imposto.

Figura 5.14– Malha de elementos finitos com duto possuindo enterramento de

50% do diâmetro, gerada para determinação da reação vertical descendente do solo

194

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Figura 5.15 – Isomapa de plastificação para a reação máxima vertical

Figura 5.16 – Curva de reação vertical descendente em função do

deslocamento para diferentes enterramentos iniciais

195

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De um modo geral o método dos elementos finitos é utilizado na obtenção das reações

de solo devido à possibilidade de representar condições que não são cobertas por

rmulações analíticas. Em geral os parâmetros de resistência do solo são variáveis com

profundidade (Figura 5.10) como explicado anteriormente, exercendo grande

fluência no resultado da reação de solo obtida. Além disso modelos numéricos são

apazes de representar a plasticidade do solo e a interação solo-duto, através de

lementos de interface especiais de forma bastante precisa, sendo validado com ensaios

xperimentais (COSTA,2001g). Por outro lado formulações analíticas servem para obter

alores aproximados de forma simples quando não se dispõe de uma ferramenta

umérica adequada, para solos com propriedades de resistência constantes.

s reações verticais de solo assim como todas a demais apresentadas neste trabalho

stringem-se ao campo dos pequenos deslocamentos. Os deslocamentos impostos por

utos durante o processo de flambagem podem alcançar deslocamentos da ordem de

vários diâmetros do duto, sendo este um importante tema de pesquisa atual para uma

melhor compreensão do complexo fenômeno de interação solo-duto.

As reações de solo podem sofrer variações significativas para deslocamentos da ordem

de alguns diâmetros, principalmente as reações laterais no caso de dutos parcialmente

enterrados, e na componente vertical ascendente de dutos totalmente enterrados (Figura

5.13). Nos demais casos as reações de solo apresentam comportamento relativamente

estável mesmo para deslocamentos relativamente elevados.

fo

a

in

c

e

e

v

n

A

re

d

196

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5.4 INTERAÇÃO SOLO DUTO – ENTERRAMENTO NATURAL

Para avaliar corretamente a interação solo-duto é necessário conhecer o enterramento

inicial do duto, sendo esta uma das principais fontes de incerteza na determinação das

reações do solo. Em dutos terrestres ou em lâminas d’agua rasas é mais fácil controlar o

nível de enterramento do duto, já em dutos lançados em águas profundas o enterramento

inicial não é controlável dependendo de um série de fatores como; Perfil de resistência

do solo, peso submerso, diâmetro do duto, cargas de instalação, etc...

A determinação do enterramento inicial de dutos submarinos é feita tradicionalmente

onsiderando a força vertical atuante no contato solo-duto, como sendo igual ao peso

bmerso do duto vazio multiplicado por um fator de amplificação da reação devido ao

des envolvidas durante o processo de penetração do

uto no solo.

ara solos com comportamento não-drenado (argila) VERLEY et al. (2000), propôs

obtenção do enterramento inicial de dutos baseados em experimentos em escala

expressão:

a

c

su

esforço de lançamento. De um modo geral o aumento da força vertical no contato solo-

duto é de 2 a 3 vezes maior que a carga considerando somente o peso submerso do duto

(LUND, 1995).

O enterramento inicial em dutos geralmente é calculado através de modelos empíricos,

modelos analíticos ou de simulações numéricas, sendo este último o mais apropriado

para representar as não-linearida

d

P

para a

real, a seguinte

( ) ( ) 7.03.02.33.0 062.00071.0 SGSGzini += Dext

(5.19)

onde:

uext

sub

SDW

S = e γext

u

DS

G =

197

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No caso de solo com comportamento drenado (areia), a expressão que melhor se ajusta

aos dados empíricos apresentados por VERLEY et al. (2000), é dada por:

32037.0 −= JKDz

ext

ini (5.20)

onde: sub

exts

WD

K2'γ

=

Outros trabalhos realizados com o intuito de obter expressões capazes de fornecer

estimativas para o enterramento de dutos apoiados sobre o leito marinho devido ao seu

peso próprio, fornecem uma faixa de valore possíveis limitados por um máximo e outro

mínimo (BOLTON et al.,2003), ao invés de ostrado nas equações

acima.

Como pode ser observado, o cálculo do enterramento inicial é função do carregamento

estático devido ao peso do duto, propriedades do solo, e área de contato solo duto

(diâmetro externo do duto). Porém fatores que ocorrem durante o lançamento como as

movimentações laterais no TDP (“touch-down point”) não são consideradas. A reação

no TDP é um efeito essencialmente dinâmico e com forte influência no enterramento do

duto, e conseqüentemente na forma da curva de reação do solo.

De um modo geral as formulações utilizadas para obter o enterramento inicial de dutos

lançados diretamente sobre o solo tendem a subestimar o enterramento, podendo

apresentar grand 5). Para se ter

uma avaliação mais c to durante a fase de

projeto é necessário avaliar o aumento da força no contato solo-duto durante o

lançamento, e principalmente avaliar a amplitude lateral e o número de ciclos ocorridos

pelo movimento do duto na região do TDP.

s

um valor fixo como m

e diferença com o observado na realidade (LUND,199

onfiável do enterramento inicial de um du

198

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No caso de dutos já em operação o enterramento deve ser obtido através de inspeções

pois o enterramento pode ser alterado por uma série de fatores ambientais.

egião do TDP e do aumento na

rça de contato no TDP durante o lançamento. Neste estudo Lund mostrou que os

de dutos em operação ainda é esparsa, porém

os últimos anos vem crescendo significativamente, devido a utilização de tecnologias

aseadas em veículos submarinos (ROV e AUV) para a realização de inspeções em

águas profundas.

5.5 FORMULAÇÃO DE ELEMENTOS FINITOS DE INTERFACE PARA

CONSIDERAÇÃO DE DESCONTINUIDADES

Neste item será apresentada a formulação matemática do método dos elementos para o

elemento de interface utilizado no programa AEEPECD (COSTA,1984). Em problemas

de interação solo-estrutura utilizando o método dos elementos finitos, muitas são as

situações em o exemplo

de superfícies , dutos entre

utros que formam uma superfície de contato com o solo ao seu redor.

casos a superfície de contato é desconhecida podendo variar durante a aplicação do

carregamento. No elemento de interface utilizado neste trabalho, a superfície inicial de

Até o presente momento não existem estudos experimentais para avaliar os efeitos dos

esforços de lançamento no enterramento de dutos submarinos. A verificação do efeito

dos esforços de lançamento foi feito por LUND (1995), que analisou a partir de dados

medidos, o efeito dos movimentos cíclicos laterais na r

fo

fatores determinantes no enterramento do duto Zeepipe 2B lançado numa região com

solo argiloso e com lâmina d’agua em torno 270 m, foram os esforços de lançamento.

A existência de dados sobre enterramento

n

b

que são presentes descontinuidades no modelo de análise. Com

de descontinuidade, pode-se citar o caso de estacas, âncoras

o

Em alguns casos a superfície de contato pode ser definida de forma precisa mantendo-

se constante ao longo da aplicação do carregamento no modelo estrutural. Em outros

199

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interface deve ser conhecida podendo variar somente devido ao “descolamento” entre as

partes (COSTA,1984, GOODMAN,1968/1972).

is ou mais

lidos em contato, ou ser utilizado como um elemento estrutural para representar a

ação de outro sólido. A utilização dos elementos de interface como elementos

estruturais será feita no caso específico estud do neste trabalho, para a representação da

reação do so

Serão apresentadas diversas leis constitutivas utilizadas para representar o

comportamento físico de uma interface (COSTA,1984). O elemento de interface

utilizado neste trabalho pode representar o comportamento físico entre do

re

a

lo em dutos aquecidos.

200

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5.5.1 COMPORTAMENTO FÍSICO DE UMA INTERFACE

Neste item serão mostradas as leis constitutivas já existentes no código do AEEPECD,

assim como novas leis implementadas para representar a interação solo-duto aquecido.

A representação de uma descontinuidade ou interface entre dois ou mais corpos sólidos,

ode apresentar não-linearidades tais como a variação da superfície de contato e

omportamento não-linear físico do material. No caso analisado neste trabalho onde a

perfície de contato inicial é conhecida, pode-se partir diretamente para a sua

discretização através de elementos finitos de interface (COSTA,1984,

GOODMAN,1968/1972), que permitam considerar a descontinuidade entre os corpos

sólidos em contato, considerando a não-linearidade física do material de interface.

O elemento de interface utilizado neste trabalho tem a vantagem de permitir a

consideração de diferentes leis constitutivas, permitindo uma grande flexibilidade ao

código de elementos finitos AEEPECD na análise dos mais variados problemas

envolvendo interação solo-estrutura.

A descontinuidade entre dois ou mais corpos sólidos pode ser modelada em função dos

deslocamentos relativos entre as superfícies destes corpos (topo e base – Figura 5.17). O

comportamento ões normal e

tangencial ao co ato, podendo-se

observar no detalhe uma região com geometria rugosa representando o contato real

assim como as superfícies topo e base dos sólidos vizinhos utilizados no modelo

matemático do contato. O contato entre dois corpos sólidos possui geralmente uma

pequena espessura que delimita a região de pelo comportamento

físico das tensões normal e tangencial que são desenvolvidas na interface.

p

c

su

do elemento de interface é analisado segundo as direç

ntato. A Figura 5.17 mostra dois corpos sólidos em cont

influência responsável

201

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Figura 5.17 – Corpos sólidos em contato num instante t

ura 5.18

ostra o comportamento evidenciado experimentalmente (COSTA,1984) para a tensão

ormal em diferentes corpos de prova. O corpo de prova CP1 é um corpo de prova

irgem sem fissuras, o corpo de prova CP2 é o mesmo corpo de prova CP1, porém com

uma fissura criada artificialmente, já o corpo de prova CP3 é o mesmo corpo de prova

CP2, ma o corpo

CP2.

5.5.2 COMPORTAMENTO FÍSICO DA INTERFACE – DIREÇÃO NORMAL

De um modo geral o contato entre corpos sólidos é caracterizado pelo comportamento

não-linear entre as tensões desenvolvidas no contato e o deslocamento relativo entre as

superfícies dos corpos sólidos. Para compreender-se melhor este fato a Fig

m

n

v

s com a fissura criada artificialmente com uma geometria diferente d

202

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Figura 5.18 – Corpos de prova utilizados para mostrar o comportamento

da tensão na direção normal ao contato

Figura 5.19 – Ensaio mostrando comportamento experimental das tensões

desenvolvidas na direção normal ao contato entre dois corpos sólidos

203

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A Figura 5.19 mostra o comportamento da tensão normal em função do deslocamento

edido nos topos dos corpos de prova. Subtraindo os deslocamentos associados ao

orpo de prova CP1 dos obtidos para os corpos de prova CP2 e CP3, obtém-se o

omportamento não-linear da tensão normal no contato em função do deslocamento

lativo entre as superfícies dos corpos sólidos, conforme pode ser visto na Figura 5.20.

ambém pode-se observar na Figura 5.20 a variação no coeficiente de rigidez normal

ostrando a influência da geometria e “espessura” do contato no comportamento não-

linear da interface.

m

c

c

re

T

m

Figura tre as

curva experimental ilustrada na Figura 5.20 pode ser modelada matematicamente

5.20 –Tensão normal no contato em função do deslocamento relativo en

superfícies dos sólidos para os corpos de prova CP2 e CP3

A

através de leis constitutivas baseadas no comportamento macroscópico da interface.

Existem diversas leis que satisfazem o comportamento observado na Figura 5.20, duas

possíveis leis são a hiperbólica e exponencial respectivamente mostradas abaixo.

204

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i

nm

ni

no

non

vVv

σ ⎟⎟⎠

⎜⎜⎝ ∆−

= (5.21)

(5.22)

nde:

,,

σσ ⎞⎛ ∆−

nenon

vXe ∆−=σσ

o

X eii Xα - são constantes obtidas de resultados experimentais

nσ - tensão normal no contato num instante t

noσ - tensão normal inicial no contato

as leis constitutivas hiperbólica e exponencial expressas

equações (5.21 e 5.22) respectivamente. Estas leis possuem como características

comum a resistência nula à tração definida através de uma tensão mínima no contato

ξ), e existência de uma compressão máxima no contato que define o valor da máxima

onvergência (Vmc) entre as duas superfícies dos sólidos vizinhos.

seguir são mostrados os parâmetros que devem ser calculados para a utilização de

ada lei.

ei Hiperbólica :

As Figuras 5.21 e 5.22 mostram

pelas

em

(

c

A

c

L

m

noi

vn

nno V

Xv

Cn

σσ=

∆∂∂

==∆ 0

(Coeficiente de rigidez tangente inicial) (5.23)

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−+

+=mc

mmcino V

VVX1σξ (Tensão mínima no contato) (5.24)

205

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Lei Exponencial :

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−=

no

n

me V

Xσσ exp

ln1 (Expoente para lei exponencial) (5.25)

enovn

nno X

vC

n

σ−=∆∂

==∆ 0

(Coeficiente de rigidez tangente inicial) (5.26)

σ∂

(Tensão mínima no contato) (5.27)

As leis constitutivas exponenc m o comportamento físico de

contatos entre corpos sólidos, estando implementandos no código do programa

EEPECD (COSTA,1984), não sendo vistas em detalhes neste trabalho.

este trabalho será dado enfâse às leis constitutivas para a tensão normal do contato que

no estudo da interação solo-duto em duas etapas distintas. Na primeira para

odelar a interface entre o solo e o duto permitindo a determinação das curvas de

reação do solo, utilizando um modelo de estado plano de deformação, conforme visto

anteriormente. Numa segunda etapa como elemento estrutural capaz de representar as

reações do solo devido à movimentação de dutos aquecidos utilizando para tal leis

constitutivas adequadas.

( )mmceno

VVXe −−= σξ

ial e hiperbólica representa

A

N

permitam utilizar o elemento de interface apresentado, como um elemento estrutural,

capaz de representar reações típicas do comportamento solo-duto (plástico-perfeita,

multilinear, etc..). No caso específico deste trabalho o elemento de interface será

utilizado

m

206

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Figura 5.21 – Lei constitutiva hiperbólica para tensão normal na interface

Figura 5.22 – Lei constitutiva exponencial para tensão normal na interface

207

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P o do elemento de interface na direção

ormal ao contato, a Figura 5.23 mostra dois pontos 1 e 2, pertencentes respectivamente

o topo e à base do elemento de interface, numa mesma direção normal ao eixo

longitudinal do elemento. A forma como os deslocamentos relativos na direção normal

são calculados é mostrado na Figura 5.24, para um caso particular onde os

deslocamentos relativos são constantes ao longo da direção longitudinal em dois

instantes distintos t e t+∆t, assim como a lei constitutiva utilizada para a tensão normal.

A formulação matemática do elemento finito de interface, assim como o cálculo dos

deslocamentos relativos e tensão no contato foram vistos no capítulo 3.

ara compreender melhor o comportamento físic

n

a

dos deslocamentos relativos e tensão normal.

Figura 5.23 – Elemento de interface mostrando topo e base para cálculo

208

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Figura 5.24 – Esquem entos normais relativos

para o elemento de interface

a para a obtenção dos deslocam

209

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5.5.3 LEI CONSTITUTIVA PARA INTERAÇÃO SOLO–DUTO NA DIREÇÃO

NORMAL AO CONTATO

primeira lei constitutiva implementada para representar a interação solo-duto na

ireção normal ao contato solo-duto, é a lei plástico-perfeita conforme mostrado na

igura 5.25. A lei constitutiva plástico-perfeita permite a consideração de uma tensão

al inicial ( ) e de uma tensão de ruptura por tração ( ), a partir da qual ocorre

descolamento entre as faces do elemento de interface sem a ocorrência de reação entre

solo e o duto. No caso específico de analises de interação solo-duto aquecido, as

tensões na direção normal inicial e de rupt ra por tração são nulas, sendo de grande

tilidade em outras análises na área de interação solo-estrutura.

Na Figura 5.25 sã escompressão de

m ponto do elemento de interface, podendo-se observar, que durante os

escarregamentos 1-2 e 2-2 são armazenados os “gaps” (

A interação solo-duto no programa AEEPECD é feita através da utilização dos

elementos de contínuo de contato (capítulo 3), sendo utilizadas leis constitutivas

específicas para representar a reação de solo.

A

d

F

norm on

σ tn

σ

o

o

u

u

o mostrados dois ciclos completos de compressão e d

u

d pnV∆ ) formados entre as faces

do elemento de contato que representam a interface solo-duto. O armazenamento do

“gap” formado entre o duto e o solo durante o processo de descarregamento da

interface, é essencial para representar de forma correta a interação solo-duto em casos

onde ocorra ciclagem, já que o solo só ira reagir integralmente novamente contra o duto

quando o “gap” for fechado durante um novo ciclo de carregamento, conforme pode ser

visto na Figura 5.25.

A lei contitutiva elastoplástica perfeita mostrada permite também a inserção de um

“gap” inicial permitindo modelar uma separação inicial entre o duto e solo, útil para

simular o comportamento de dutos aquecidos em regiões com vãos-livres. A lei

constitutiva elastoplástica perfeita com um “gap” inicial é mostrado na Figura 5.26. A

Figura 5.26 um ponto

do elemento de interface que po

mostra dois ciclos completos de compressão e descompressão de

ssui um “gap” inicial.

210

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Figura 5.25 – Lei constitutiva plástico-perfeita para tensão normal no elemento

de interface mostrando dois ciclos completos de compressão e descompressão.

Figura 5.2 ormal na

interface mostrand descompressão.

As Figuras 5.27 e 5.28 mostram dois ciclos completos de tração e compressão do

elemento de interface sem e com “gap” inicial para a lei elastoplástica perfeita. Como a

tensão de ruptura por tração é nula ( ), o elemento funciona somente á

compressão, o que não é um problema pois são utilizados elementos em ambas as faces

do duto.

6 – Lei constitutiva plástico-perfeita com gap inicial para tensão n

o dois ciclos completos de compressão e

0=tn

σ

211

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Figura 5.27 – Lei constitutiva plástico-perfeita para tensão normal no elemento

de interface mostrando d

ois ciclos completos de tração e compressão

Figura 5.28 – Lei constitutiva plástico-perfeita com gap inicial para tensão normal no

elemento de interface mostrando dois ciclos completos de tração e compressão

utra lei constitutiva utilizada para a realização das análises de interação solo-duto

aquecidos, é a lei multilinear que permite a consideração do aumento da resistência do

solo (encruamento). Na lei constitutiva com encruamento a tensão máxima de

compressão ( ), é atualizada em função do deslocamento relativo no elemento de

30 mostram respectivamente dois ciclos completo de

comp pressão, de um ponto do elemento de contato sem e com “gap”

inicial. As m as observações feitas para a tensão inicial ( ) e de ruptura por tração

O

maxn

σ

contato. As Figuras 5.29 e 5.

ressão e descom

esm noσ

212

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( tn

σ

com

) do contato feitas para a lei elastoplástica-perfeita são válidas para a lei multilinear

encruamento.

Figura 5.29 – Lei multilinear com encruamento plástico para tensão normal no elemento

de interface mostrando dois ciclos completos de compressão e descompressão.

Figura 5.30 – Lei multilinear com encruamento plástico e gap inicial para tensão normal

na interface mostrando dois ciclos completos de compressão e descompressão.

213

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As Figuras 5.31 e 5.32 mostram dois ciclos completos de tração e compressão de um

ponto do elemento de contato, para a lei multilinear com encruamento.

Figura 5.31 – Lei constitutiva com endurecimento plástico para tensão normal no

elemento de interface mostrando dois ciclos completos de descompressão e compressão

Figura 5.32 – Lei constitutiva com endurecimento plástico e gap inicial para

tensão normal no elemento de interface mostrando dois ciclos completos

de descompressão e compressão

214

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As leis constitutivas plástico-perfeita e multilinear com endurecimento mostradas

acima, permitem a simulação da interação solo-estrutura, e em particular solo-duto, em

casos de carregamentos cíclicos na direção normal ao elemento de interface.

Uma lacuna observada nas leis plástico-perfeita e multilinear com endurecimento é a

representação do “atrito secundário” existente entre a base do duto e o solo, quando

ocorre o descarregamento da interface devido ao desaquecimento do duto, em

simulações no plano horizontal. Para preencher esta lacuna foram implementadas leis

plástico-perfeita e multilinear com endurecimento, considerando o “atrito secundário”

durante o descarregamento do elemento de solo.

As Figuras 5.33 e 5.34 mostram dois ciclos completos de compressão e descompressão

de um ponto do elemento de interface para as leis elastoplástica-perfeita e multilinear

considerando “atrito secundário” durante o descarregamento, para representar o atrito

lateral solo-duto.

Figura 5.33 – Lei constitutiva elasto-plástica perfeita com “atrito secundário” para

tensão normal na interface mostrando dois ciclos completos de compressão e

descompressão

215

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Figura 5.34 – Lei constitutiva multilinear com encruamento plástico e “atrito

secundário” para tensão normal no elemento de interface mostrando dois ciclos

completos de compressão e descompressão

As leis constitutivas plástico-perfeita e multilinear com endurecimento considerando

“atrito secundário”, permitem considerar as parcelas de reação passiva e de atrito lateral

do solo, conforme mostrado nas Figuras 5.33 e 5.35. Para o caso particular de um duto

simplesmente apoiado sobre o solo, onde a parcela de reação passiva do solo é

praticamente nula, a lei constitutiva para a tensão normal ao elemento de interface é

mostrada na Figura 5.35. Observa-se a simetria da tensão normal desenvolvendo o atrito

lateral nos dois sentidos de carregamento do elemento de interface.

216

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Figura 5.35 – Lei constitutiva com atrito lateral para tensão normal no elemento de

interface mostrando dois ciclos completos de compressão e tração para o caso de duto

desenterrado

217

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A seguir será mostrado o algoritmo numérico utilizado no elemento de contato durante

o processo de convergência para a tensão normal para uma lei constitutiva não-linear

qualquer num ponto de integração do elemento de contato.

Conforme visto no capítulo 2, a tensão normal pode ser decomposta em duas parcelas,

uma linear e outra não-linear (corretiva). Deste modo para um incremento de carga t +

∆t de uma iteração k, temos que:

( ) )()()()()( kpn

ken

kpn

knn

on

kn VVC σσσσ ∆tt∆tt∆tt∆tt∆tt +++++ +=∆−∆+= (5.28)

onde:

)()( knn

on

ken VC ∆+= ++ ∆tt∆tt σσ

)()( kpnn

kpn VC ∆−= ++ ∆tt∆tt σ (5.29)

Desmembrando o termo não-linear, temos:

(5.30)

Onde a última parcela da equação (5.30), é desconhecida na iteração k, para o processo

de convergência no instante t + ∆t. “Linearizando” a equação (5.30), anulando-se a

parcela não-linear da tensão normal no contato na iteração (k), pode-se obter a seguinte

expressão aproximada.

(5.31)

O fluxograma de cálculo do solver utilizado durante o processo incremental-iterativo no

programa AEEPECD, para a tensão normal atualizada no contato é mostrada no

ANEXO C. As Figuras 5.36 e 5.37 mostram o processo iterativo de convergência

adotado no programa AEEPECD, para as leis constitutivas plástico-perfeito e

)()1()()( kpn

kpn

ken

kn σσσσ ∆++= −+++ ∆tt∆tt∆tt

)1()()(~ −+++ += kpn

ken

kn σσσ ∆tt∆tt∆tt

218

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multilinear. O processo de convergência baseia-se num solver onde os desequilíbrios

são calculados com a rigidez inicial do contato “initial stress”.

Figura 5.36 – Processo iterativo para a lei constitutiva

elastoplástica-perfeita para a tensão normal

Figura 5.37 – Processo iterativo para a lei constitutiva elastoplástica

com endurecimento para a tensão normal

219

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A seguir serão mostrados alguns exemplos de testes feitos para a lei constitutiva

implementada para a tensão normal no elemento de interface do AEEPECD, para

permitir a representação da interação solo-duto em linhas aquecidas submetidas à

carregamentos cíclicos de aquecimento e resfriamento.

A geometria básica de teste utiliza um modelo de estado plano de tensões constituído de

um elemento sólido e outro de interface (Figura 5.38). O elemento sólido possui

propriedades mecânicas do aço, sendo praticamente rígido e indeformável (E=2000000

KPa e ν=0.) frente ao material do contato, transferindo integralmente o deslocamento

prescrito no topo do modelo para contato.

Figura 5.38 – Geometria do modelo básico de teste para as leis

constitutivas implementadas para a tensão normal à interface

Os nós do elemento de interface não-comuns ao elemento sólido tiveram o

deslocamento restrito em todas as direções. Foram prescritos deslocamentos na direção

do eixo Y aos nós do topo do modelo segundo a função dada na Figura 5.39. A função

de carga é composta por 80 incrementos, com 3 ciclos de carregamento e 2 de

descarregamento totalizando 5 ciclos.

220

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São testadas as leis constitutivas plástico-perfeita e multilinear para o exemplo descrito

acima. A Figura 5.40 mostra a parte compressiva da curva de tensão normal na interface

em função do deslocamento relativo, para as leis constitutivas mencionadas.

Figura 5.39 – Função de carga para aplicação do deslocamento

prescrito no topo do modelo

Figura 5.40 – Leis constitutivas plástico-perfeita e multilinear para a parte

221

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compressiva da curva tensão normal versus deslocamento relativo na interface

Os resultados mostrados a seguir para a verificação do comportamento da tensão normal

na interface referem-se à função de carga de deslocamento prescrito no topo do modelo

(Figura 5.39).

As Figuras 5.41 e 5.42 mostram os resultados obtidos para a tensão normal no elemento

de interface em função do deslocamento normal relativo para as leis plástico-perfeita e

multilinear com encruamento. Pode-se observar que a tensão normal no contato obedece

perfeitamente os valores definidos para o seu comportamento na Figura 5.40. Observa-

se também que no primeiro descarregamento em que o contato sofre ruptura por tração

(para uma tensão normal de =2 KPa), a tensão normal é zerada. No descarregamento

seguinte já com o contato rompido, o elemento não suporta mais tensões normais de

tração. A Figura 5.43 mostra a deformada e indeformada do modelo para o

deslocamento vertical final de -0.08 m.

tnσ

Figura 5.41 – Tensão normal na interface em função do

deslocamento relativo para a lei elastoplástica-perfeita.

222

Page 236: CENTRO DE PESQUISAS E DESENVOLVIMENTO … para anÁlise e projeto de dutos submarinos submetidos a altas pressÕes e temperaturas via aplicaÇÃo do mÉtodo dos elementos finitos

Figura 5.42 - Tensão normal na interface em função do

deslocamento relativo para a lei multilinear com encruamento.

Figura 5.43 – Deformada do modelo amplificada 2 vezes

para o incremento final de carga (∆y=-0.08 m).

223

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As Figuras 5.44 e 5.45 mostram os resultados obtidos para a tensão normal no elemento

de interface em função do deslocamento normal relativo para as leis plástico-perfeita e

multilinear com encruamento iguais ao exemplo anterior considerando um gap

(abertura) inicial de 0.01 m. Observa-se que a tensão normal no contato só é ativada

quando o “gap” inicial é fechado, tendo a partir deste ponto comportamento semelhante

aos valores definidos para o seu comportamento na Figura 5.40, ou seja a curva de

tensão normal versus deslocamento relativo é transladada do valor do “gap” fornecido.

Observa-se também que o contato não suporta tensão normal de tração uma vez que ele

parte de uma condição inicial com o contato aberto devido ao “gap” fornecido.

Figura 5.44 – Tensão normal na interface em função do deslocamento

relativo para a lei elastoplástica-perfeita e “gap” inicial de 0.01 m.

224

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Figura 5.45 – Tensão normal na interface em função do

deslocamento relativo para a lei multilinear e “gap” inicial de 0.01 m.

As Figuras 5.46 e 5.47 mostram os resultados obtidos para a os mesmos casos anteriores

considerando agora a existência de um “atrito secundário” durante o descarregamento

de cerca de 2 KPa. Observa-se que a tensão normal no contato segue os valores

definidos para o seu comportamento na Figura 5.40 durante o primeiro carregamento.

Durante o descarregamento a tensão normal é anulada, ativando neste ponto a tensão

normal que representa a parcela devida somente ao “atrito secundário”. No segundo

passo de carregamento a tensão normal possui valor máximo igual ao atrito até o

momento em que o “gap” entre o elemento sólido e de interface é fechado,

proporcionando o aumento da tensão normal até os valores definidos na lei constitutiva

que representa a reação normal total da interface (componentes devido ao atrito e

resistência passiva do solo), definidos na Figura 5.40.

225

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Figura 5.46 – Tensão normal na interface em função do deslocamento

relativo para a lei elastoplástica-perfeita e “atrito secundário” de 2 KPa.

Figura 5.47 – Tensão normal na interface em função do deslocamento

relativo para a lei multilinear com encruamento e “atrito secundário” de 2 KPa

226

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Foram mostrados alguns exemplos do comportamento da tensão normal no elemento de

interface para algumas de suas principais características. Na realidade foram feitos

vários outros testes visando avaliar o comportamento da tensão normal na interface com

a presença de tensão inicial e com carregamentos cíclicos mais complexos. Em todos os

testes realizados a tensão normal apresentou o comportamento esperado validando os

modelos implementados no AEEPECD.

227

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5.5.4 COMPORTAMENTO FÍSICO DA INTERFACE NA DIREÇÃO

TANGENCIAL

A tensão tangencial à superfície de contato também apresenta comportamento não-

linear em função do deslocamento relativo entre as superfícies dos corpos sólidos. A

rigidez tangencial do contato é uma propriedade não-linear podendo ser obtida através

de ensaio com controle de tensão normal. A Figura 5.48 mostra um comportamento

típico de um ensaio para obtenção do comportamento da tensão tangencial ao contato

(COSTA,1984 ) para diferentes níveis de tensões normais aplicadas.

Como pode ser observado na Figura 5.48 a tensão tangencial é altamente dependente do

nível de tensão normal atuante no contato.

Figura 5.48 – Comportamento da tensão tangencial ao contato para diferentes

tensões normais atuantes.

228

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Uma forma relativamente simples de representar este comportamento verificado

experimentalmente, é através da utilização de uma rigidez tangencial (Cs) constante

com diferentes tensões tangenciais máximas que são obtidas em função da tensão

normal.

Figura 5.49 – Lei constitutiva utilizada para modelagem da tensão tangencial no

contato para diferentes tensões normais atuantes

A tensão tangencial máxima ( ) para um determinado nível de tensão normal atuante,

é determinada no programa AEEPECD, através dos modelos de Mohr-Coulomb e

Jaeger. Estes dois modelos dependem de propriedades de resistência do contato, e da

tensão normal atuante conforme mostrado nas expressões abaixo, e nas Figuras 5.50 e

5.51.

- Tensão tangencial máxima atualizada com modelo de Mohr-Coulomb

psσ

( )inips tgc φοσ += (5.32)

229

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- Tensão tangencial máxima atualizada com modelo de Jaeger

( ) ( )rinrips tgec n φοσ ο +−= 1 (5.33)

onde:

- coesão da interface ic

iφ - ângulo de atrito interno da interface

- coesão residual da interface ric

riφ - ângulo de atrito interno residual da interface

Figura 5.50 – Lei de Mohr-Coulomb para atualização da tensão

tangencial máxima no contato

230

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Figura 5.51 – Lei de Jaeger para atualização da tensão tangencial máxima no contato

Os modelos para atualização da tensão tangencial podem ser utilizados na determinação

as forças de reação do solo à movimentação de estruturas enterradas. No caso de

odelos não-drenados (argila), a tensão tangencial máxima no contato permanece

onstante sendo definida pela resistência não-drenada no contato solo-duto. Em

odelos drenados (areia), a tensão tangencial máxima é função da tensão normal

tuante, sendo atualizada pelo modelo de Mohr-Coulomb.

tensão tangencial para uma lei constitutiva não-linear qualquer num ponto de

r

utra a que foi feito para a tensão normal. Deste

odo, para um incremento de carga t + ∆t de uma iteração k, tem-se que:

d

m

c

m

a

A

integ ação do elemento de contato, pode ser decomposta em duas parcelas, uma linear e

não-linear (corretiva) da mesma formo

m

231

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( ) )()()()()( kps

kes

kps

kss

os

ks UUC σσσσ ∆tt∆tt∆tt∆tt∆tt +++++ +=∆−∆+= (5.34)

onde:

)()( kss

os

kes UC ∆+= ++ ∆tt∆tt σσ

)()( kpss

kps UC ∆−= ++ ∆tt∆tt σ (5.35)

Desmembrando o termo não-linear, obtém-se:

(5.36)

Onde a última parcela da equação (5.36), é desconhecida na iteração k, para o processo

de convergência no instante t + ∆t. “Linearizando” a equação (5.36), anulando-se a

parcela não-linear da tensão tangencial no contato na iteração (k), temos a seguinte

expressão:

)()1()()( kps

kps

kes

ks σσσσ ∆++= −+++ ∆tt∆tt∆tt

)1()()(~ −+++ += kps

kes

ks σσσ ∆tt∆tt∆tt (5.37)

O fluxograma de cálculo do solver utilizado durante o processo incremental-iterativo no

programa AEEPECD, para a tensão tangencial atualizada no contato é mostrada no

ANEXO C. As Figuras 5.52 e 5.53 mostram o processo iterativo de convergência

adotado no programa AEEPECD. O processo de convergência baseia-se da mesma

forma que a tensão normal num solver onde os desequilíbrios são calculados com a

rigidez inicial do contato “initial stress”.

232

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Figura 5.52 – Lei constitutiva elastoplástica para a tensão tangencial

na interface para diferentes níveis de tensão normal

Figura 5.53 – Processo iterativo para a tensão tangencial para uma

tensão normal constante

233

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A seguir serão mostrados alguns exemplos de testes feitos no solver implementado para

a tensão tangencial no elemento de interface do AEEPECD, para permitir a

representação da interação solo-duto em linhas aquecidas submetidas a carregamentos

cíclicos.

A geometria básica de teste utilizada para a verificação da tensão tangencial é a mesma

que foi utilizada para a verificação do comportamento da tensão normal (Figura 5.38).

Os nós do elemento de interface não-comuns ao elemento sólido tiveram o

deslocamento restrito em todas as direções. Foram prescritos deslocamentos na direção

do eixo X aos nós do topo do modelo segundo a função dada na Figura 5.54. A função

de carga é composta por 140 incrementos, com 3 ciclos de carregamento e 2 de

descarregamento totalizando 5 ciclos.

São testadas as leis constitutivas plástico-perfeita tradicional e com a consideração de

uma tensão residual para o exemplo descrito acima. A Figura 5.55 mostra as curvas de

tensão tangencial na interface em função do deslocamento relativo tangencial, para as

leis constitutivas mencionadas.

Figura 5.54 – Função de carga para aplicação do deslocamento

horizontal prescrito no topo do modelo

234

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Figura 5.55 – Leis plástico-perfeita com e sem tensão residual

para a tensão tangencial versus deslocamento relativo na interface

Os resultados mostrados a seguir para a verificação do comportamento da tensão

tangencial na interface referem-se à função de carga de deslocamento horizontal

prescrito no topo do modelo (Figura 5.48).

As Figuras 5.56 e 5.57 mostram os resultados obtidos para a tensão tangencial no

elemento de interface em função do deslocamento normal relativo para as leis plástico-

perfeita tradicional e com tensão residual. Pode-se observar que a tensão tangencial no

contato obedece perfeitamente os valores definidos para o seu comportamento na Figura

5.55. Na Figura 5.57 observa-se que uma vez atingida a tensão tangencial residual no

contato, ela passa a ser a máxima tensão tangencial nos ciclos de carregamentos

posteriores (mantendo a tensão normal constante).

235

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Figura 5.56 – Tensão tangencial na interface em função do

deslocamento relativo para a lei elastoplástica-perfeita.

Figura 5.57 – Tensão tangencial na interface em função do

deslocamento relativo para a lei elastoplástica-perfeita com tensão residual.

236

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A Figura 4.58 mostra a deformada do modelo para o incremento final de carga.

Figura 5.58 – Deformada do modelo amplificada 2 vezes para o

incremento final de carga (deslocamento horizontal de ∆x=-0.012 m).

Os exemplos mostrados acima abordam as principais características do comportamento

da tensão tangencial no elemento de interface para algumas de suas principais

características. Da mesma forma ao feito para a tensão normal, foram realizados vários

outros testes visando avaliar o comportamento da tensão tangencial na interface com a

presença de tensão inicial, carregamentos cíclicos mais complexos e anulação da tensão

tangencial para casos em que o contato é rompido na direção normal (abertura do

contato).

237

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6 ESFORÇO AXIAL EFETIVO Neste capítulo serão apresentados os conceitos referentes ao esforço axial efetivo em

dutos, que comanda o comportamento global do processo de flambagem em dutos

aquecidos com pressões interna e externa.

Inicialmente será deduzida a expressão do esforço axial efetivo considerando os

esforços atuantes, dando especial atenção ao efeito das pressões interna e externa. As

pressões interna e externa atuantes no duto influenciam o seu comportamento, devendo

ser consideradas no comportamento global do duto.

Também serão apresentadas as equações do esforço axial efetivo máximo, que é o

esforço existente em trechos de dutos restritos axialmente pelo atrito do solo. O esforço

axial efetivo máximo no trecho ancorado do duto é de vital importância, pois é ele que

comanda o processo de flambagem em dutos. Será mostrado que existem diferentes

formas de calcular o esforço axial restringido dependendo das hipóteses adotadas.

Por último será mostrado o comportamento da distribuição do esforço axial efetivo em

dutos retos e com presença de alças de deformação devido à flambagem termomecânica.

Especial atenção será dada ao comportamento do esforço axial efetivo em dutos

“curtos” e “longos”, uma forma de classificação muito útil que leva em conta a

interação solo-duto, e a capacidade do solo restringir axialmente o duto.

238

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6.1 EQUAÇÃO DO ESFORÇO AXIAL EFETIVO EM DUTOS

Uma dedução elegante do esforço axial efetivo em dutos com pressões externa e interna

atuantes, é feita através da aplicação do teorema de Arquimedes (SPARKS,1984). Para

que o teorema de Arquimedes possa ser aplicado, é necessário ter um campo de

pressões totalmente fechado, ou seja, o corpo sólido em análise deve estar

completamente envolvido pelo fluido. O problema de aplicar o teorema de Arquimedes

em um segmento de um corpo submerso, é que o campo de pressões resultante não é

totalmente fechado (Figura 6.1).

Para aplicar o teorema de Arquimedes à um segmento de duto submerso, deve-se

adicionar as pressões que “faltam” para tornar o campo de pressões atuantes fechado,

deduzindo as forças geradas pela adição de tais pressões. A Figura 6.1 mostra o

processo de adição de pressões citado acima e os campos de pressões resultantes, sendo

que o sistema original foi decomposto em três partes. Desta forma os campos de

pressões externa e interna encontram-se totalmente fechados, podendo ser substituídos

pelo empuxo de Arquimedes no segmento (WwδL=PegAeδL) e pelo peso do fluido

interno (WfδL=PigAiδL), nas duas primeiras partes da decomposição. As duas partes

iniciais da decomposição mostrada na Figura 6.1 fornecem resultante nula. Na terceira e

última parte da decomposição efetuada, deve-se adicionar os campos de pressões com

sentido inverso ao adicionado nas duas primeiras partes, verificando-se que o peso

atuante sobre o segmento é igual ao seu peso submerso, e que o esforço axial resultante

é igual ao esforço real adicionado aos efeitos das pressões externa e interna, que

fornecem o esforço axial na seção responsável pelo comportamento global do duto no

tocante aos deslocamentos e esforços atuantes.

239

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Figura 6.1 – Esforços atuantes em um segmento de duto e decomposição

para dedução do esforço axial efetivo

240

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Deste o esforço axial efetivo e o peso submerso da linha são dados respectivamente por:

(6.1)

iieeref APAPNN −+=

ifewrs AAWW γγ +−= (6.2)

As equações mostradas acima são gerais valendo também para o caso de linhas com

seções transversais mais complexas com diferentes configurações, compostas por

qualquer material, fluido compressível e densidade variável (SPARKS,1984). Casos

bem conhecidos de linhas com seção transversal complexa, são o de risers flexíveis com

diferentes camadas, e dutos pipe-in-pipe, no qual as equações acima são aplicadas

individualmente ao duto interno e ao externo (CARR,2004f).

Observando as expressões (6.1) e (6.2) acima fica claro que a parcela devido à pressão

externa tem o efeito estabilizador equivalente à uma tração, tendendo a retificar a linha,

enquanto a parcela devido à pressão interna tem o efeito oposto, tendendo a aumentar a

curvatura da linha aumentado os esforços de flexão na seção transversal. Este fato torna-

se mais claro observando-se a Figura 6.2, onde pode-se observar que a resultante das

forças geradas pelas pressão externa apontam para o centro da curvatura do segmento

tendendo à retificá-lo, enquanto a resultante devido à pressão interna apontam na

direção contrária tendendo a aumentar a curvatura do segmento.

Figura 6.2- Resultante dos campos de pressões interna e externa

aplicados num segmento de duto

241

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Na dedução mostrada acima foram omitidos os esforços devido à força cortante e

momento fletor, enfocando-se o esforço axial, porém a consideração destes esforços não

altera as equações e conclusões obtidas.

Como foi demonstrado acima o esforço axial efetivo contribui na flexão do duto, com a

pressão interna tendendo a aumentar a curvatura e conseqüentemente a flexão, e a

pressão externa tendo o efeito contrário querendo retificar o duto. Deste modo os

esforços devido às pressões externa e interna geram no duto uma força transversal ao

seu eixo com sentido dependendo do balanço de pressões (PALMER,1974).

Pode-se entender melhor o efeito das pressões externa e interna, considerando o

equilíbrio do esforço axial efetivo em um segmento de duto conforme mostrado abaixo.

Figura 6.3 – Equilíbrio num trecho de duto

242

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Pode-se verificar na Figura (6.3), que a força transversal ao eixo do duto gerada pelo

esforço axial efetivo é igual a Rds. Fazendo o equilíbrio do esforço axial efetivo no

segmento infinitesimal de duto obtém-se (PALMER,1974):

ψdNRds ef= (6.3)

portanto:

dsdNR efψ

= (6.4)

O esforço axial efetivo exerce uma força por unidade de comprimento, cuja magnitude é

dada pelo seu valor multiplicado pela curvatura, agindo geralmente no sentido do menor

para o maior raio de curvatura. Deste modo, o esforço axial efetivo aliado à curvatura

do duto é capaz de gerar uma instabilidade, podendo-se verificar a contribuição da

pressão interna.

243

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6.2 EQUAÇÃO DO ESFORÇO AXIAL EFETIVO MÁXIMO Neste item será apresentada a equação do esforço axial efetivo máximo, ou seja no

trecho de duto ancorado (restrito axialmente).

O esforço axial efetivo será deduzido considerando a teoria de dutos de paredes

espessas, importante para dutos com baixa relação D/t. Diferentes condições de

contorno serão avaliadas na obtenção do esforço axial efetivo ancorado.

O esforço axial efetivo máximo é importante pois é ele que comanda o início processo

de flambagem, já que antes da flambagem o duto encontra-se todo restrito pelo solo ao

seu redor.

6.2.1 TENSÕES EM TUBOS DE PAREDE ESPESSA

Para obter o esforço axial efetivo no trecho ancorado do duto é necessário obter o estado

de tensões na sua parede.

As hipóteses básicas utilizadas na obtenção das expressões para as tensões em tubos

submetidos a pressão interna e externa, são as usualmente feitas na teoria da elasticidade

(TIMOSHENKO,1980), e mostradas abaixo:

- O duto permanece elástico;

- O duto é aproximado por um tubo reto de paredes espessas;

- Todas as quantidades (forças, tensões e deformações) são positivas para a tração;

- O duto é considerado à temperatura ambiente quando é instalado.

Para obter as expressões para as tensões, montam-se as equações de equilíbrio para um

elemento infinitesimal (Figura 6.4), relacionando as deformações às tensões através da

lei de Hooke. A equação diferencial montada a partir do equilíbrio é solucionada

considerando as condições de contorno adequadas (TIMOSHENKO,1980).

244

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Figura 6.4 – Equilíbrio em um elemento infinitesimal de tubo de parede espessa

Desta forma considerando um cilindro longo restrito axialmente nas suas extremidades

submetido à uma pressão externa Pe e uma pressão interna Pi (Figura 6.4), obtém-se da

solução das equações de equilíbrio:

A tensão circunferêncial média na seção do duto é dada por:

tDpDp eeii

2−

=θσ (6.5)

A tensão radial média na seção do duto é dada por:

( )ei

eeiir DD

DpDp++−

=σ (6.6)

245

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Para obter a tensão axial, lança-se mão da lei de Hooke que relaciona tensões às

deformações. Considerando que o elemento infinitesimal possa ser tratado em

coordenadas polares, temos que:

( )[ ]lrr Eσσνσε θ +−=

1

( )[ ]lrEσσνσε θθ +−=

1

( )[ ]θσσνσε +−= rll E1 (6.7)

Assumindo-se a hipótese de estado plano de deformações ( 0=lε ) ou estado plano de

tensões ( 0=lσ ), pode-se obter a tensão longitudinal em função das tensões radial e

circunferêncial a partir da última equação de (6.7), chegando-se a:

( )θσσνσ += rl (6.8)

Adicionando o efeito da expansão térmica nas relações tensão-deformação expressas em

(6.7), a deformação axial pode ser reescrita como:

( )[ ] θασσνσε θ ∆++−= rll E1 (6.9)

Substituindo as expressões obtidas para as tensões radial e circunferêncial (6.5 e 6.6),

em (6.9), tem-se:

( ) θανε ∆+−−= eeiiss

rl ApAp

EAEAN 2 (6.10)

Onde:

slr AN σ= (6.11)

246

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Como na teoria de Lame (TIMOSHENKO,1980) a combinação θσσ +r é constante

através da espessura do duto, a equação (6.10) não precisaria utilizar quantidades

médias nas equações (6.5 e 6.6).

6.2.2 ESFORÇO AXIAL EFETIVO ANCORADO – PRESSÕES INTERNA E EXTERNA APLICADAS SIMULTÂNEAMENTE

A seguir será obtida a expressão do esforço axial máximo considerando a aplicação das

pressões interna e externa simultaneamente.

Reescrevendo a equação (6.10) em termos do esforço axial efetivo na seção, mostrado

abaixo novamente, temos:

(6.12)

iieeref APAPNN −+=

( ) ( ) θανε ∆+−−

+= eeiiss

efl ApAp

EAEAN 21 (6.13)

Utilizando a equação (6.13) pode-se obter o esforço axial efetivo no trecho de duto

completamente restrito fazendo 0=lε , obtendo-se:

(6.14)

A equação (6.14) pode ser modificada para incorporar o esforço residual devido ao

processo de lançamento, conforme mostrado abaixo.

( )( ) θαν ∆−−−−= seeiioef EAApApN 21

( )( ) θαν ∆−−−−= seeiiLef

oef EAApApNN 21 (6.15)

247

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Combinando as equações (6.15) e (6.13), pode-se obter a expressão para o cálculo da

deformação axial em função do esforço axial efetivo, como mostrado abaixo.

s

oefef

l EANN −

=ε (6.16)

6.2.3 ESFORÇO AXIAL EFETIVO ANCORADO – PRESSÕES INTERNA E EXTERNA APLICADAS EM INSTANTES DIFERENTES

Na realidade a pressão externa é aplicada inicialmente durante o processo de instalação

do duto, sendo a pressão interna e o gradiente térmico aplicados durante a fase de

operação. A aplicação das pressões externa e interna em momento distintos muda a

equação do esforço axial efetivo ancorado mostrada no item anterior.

A pressão hidrostática externa é aplicada antes do duto alcançar o piso marinho,

produzindo uma deformação de compressão na linha. Esta compressão na parede do

duto influência o comportamento do duto durante o processo de flambagem, de forma

diferente à mostrada pelas equações que consideram as pressões externa e interna

aplicadas simultaneamente.

A compressão na parede do duto durante o processo de lançamento é igual e oposta à

força induzida pela pressão externa (PeAe), gerando um esforço axial efetivo nulo na

parede do duto (a menos do esforço axial de tração residual devido ao lançamento).

Uma vez estando o duto no piso marinho e restrito axialmente pelo solo devido ao

atrito, qualquer mudança no esforço axial efetivo será devido à pressão interna e

gradiente de temperatura, não tendo a pressão externa mais influência sobre o esforço

axial efetivo na parede da linha (CARR et al.,2003a).

248

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Para obter o esforço axial no trecho restringido do duto durante o processo de operação,

pode-se reescrever a equação (6.14), em termos de quantidades diferenciais,

fornecendo:

(6.17)

Considerando a variação de carregamento após a aplicação da pressão externa, durante

o processo de lançamento como

( )( ) αδθδδνδ seeiioef EAApApN −−−−= 21

ii pp =δ , 0=epδ e θδθ ∆= , temos a partir de (6.17)

que:

(6.18)

O esforço axial efetivo residual de lançamento pode ser incorporado na equação (6.18),

fornecendo.

( ) θανδ ∆−−−= siioef EAApN 21

oef

Lefef NNN δ+= (6.19)

ou

(6.20)

Desconsiderando o esforço axial de tração devido a interação solo-duto durante o

lançamento, temos:

(6.21)

Logo utilizando (6.14), tem-se:

(6.22)

( ) θαν ∆−−−= siiLef

oef EAApNN 21

eeLr ApN −=

0=LefN

249

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Portanto:

(6.23)

Como pode ser visto na equação acima, o esforço axial efetivo ancorado considerando o

processo de lançamento é independente da pressão externa, o que aumenta a

compressão na linha em comparação com a equação (6.15), obtida para o caso onde as

pressões interna e externa são aplicadas simultaneamente. Entretanto a pressão externa

influência a distribuição de esforços devido a sua contribuição na tensão circunferêncial

na parede do duto. O esforço axial efetivo num ponto qualquer do duto é calculado

utilizando (6.12).

6.3 DISTRIBUIÇÃO DO ESFORÇO AXIAL EFETIVO EM DUTOS

Neste item será mostrado o comportamento da distribuição do esforço axial efetivo em

dutos retos e com presença de alças de deformação com flambagem termomecânica.

Serão analisados os casos onde o solo é capaz de restringir axialmente o duto, e o caso

onde o solo não é capaz de ancorar o duto, sendo definida uma classificação para dutos

baseado neste conceito.

6.3.1 ESFORÇO AXIAL EFETIVO EM DUTOS RETOS

Um duto operando com temperatura e pressão acima da ambiente tende a sofrer

expansão, caso esta expansão seja restringida de alguma forma, como por exemplo pelo

solo em contato com o duto, surgirá uma força compressiva ao longo deste. Caso o duto

seja reto, o esforço axial efetivo terá o aspecto mostrado na Figura 6.5. Em dutos com

curvaturas ao longo do seu comprimento o esforço axial efetivo poderá sofrer mudanças

significativas caso ocorram flambagens, como será visto mais adiante.

( ) θαν ∆−−−= siioef EAApN 21

250

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Figura 6.5 – Esforço axial efetivo em um duto reto longo.

A Figura 6.5 mostra o esforço axial efetivo dividido pelo esforço axial efetivo máximo

restringido ao longo do comprimento do duto. Como a temperatura e as pressões interna

e externa podem variar ao longo do comprimento do duto, o esforço axial efetivo

restringido também pode variar. Na Figura 6.5 pode-se verificar o decaimento do

esforço axial efetivo adimensionalizado, devido a possíveis variações no gradiente

térmico e de pressão interna. Para o duto com extremidades livres o esforço axial é nulo

nas extremidades aumentando ao longo do comprimento devido ao atrito com o solo, até

atingir o valor máximo onde o solo forneceu resistência suficiente para evitar a

expansão do duto, definido como ponto de ancoragem.

Caso o duto possua um comprimento insuficiente para ser restringido axialmente pelo

solo, o esforço axial efetivo terá o aspecto mostrado na Figura 6.6. Para um duto “curto”

reto com extremidades fixas, o comportamento é essencialmente o mesmo verificado

anteriormente. Porém para o caso com as extremidades livres, o esforço axial efetivo

nunca alcança o esforço axial máximo (totalmente restrito). Neste caso o ponto de

deslocamento nulo possui uma deformação axial não nula. O esforço axial efetivo em

dutos “curtos”pode ser sensivelmente menor que o esforço axial máximo restringido

(Figura 6.6).

251

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Figura 6.6 – Esforço axial efetivo reto “curto”

Desta forma dois grupos distintos de dutos podem ser definidos.

- Dutos longos, onde o esforço axial restringido é alcançado devido ao atrito

desenvolvido pela interação com o solo.

- Dutos curtos, onde o esforço axial restringido nunca é alcançado, ou seja o solo

não é capaz de ancorar o duto somente pelo atrito.

A resposta destes dois grupos definidos acima é completamente diferente, mostrando a

importância do comprimento do duto e das condições de contorno no processo de

flambagem termomecânica.

252

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6.3.2 ESFORÇO AXIAL EFETIVO EM DUTOS COM ALÇAS DE DEFORMAÇÃO

Caso o duto sofra flambagem em algum trecho de sua rota, o esforço axial efetivo sofre

modificações em relação ao mostrado no item anterior. O comprimento do arco de duto

que forma uma alça de deformação é maior que o comprimento reto anterior à sua

formação. Os trechos retos adjacentes à alça de deformação fornecem o comprimento

adicional através da sua expansão térmica. Deste modo o esforço axial real de

compressão na parede do duto devido à reação do solo é reduzido devido ao início da

flexão na alça de deformação.

Na Figura 6.7 é mostrado o esforço axial efetivo adimensionalizado num duto com alça

de deformação formada na região central. Observa-se um decaimento do esforço axial

efetivo na região de influência da alça de deformação (CET), alcançando o valor

mínimo no trecho da alça.

Figura 6.7 – Esforço axial efetivo num duto com flambagem

isolada e extremidades fixas

253

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Na Figura 6.7 observa-se claramente a região afetada pela flambagem, com duas regiões

de escorregamento produzindo a expansão do duto em direção à alça de deformação

(CET), ocorrendo um decaimento do esforço axial efetivo do valor máximo totalmente

restrito até um valor mínimo na região com flambagem.

O caso do duto mostrado acima possui uma alça de deformação isolada, onde o atrito

axial solo-duto foi capaz de ancorá-lo. Caso o comprimento não seja suficiente para

ancorar o duto, o esforço axial efetivo é modificado ficando com o aspecto mostrado na

Figura 6.8. Como pode ser visto, as zonas de escorregamento entre o duto e o solo, são

limitados pelo seu comprimento, e o valor do esforço axial efetivo pode alcançar valores

máximos bem abaixo do seu valor máximo totalmente restrito.

Figura 6.8 – Esforço axial efetivo num duto com flambagem

isolada e extremidades fixas

Os casos mostrados acima referem-se à distribuição do esforço axial efetivo para a

ocorrência de uma alça de deformação isolada no trecho de duto analisado. Caso mais

de uma alça de deformação ocorra no trecho de duto analisado, a distribuição do esforço

axial efetivo terá o aspecto mostrado nas Figuras 6.9 e 6.10, valendo os mesmos

comentários feitos anteriormente.

254

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Figura 6.9 – Esforço axial efetivo num duto com várias flambagens

e extremidades fixas

Figura 6.10 – Esforço axial efetivo num duto com várias flambagens

e extremidades livres

255

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Os casos mostrados na Figuras 6.9 e 6.10 possuem várias alças de deformação,

podendo-se visualizar o decaimento do esforço axial efetivo nas regiões afetadas pelas

flambagens. Observa-se na prática que o duto é separado em várias zonas de

escorregamento que “alimentam” as alças, fazendo com que cada trecho funcione de

forma independente dos seus vizinhos. A distribuição do esforço axial efetivo

desenvolvido depende de várias variáveis como: distribuição da curvatura inicial,

decaimento da temperatura e pressões, atrito solo-duto entre outros.

256

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6.4 VALIDAÇÃO DO MODELO NÃO-LINEAR FÍSICO GEOMÉTRICO IMPLEMENTADO NO AEEPECD

Neste item serão comparados os resultados obtidos com o AEEPECD, considerando os

carregamentos de temperatura e pressão para o modelo não-linear físico geométrico

implementado neste trabalho, com os do simulador ABAQUS.

O modelo básico utilizado nas simulações numéricas é composto por um duto com

comprimento de 2000 metros, possuindo uma imperfeição na região central de 0,5 m ao

longo de 50 m, possuindo o fator de forma H/L de 1% (Figura 6.11). O trecho de duto

analisado é restrito lateralmente em todo o modelo, exceto na região central, com o

objetivo de “canalizar” a expansão térmica para o trecho com a imperfeição. As

extremidades do modelo são fixas, não permitindo deslocamentos axiais (Figura 6.11).

Figura 6.11 – Geometria básica do modelo utilizado (escala distorcida)

O modelo utilizado nas simulações do AEEPECD 2.2 baseado na geometria da Figura

6.11 foi gerado construindo-se apenas metade da malha de elementos finitos (1000

metros) com o gerador SIGMA (2.22), conforme pode ser visto na Figura 6.12, pois foi

considerado a simetria do modelo. A malha de elementos finitos é constituída de

elementos finitos isoparamétricos quadráticos sólidos 2D, com discretização de metro

em metro para representar a curvatura do duto de forma precisa.

257

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Figura 6.12 - Modelo de elementos finitos gerado no Sigma com

elementos 2D isoparamétricos, para simulação no AEEPECD.

O modelo do ABAQUS foi gerado baseado também na geometria da Figura 6.11,

utilizando-se elementos PIPE31 para representar o duto. O elemento PIPE31 é um

elemento de viga especial com interpolação linear da geometria e cúbica para o campo

de deslocamentos com seis graus de liberdade, que permite acoplar o efeito da pressão

interna na flexão (ABAQUS,2003), considerando as não-linearidades física e

geométrica do modelo. A malha de elementos finitos utilizando o elemento PIPE31 foi

discretizada da mesma forma que no AEEPECD (metro em metro).

As características geométricas e mecânicas do duto, utilizadas nas análises com os

simuladores AEEPECD e ABAQUS, são fornecidos na tabela 6.1.

258

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Tabela 6.1 – Características mecânicas e geométricas do duto utilizado nas simulações

Características Valor

Diâmetro externo 16”

Espessura nominal 0.312 ou 1”

Pressão interna Máxima 50 ou 100 MPa

Pressão externa Máxima 50 MPa

Tensão de escoamento 426 MPa

Módulo de Elasticidade Longitudinal 205000 MPa

Coeficiente de Poisson 0.30

Coeficiente de expansão térmica 1.17x10-5 oC-1

259

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6.4.1 VALIDAÇÃO DO MODELO NUMÉRICO PARA AS PRESSÕES INTERNA E EXTERNA

Neste item serão validados os resultados do modelo numérico implementado no

programa AEEPECD 2.2 para representar o efeito da pressão interna no equilíbrio

estrutural de dutos, através da comparação com os resultados obtidos com o simulador

numérico ABAQUS. Serão analisados casos considerando somente o efeito da pressão

interna, como també das pressões interna e externa atuando simultaneamente.

São analisados com a geometria mostrada na Figura 6.11 dois modelos; o primeiro

possuindo relação D/t=51 (parede fina) e o segundo com D/t=16 (parede espessa),

visando mostrar que o esforço axial efetivo discutido na seção (6.15), quando às

pressões interna e externa são aplicadas ao duto simultaneamente, é fortemente afetado

por este parâmetro.

6.4.1.1 MODELO COM PRESSÃO INTERNA

Neste item são comparados os resultados obtidos com os simuladores AEEPECD e

ABAQUS, para o modelo descrito no item anterior, considerando a aplicação

incremental de uma pressão interna máxima de 50 MPa (500 Kgf/cm2).

A Figura 6.13 mostra a evolução do deslocamento transversal ao eixo do duto no ponto

central do modelo em função da pressão interna aplicada. Observa-se que os modelos do

AEEPECD e ABAQUS fornecem valores bem próximos, havendo porém um aumento

na diferença entre os resultados para gradientes de pressão interna superiores a 20 MPa.

A Figura 6.14 mostra a evolução da tensão de von Mises na fibra inferior do ponto

central do modelo em função da pressão interna aplicada. Observa-se que os modelos do

AEEPECD e ABAQUS fornecem valores bem próximos, ocorrendo-se novamente um

aumento na diferença entre os resultados para gradientes de pressão interna superiores a

20 MPa somente para o modelo com D/t=16.

260

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Figura 6.13 – Deslocamento no ponto central dos modelos do

AEEPECD e ABAQUS.

Figura 6.14 – Tensão de von Mises na fibra inferior do ponto

central dos modelos do AEEPECD e ABAQUS.

261

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A Figura 6.15 mostra a deformada dos modelos para a pressão interna máxima de

50 MPa, mostrando uma boa aderência entre os resultados obtidos.

Figura 6.15 – Deformada do modelo com D/t=51 do AEEPECD e ABAQUS a partir do eixo de simetria.

Com o objetivo de entender melhor os desvios mostrados entre as soluções obtidas

pelos dois simuladores, para gradientes de pressão interna superiores a 20 MPa, foi

calculado o desvio relativo entre as soluções do AEEPECD e ABAQUS para os

deslocamentos e tensões de von Mises. A diferença relativa entre as soluções foi

calculada da seguinte forma:

QUSsoluçãoABAQUSsoluçãoABAPECDsoluçãoAEEDF −

= (6.24)

A Figura 6.16 mostra as diferenças relativas entre os resultados do AEEPECD e

ABAQUS para os deslocamentos e tensões de von Mises nos modelos com D/t igual a

51 e 16. Observa-se que no modelo com D/t=51 a diferença relativa permanece sempre

262

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inferior a 2% para as tensões, já para os deslocamentos, a partir da pressão interna de 30

MPa, ocorre um aumento fazendo a diferença relativa chegar a 4% para a pressão

interna máxima. Ainda na Figura 6.16 observa-se que os resultados entre os modelos

com D/t=16, já começam num patamar elevado chegando a valores de 7 e 17% para as

tensões e deslocamentos respectivamente, sendo estes valores extremamente elevados.

Figura 6.16 – Diferença relativa entre os resultados de deslocamentos e

tensões de von Mises entre os modelos do AEEPECD e ABAQUS

As explicações para a diferença entre os resultados do AEEPECD em relação ao

ABAQUS, principalmente no caso analisado com parede espessa (D/t=16), advém

essencialmente de dois fatores. O primeiro fator e mais importante é que o elemento de

duto (PIPE31) existente no ABAQUS, foi desenvolvido para dutos de parede fina, não

considerando o efeito da tensão radial que modifica a tensão axial (equação 6.8), e deste

modo o esforço axial efetivo na seção. O efeito da tensão radial é mais significativo

quanto maior for a espessura do duto (relação D/t baixa) e a pressão externa (equação

6.6). O segundo fator gerador das diferenças observadas, possivelmente é devido à

forma como é atualizado ao longo da análise o esforço perpendicular ao eixo do duto

(equação 6.4), gerado pelo gradiente de pressão.

263

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Para mostrar a importância dos dois fatores mostrados acima, como os responsáveis

pela diferença entre os resultados obtidos, foram simulados os mesmos modelos

mostrados anteriormente, porém com duas alterações. A primeira desconsiderando a

tensão radial nas equações do modelo implementado no AEEPECD, e a segunda

atualizando o esforço transversal ao eixo do duto (equação 6.4) com uma expressão para

rotações moderadas, além de desconsiderar o efeito da tensão radial. Os resultados

obtidos para as duas alterações, foram comparados com as simulações anteriores, sendo

analisados em termos da diferença relativa.

Com as novas simulações pode-se observar na Figura 6.17 que a diferença entre os

resultados obtidos para os deslocamentos com o AEEPECD e ABAQUS para a relação

D/t =51, encontram-se limitados a valores máximos de 6%, caindo para 3% no modelo

com tensão radial nula e rotações moderadas. Já para o modelo com D/t=16 (Figura

6.18) a diferença de resultados entre os modelos chega a 17% no modelo implementado,

caindo para 5% considerando a tensão radial nula, e para cerca de 3.5% no modelo com

tensão radial nula e rotações moderadas.

Figura 6.17 – Diferença relativa entre os resultados de deslocamentos entre os modelos do AEEPECD com diferentes hipóteses e do ABAQUS com D/t=51.

264

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Figura 6.18 – Diferença relativa entre os resultados de deslocamentos entre os modelos do AEEPECD com diferentes hipóteses e do ABAQUS com D/t=16.

Verifica-se portanto a grande influência nos resultados obtidos principalmente para

dutos espessos (D/t<30) da tensão radial, e do cálculo das curvaturas e atualização do

carregamento transversal ao eixo do duto induzido pelo gradiente de pressão. O efeito

da tensão radial nos resultados torna-se ainda mais importante no caso da existência de

pressões externas, como será visto no próximo item, onde a sua consideração altera

mais drasticamente os resultados em dutos com baixa relação D/t, em relação aos

resultados sem a sua consideração.

As Figuras 6.19 e 6.20 mostram as diferenças relativas obtidas entre os resultados do

AEEPECD e ABAQUS para a tensão de Von Mises no ponto mais solicitado do

modelo, para os casos com relação D/t igual a 51 e 16 respectivamente. As observações

feitas para os deslocamentos são válidas para as tensões, verificando-se nas simulações

realizadas com tensão radial nula e rotações moderadas uma ótima aderência, obtendo-

se valores máximos para o desvio entre os resultados inferiores a 3%.

265

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Figura 6.19 – Diferença relativa entre os resultados de tensões de von Mises entre os

modelos do AEEPECD com diferentes hipóteses e do ABAQUS com D/t=51.

Figura 6.20 – Diferença relativa entre os resultados de tensões de von Mises entre os

modelos do AEEPECD com diferentes hipóteses e do ABAQUS com D/t=16.

266

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As Figuras 6.21 e 6.22 mostram os deslocamentos e tensões de von Mises em função da

pressão interna aplicada para os modelos com D/t igual a 51 e 16, considerando a tensão

radial nula e rotações moderadas. Os resultados mostram que, com as hipóteses

descritas, existe uma aderência ótima entre os resultados dos dois simuladores,

confirmando as discussões feitas acima em termos da diferença relativa entre as

soluções alcançadas.

Figura 6.21 – Deslocamento no ponto central dos modelos do AEEPECD

e ABAQUS, considerando a tensão radial nula e rotações moderadas.

267

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Figura 6.22 – Tensão de von Mises na fibra inferior do ponto central dos modelos do

AEEPECD e ABAQUS considerando a tensão radial nula e rotações moderadas

Embora o melhor resultado em termos da comparação entre os simuladores seja o

obtido considerando a tensão radial nula e rotações moderadas, esta simplificação é

errada principalmente no caso de duto de parede espessas, sendo considerado no

desenvolvimento deste trabalho o modelo implementado no AEEPECD conforme

descrito nos itens 6.2.3 e 6.3.3, que originou os primeiros resultados mostrados nas

Figuras 6.13 e 6.14 como a correta para a consideração do efeito da pressão interna no

desenvolvimento de esforços de flexão em dutos.

268

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6.4.1.2 MODELO COM PRESSÕES INTERNA E EXTERNA

Neste item são comparados os resultados obtidos com os simuladores AEEPECD e

ABAQUS, para o mesmo modelo do item 6.4.1.1, porém considerando a aplicação

incremental e simultânea de pressões interna (100 MPa) e externa (50 MPa), realizando

as mesmas comparações feitas no item anterior.

A Figura 6.23 mostra a evolução do deslocamento transversal ao eixo do duto no ponto

central do modelo em função do gradiente de pressão aplicado. Observa-se que os

modelos do AEEPECD e ABAQUS fornecem valores com um desvio mais acentuado

em relação ao resultado obtido no item anterior em que foi aplicada somente a pressão

interna.

Figura 6.23 – Deslocamento no ponto central dos modelos do

AEEPECD e ABAQUS

269

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A Figura 6.24 mostra a evolução da tensão de von Mises na fibra inferior do ponto

central do modelo em função do gradiente de pressão aplicado ao duto. Observa-se para

as tensões obtidas nos dois simuladores, um desvio considerável semelhante ao

observado para o deslocamento.

Figura 6.24 – Tensão de von Mises na fibra inferior do ponto

central dos modelos do AEEPECD e ABAQUS

Conforme explicado no item anterior a diferença relativamente elevada entre os

resultados obtidos, são devidos principalmente ao efeito da tensão radial que é sentido

principalmente em dutos com baixas relações D/t, e da atualização dos esforços gerados

pelo gradiente de pressão, que são função da curvatura do eixo do duto (equação 6.4).

A Figura 6.25 mostra as diferenças relativas entre os resultados do AEEPECD e

ABAQUS para os deslocamentos e tensões de von Mises nos modelos com D/t igual a

51 e 16. Observa-se no modelo com D/t=51 que a diferença relativa alcança valores

bastante elevados chegando a valores máximos em torno de 16% para os deslocamentos

e 9% para as tensões. No modelo com relação D/t=16 a diferença relativa entre os

resultados mostra-se mais elevada ainda chegando a valores absurdos de 180% para os

deslocamentos e 40% para as tensões.

270

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Figura 6.25 – Diferença relativa entre os resultados de deslocamentos e tensões de von Mises entre os modelos do AEEPECD e ABAQUS

As explicações para a diferença entre os resultados do AEEPECD em relação ao

ABAQUS, principalmente no caso analisado com parede espessa (D/t=16), advém dos

fatores já explicados anteriormente. Os resultados obtidos mostram claramente que

mesmo em dutos com altas relações D/t (51), o efeito da tensão radial já é significativa

dependendo da pressão externa aplicada. Mostra ainda que no caso com D/t=16, a

consideração da tensão radial é fundamental nos cálculos desenvolvidos.

Os resultados mostrados a seguir mostram o efeito da tensão radial e da atualização do

esforço transversal ao eixo do duto (equação 6.4), com a hipótese de rotações

moderadas, através da diferença relativa entre os resultados do AEEPECD e ABAQUS,

seguindo os mesmos passos mostrados no item anterior.

271

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A Figura 6.26 mostra a diferença entre os valores obtidos para os deslocamentos com o

AEEPECD e ABAQUS para a relação D/t =51, onde a consideração da tensão radial e

rotações elevadas levam a uma diferença nos resultados de até 17%. No modelo

somente com tensão radial nula a diferença máxima cai para valores em torno 6%,

enquanto no modelo com tensão radial nula e rotações moderadas a diferença não

alcança 3%.

Figura 6.26 – Diferença relativa entre os resultados de deslocamentos entre os modelos do AEEPECD com diferentes hipóteses e do ABAQUS com D/t=51.

No modelo com D/t=16 (Figura 6.27) a diferença de resultados entre os modelos chega

a 180% no modelo implementado, caindo para 4% considerando a tensão radial nula, e

para cerca de 3% no modelo com tensão radial nula e rotações moderadas.

272

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Figura 6.27 – Diferença relativa entre os resultados de deslocamentos entre os modelos do AEEPECD com diferentes hipóteses e do ABAQUS com D/t=16

As Figuras 6.28 e 6.29 mostram as diferenças relativas obtidas entre os resultados do

AEEPECD e ABAQUS para a tensão de Von Mises, para os modelos com relação D/t

igual a 51 e 16 respectivamente. As observações feitas para os deslocamentos são

válidas para as tensões, verificando-se nas simulações realizadas com tensão radial nula

e rotações moderadas uma ótima aderência, obtendo-se valores máximos para o desvio

entre os resultados inferiores a 3%.

As Figuras 6.30 e 6.31 mostram os deslocamentos e tensões de von Mises em função do

gradiente de pressão aplicado nos modelos com D/t igual a 51 e 16, considerando a

tensão radial nula e rotações moderadas. Os resultados mostram com as hipóteses

simplificadoras descritas uma aderência ótima entre os resultados dos dois simuladores.

273

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Figura 6.28 – Diferença relativa entre os resultados de tensões de von Mises entre os

modelos do AEEPECD com diferentes hipóteses e do ABAQUS com D/t=51

Figura 6.29 – Diferença relativa entre os resultados de tensões de von Mises entre os modelos do AEEPECD com diferentes hipóteses e do ABAQUS com D/t=16

274

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Figura 6.30 – Deslocamento no ponto central dos modelos do AEEPECD e ABAQUS, considerando a tensão radial nula e rotações moderadas

Figura 6.31 – Tensão de von Mises na fibra inferior do ponto central dos modelos do

AEEPECD e ABAQUS considerando a tensão radial nula e rotações moderadas

275

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6.4.2 VALIDAÇÃO DO MODELO NUMÉRICO PARA DUTOS COM CARREGAMENTOS TÉRMICO E PRESSÃO INTERNA

Neste item serão comparados os resultados do modelo numérico implementado no

programa AEEPECD para dutos com carregamento térmico e de pressão interna, com

os obtidos com o simulador numérico ABAQUS. Serão comparados os resultados de

um duto aquecido com a geometria mostrada na Figura 6.12 possuindo relação D/t=51

(espessura de parede de 0.312”), utilizando as propriedades definidas na tabela 6.1.

6.4.2.1 MODELO DO AEEPECD COM CARREGAMENTOS TÉRMICO E PRESSÃO INTERNA

Neste item serão comparados os modelos com carregamento térmico máximo de 80 oC e

pressão interna de 5 MPa (50 kgf/cm2), considerando a não-linearidade geométrica

isoladamente (NLGEOM), e a não-linearidade geométrica em conjunto com a não-

linearidade física (NLGEOM.+ PLAST.). A pressão interna é aplicada isoladamente no

início da análise, posteriormente são aplicados incrementos de temperatura no modelo.

A Figura 6.32 mostra a evolução do deslocamento transversal ao eixo do duto no ponto

central do modelo em função do gradiente térmico aplicado. Observa-se que os modelos

do AEEPECD e ABAQUS apresentam boa concordância nos resultados para os

modelos com não-linearidade geométrica e não-linearidades física e geométrica.

A Figura 6.33 mostra a evolução da tensão de von Mises na fibra inferior do ponto

central do modelo em função do gradiente térmico aplicado. Observa-se novamente uma

boa aderência entre os resultados dos modelos analisados.

276

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Figura 6.32 – Deslocamento no ponto central dos modelos do

AEEPECD e ABAQUS.

Figura 6.33 – Tensão de von Mises na fibra inferior do ponto central

dos modelos do AEEPECD e ABAQUS.

277

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A Figura 6.34 mostra as diferenças relativas (equação 6.24) entre os resultados do

AEEPECD e ABAQUS para os deslocamentos e tensões de von Mises no modelo com

não-linearidade geométrica. Observa-se que a diferença relativa começa num patamar

relativamente elevado para os deslocamentos (4.5%), porém decaindo rapidamente para

valores bem abaixo de 1%. A diferença relativa para as tensões se inicia em um valor

mais razoavel de 2.5%, mais também decaindo rapidamente para valores em torno de

1%, conforme a importância do efeito da pressão interna torna-se secundária no cálculo

da tensão de von Mises. A diferença relativamente elevada no início da análise é

decorrente da diferença entre os modelos implementados no AEEPECD e ABAQUS

para o carregamento de pressão interna conforme descrito no item 6.4.1.1.

Figura 6.34 - Diferença relativa entre os resultados de deslocamentos e

tensões axiais entre os modelos do AEEPECD e ABAQUS.

278

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6.4.2.2 MODELO DO AEEPECD COM CARREGAMENTOS TÉRMICO E PRESSÃO INTERNA CÍCLICOS

Neste item serão comparados os modelos com pressão interna de 5 MPa (50 kgf/cm2) e

gradiente térmico máximo de 40 oC e, aplicados ao longo de dois ciclos completos de

carregamento de descarregamento, considerando a não-linearidade geométrica e física

do material.

A seqüência da aplicação dos carregamentos térmico e de pressão, assim como os

tempos de análise associados são fornecidos na tabela 6.2. Observa-se que no primeiro

ciclo, inicialmente o duto é pressurizado com uma pressão interna de 5 MPa, e depois é

aplicado o gradiente térmico e 40 oC, durante o descarregamento do primeiro ciclo

inicialmente é retirada a pressão interna e na seqüência o duto é desaquecido até a

temperatura ambiente. Os segundo ciclo segue a mesma seqüência descrita para o

primeiro ciclo, sendo os tempos de análise mostrados na tabela 6.2, correspondentes aos

gradientes térmicos somados em módulo durante a análise.

Tabela 6.2 – Sequência de aplicação do carregamento cíclico de pressão e temperatura

Sequência do Carregamento Tempo Análise

Ciclo 1 – Pressurização + Aquecimento 0 - 40

Ciclo 1 – Despressurização + Desaquecimento 40 - 80

Ciclo 2 – Pressurização + Aquecimento 80 - 120

Ciclo 2 – Despressurização + Desaquecimento 120 - 160

279

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A Figura 6.35 mostra a evolução do deslocamento transversal ao eixo do duto no ponto

central do modelo em função tempo de análise. Observa-se que os modelos do

AEEPECD e ABAQUS apresentam boa concordância nos resultados para os modelos

com e sem pressão interna. Na Figura 6.35 pode-se observar claramente o efeito da

pressão interna no aumento dos deslocamentos, através da defasagem entre as curvas

com e sem pressão interna.

Figura 6.35 – Deslocamento no ponto central dos modelos do

AEEPECD e ABAQUS.

A Figura 6.36 mostra a evolução da tensão axial na fibra inferior do ponto central do

modelo em função do tempo de análise. Observa-se novamente uma boa aderência entre

os resultados dos modelos analisados com e sem pressão interna, da mesma forma a

verificado para os deslocamentos. O comportamento da tensão axial em dutos

submetidos à carregamentos cíclicos é de extrema importância, pois fornece a variação

máxima de tensão que serve como dado para análises de fadiga.

280

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Figura 6.36 – Tensão axial na fibra inferior do ponto central

dos modelos do AEEPECD e ABAQUS.

A Figura 6.37 mostra a evolução da tensão de von Mises na fibra inferior do ponto

central do modelo em função do tempo de análise, fornecendo resultados bem

satisfatórios como os verificados para os demais resultados analisados.

281

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Figura 6.37 – Tensão de von Mises na fibra inferior do ponto central

dos modelos do AEEPECD e ABAQUS.

282

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7 MODOS DE FALHA E ESTADOS LIMITES EM DUTOS

AQUECIDOS

Os principais modos de falha em dutos aquecidos são devidos a flambagem local de

parede, fadiga e fratura. Outros modos de falha podem ocorrer sendo porém secundários

em dutos aquecidos. O modo de falha devido a flambagem local de parede é geralmente

mais importante em dutos submarinos aquecidos, definindo o valor máximo da

deformação axial admissível. Em dutos com elevado número de ciclos de

aquecimento/pressurização e desaquecimento/despressurização, o estado limite de

fadiga pode se tornar crítico.

Dentro de uma alça de deformação térmica, a flambagem local de parede é causada pela

combinação dos carregamentos de momento fletor, pressões interna e externa e esforço

axial. A importância destes carregamentos na flambagem local é bastante variável e

depende da configuração geométrica da linha e de propriedades do material. Um esforço

significativo de pesquisa tecnológica tem sido feito com o objetivo de identificar

estados limites críticos em dutos sujeitos a flambagem termomecânica (CARR,2004h,j,

API,1999, DNV OS-F101,2000, DRIVER,1998, MOHAREB,1995, MURPHEY et

al.,2001, VITALI,1999, MURPHEY et al.,1985, MORK et al.,1999, GRESNIT et

al.,1985).

O Estado limite para verificação de fadiga em dutos aquecidos pode ser calculado

utilizando as curvas SN clássicas de fadiga, desde que a ocorrência de plasticidade

esteja limitada ao primeiro ciclo de carga. Plasticidade cíclica é ainda um assunto em

fase de pesquisa incipiente não sendo coberto pelos principais códigos existentes para

verificação de fadiga (BS708, DnV RPC203). A vida a fadiga utilizando as curvas SN

usuais podem ser aplicadas em dutos aquecidos com elevadas variações de tensões

axiais, conforme estudos recentes realizados (CARR,2004j) que mostraram vida a

fadiga consistentes com dados existentes.

A verificação de fratura na parte tracionada de dutos com alças de deformação é

baseado na limitação do defeito máximo tolerável (“flaw size”) nas soldas do duto. O

283

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tamanho do defeito com a ciclagem e fadiga do material também deve ser estável. O

estabelecimento do critério de aceitação para o tamanho do defeito máximo aceitável é

função da qualidade e tipo de inspeção feitas durante o processo de soldagem.

Neste capítulo será dada ênfase aos estudos dos estados limites de flambagem local de

parede e fadiga por serem os condicionantes no dimensionamento de dutos sujeitos a

flambagem termomecânica.

284

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7.1 FLAMBAGEM LOCAL

O modo de falha por flambagem local de parede é determinado pela combinação de

carregamentos devido a flexão, pressões interna e externa e esforço axial atuantes no

duto. Um grande esforço tecnológico tem sido realizado ao longo dos últimos anos para

compreender melhor o efeito destes carregamentos combinados e obter formulações

capazes de dimensionar linhas de escoamento de forma segura. Existe uma grande

quantidade de trabalhos (MOHAREB,1995, VITALI,1999, MURPHEY et al.,1985,

MORK et al.,1999, GRESNIT et al.,1985, ZIMMERMAN et al.,1995, DOREY,2002

(a,b)), referentes à determinação de expressões que possibilitem determinar o ponto de

início do modo de falha por flambagem local. As expressões determinadas nas diversas

pesquisas realizadas são desenvolvidas em função da deformação axial crítica de flexão.

Neste capítulo serão abordados os efeitos dos carregamentos atuantes em dutos

submetidos a esforços combinados. Inicialmente será estudado o efeito da flexão pura

no duto por tratar-se do principal carregamento atuante, posteriormente serão

adicionados os efeitos dos carregamentos de pressão interna e esforço axial, para ter-se

um retrato completo do modo de falha por flambagem local de parede.

7.1.1 FLAMBAGEM LOCAL DEVIDO A FLEXÃO PURA O estudo do comportamento de dutos submetidos à flexão pura é importante, por

tratar-se do principal carregamento existente em dutos aquecidos, e pelo fato de existir

uma grande quantidade de testes experimentais realizados para este tipo de

carregamento em escala real.

Considerando um duto inicialmente reto sem tensões iniciais submetido à flexão pura,

este desenvolve uma curvatura ( ρ1=K

a para veri

), que é dada pelo inverso do raio de curvatura

(Figura 7.1). A medida utilizad ficar a severidade da flexão é fornecida pela

deformação axial devido à flexão ( 22 eea KDD == ρε ), na fibra mais solicitada do

duto. Para deformações axiais abaixo do limite de proporcionalidade, o momento fletor

e a tensão axial variam linearmente com a deformação axial de flexão.

285

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Figura 7.1 – Deformada de duto submetido à flexão mostrando raio de curvatura

O comportamento do duto em função do momento fletor aplicado, pode ser observado

na Figura 7.2 -i) e ii), que reflete a resposta para dutos com paredes relativamente

espessas ( 30≤tDe ). Para pequenas deformações (abaixo do limite de

proporcionalidade), o comportamento do duto é linear e elástico, conforme a

deformação aumenta, começam a surgir deformações plásticas nas fibras mais afastadas

da linha neutra, dado pelo Ponto A na Figura 7.2. Com o aumento da flexão na seção

transversal do duto (Ponto B na Figura 7.2), existe um estágio onde as deformações

plásticas não produzem ovalização significativa (Ponto B - Figura 7.3).

A partir do ponto B (Figuras 7.2 e 7.3) com o aumento das deformações axiais, a seção

transversal do duto começa a sofrer ovalização significativa. Neste trecho a declividade

da curva momento-deformação axial é comandada por dois efeitos concorrentes. O

aumento da tensão devido ao processo endurecimento plástico do material do duto que

tende a aumentar o momento fletor (M). Contrariamente a este efeito a ovalização da

seção transversal do duto tende a diminuir o momento de inércia da seção, diminuindo o

286

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braço de alavanca dos esforços resultantes na seção transversal do duto. Este efeito

tende a diminuir o momento fletor resultante na seção do duto. O caminho entre os

pontos B e C é definido pela competição entre os dois fenômenos citados acima

(endurecimento plástico e ovalização) até o ponto C, onde a deformação axial atinge um

valor crítico no qual a ovalização torna-se o fenômeno preponderante, ocasionando a

flambagem local da parede do duto. A figura 7.4 mostra o diagrama de tensões para os

pontos característicos da Figura 7.2.

Figura 7.2 – Em i) Momento Fletor versus deformação axial,

ii) Curva Tensão-Deformação do material do duto

287

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Figura 7.3 – Ovalização da seção transversal do duto em função

da deformação axial

Figura 7.4 – Diagrama de tensões para os pontos característicos da

curva tensão/momento versus deformação

288

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A Figura 7.5 mostra algumas curvas de momento fletor versus deformação axial para

diferentes razões De/t (considerando σy e De constantes). Para um dado diâmetro e

tensão de escoamento do duto constante, o máximo momento fletor cresce linearmente

com a espessura da parede do duto (Figura 7.5). O momento fletor também cresce com

o aumento do diâmetro e da tensão de escoamento do material do duto.

Figura 7.5 – Momento Fletor versus deformação axial para

De/t = 20, 35 e 50, com σy e De constantes

Observa-se na Figura 7.5 que para De/t < 35, existe um patamar na curva momento-

deformação com declividade próxima a zero. Para 35 < De/t < 50 o patamar com

declividade próxima a zero diminui, praticamente desaparecendo. Para valores de

De/t > 50, o patamar na curva momento-deformação é substituído por um ponto de

máximo, diminuindo a partir do ponto de flambagem local da parede. Para valores de

De/t muito elevados, o duto pode sofrer flambagem local em regime elástico ainda na

fase em que o momento fletor aumenta de forma significativa com as deformações.

289

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Para deformações no regime plástico próximas da deformação crítica de flambagem

local, a ovalização da seção transversal do duto modifica a posição da linha neutra,

gerando alguma diferença em relação a deformação axial de flexão fornecida por

22 eea KDD == ρε . Esta diferença não será tratada aqui por ser de difícil avaliação e

de importância secundária.

Uma equação útil na adimensionalização dos resultados obtidos para as curvas de

momento fletor versus deformação axial, é dada pelo momento fletor máximo da seção

na adimensionalização dos resultados de flambagem local de parede

é dada pela curvatura crítica de referência, mostrada abaixo:

transversal de um duto considerando somente o efeito de flexão e o material como

plástico-perfeito, dado pela equação:

Mmax=σyD2t (7.1)

Outra equação útil

2e

o DtK = (7.2)

Utilizando-se as equações (7.1) e (7.2) pode-se adimensionalizar a curva momento-

deformação mostrada na Figura 7.2-i), fornecendo os resultados plotados na Figura 7.6.

Com a curva momento-curvatura adimensionalizada é possível visualizar claramente o

ponto (curvatura ou deformação) onde se inicia o processo de flambagem local (ponto

C), que corresponde ao momento máximo resistente da seção transversal do duto, para o

caso de dutos submetidos à carregamentos de flexão pura. A curva mostrada na Figura

7.6 é válida para dutos de parede espessa (De/t < 35), sofrendo modificações em sua

forma para relações De/t elevadas conforme visto anteriormente.

290

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Figura 7.6 – Curva Momento Fletor versus Curvatura adimensionalizada

O valor máximo na curva de momento-curvatura fornecido na Figura 7.6, é geralmente

denominado de ponto limite. O processo de ovalização num duto submetido a flexão

ocorre de forma uniforme ao longo de seu comprimento. Entretanto próximo do ponto

limite definido acima, a ovalização tende a se concentrar originando as condições para o

início do processo de flambagem local de parede. A curvatura mostrada na Figura 7.6 é

uma curvatura média que depende do comprimento utilizado no seu cálculo. As

equações disponíveis nas normas utilizadas no dimensionamento de dutos utilizam

valores médios obtidos experimentalmente e numericamente (BRUSCHI et al.,1995,

DOREY,2001(c), MURPHEY et al.,1995, VITALI et al.,1999), considerando vários

comprimentos de referência (“gauge length”).

A forma final do modo de falha por flambagem local depende de uma série de fatores

tais como: relação De/t, imperfeições existentes na parede do duto, tensões residuais,

forma da curva tensão-deformação, pressão interna e externa, relação entre esforço de

flexão e axial entre outros.

291

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Para dutos de paredes espessas (baixas relações De/t) a flambagem local de parede

assume a forma denominada na literatura técnica de diamante (“diamond shape”), com a

parede do trecho comprimido dobrando-se para dentro do duto (Figura 7.7)

(MOHAREB,1995). Para dutos de paredes finas (altas relações De/t), o processo de

flambagem e a forma da deformada da parede após a flambagem local é diferente do

descrito anteriormente. A flambagem local é precedida pela formação de ondulações de

baixo comprimento e profundidade (“wrinkles”) na parte comprimida do duto, que

tende a concentrar as deformações aumentando a amplitude da ondulação existente

(MOHAREB,1995). Uma vez formado o fole (ondulação de baixo comprimento) na

parte comprimida do duto (Figura 7.8), o momento fletor na seção tende a diminuir

bruscamente diferentemente ao observado na Figura 7.6. Neste caso devido ao

comportamento instável observado na queda do momento fletor (CARDOSO,2003) para

uma dada curvatura, o fenômeno é chamado de ponto de bifurcação para a flambagem

local, sendo semelhante ao processo de bifurcação observado na flambagem global

(“snap through”) que se caracteriza por um salto nos deslocamentos para uma mesma

temperatura.

292

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Figura 7.7 –Duto com relação De/t=17 após ocorrência de flambagem local de parede

Figura 7.8 – Detalhe de um corte longitudinal de duto com relação

De/t=51 após ocorrência de flambagem local de parede

293

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7.1.2 FORMULAÇÕES UTILIZADAS EM PROJETOS DE DUTOS A compreensão dos conceitos envolvidos durante o processo de flambagem local de

parede apresentados no item anterior, são fundamentais para entender as metodologias

utilizadas no dimensionamento de dutos com alças de deformação submetidos à

carregamentos combinados de flexão, pressões interna e externa e esforço axial.

O dimensionamento de dutos submetidos a flexão pode ser feito através da curva de

momento fletor versus curvatura (deformação) gerada pela aplicação dos carregamentos

atuantes no duto (Figura 7.9). Os coeficientes de segurança podem ser aplicados no

momento fletor atuante, sendo esta metodologia chamada de dimensionamento por

esforço controlado (“load controlled”). Também é possível fazer o dimensionamento

aplicando-se o coeficiente de segurança na curvatura imposta, sendo esta metodologia

denominada de dimensionamento por deslocamento controlado (“displacement

controlled”) (DNV OS-F101,2000, CARR,2004h).

A utilização de uma metodologia ou outra depende essencialmente do comportamento

do duto frente aos carregamentos atuantes. Geralmente o comportamento mecânico de

dutos é controlado pelos esforços atuantes (“load controlled”), podendo-se citar como

exemplos dutos com vãos-livres (controlado pelo peso próprio), interação com âncoras

(impacto da âncora), entre outros. Casos onde o comportamento de dutos fletidos é

controlado unicamente pelos deslocamentos (“displacement controlled”) são poucos,

podendo-se citar o método de lançamento por “reel” onde o duto é conformado em um

raio de curvatura conhecido. De um modo geral o comportamento de dutos aquecidos

são controlados pelos dois mecanismos, havendo a predominância de um ou outro

dependendo dos carregamentos atuantes.

Na Figura 7.9 pode-se observar valores típicos para o momento fletor e curvatura

limites, utilizando-se o conceito de estado limite com carga e deslocamento controlado.

Os valores obtidos utilizando o conceito de deslocamento controlado são em geral

menos conservativos (para valores De/t <45), que os obtidos com carga controlada. Isto

se deve ao comportamento da curva de momento fletor versus curvatura (para o caso de

dutos de paredes espessas), que desenvolve um patamar relativamente longo até o início

do processo de flambagem local.

294

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Conforme foi dito anteriormente a utilização de uma metodologia ou outra depende dos

carregamentos aplicados e do comportamento físico associado. Quando o carregamento

preponderante é controlado pelos esforços, o coeficiente de segurança é aplicado no

momento fletor atuante na seção, esta metodologia tende a limitar bastante a curvatura

máxima, já que o momento é limitado antes do desenvolvimento de plastificação

significativa na seção, limitando indiretamente a tensão máxima no duto. A norma API-

1111 limita diretamente a tensão máxima admissível no duto abaixo do limite de

escoamento do material (tensão de von Mises máxima de 90% do escoamento), já a

norma DNV OS-F101 utiliza um coeficiente adimensional que representa a razão entre

o momento atuante e o momento máximo, também sendo considerado o efeito do

esforço axial efetivo.

Figura 7.9 – Curva de momento fletor versus curvatura adimensionalizados

com valores limites típicos segundo os conceitos de carga e deslocamento controlado

295

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Nos casos de carregamento onde pode ser aplicado o critério de curvatura máxima

admissível (deslocamento controlado), existe um ganho significativo em relação ao

limite imposto pelo critério de carga controlada, principalmente para dutos espessos

(baixa relação De/t) conforme pode ser visto na Figura 7.9.

Dutos submetidos ao processo de flambagem termomecânica sofrem invariavelmente

algum nível de plastificação. Desta forma a utilização do critério de carga controlada é

extremamente limitante neste caso, praticamente inviabilizando o dimensionamento de

dutos com o conceito de flambagem controlada, que pode ser em muitos casos o único

método de dimensionamento economicamente viável em dutos submarinos em águas

profundas.

O dimensionamento de dutos que sofrem processo de flambagem termomecânica pode

em geral ser realizado utilizando-se o critério de deformação (curvatura) máxima

admissível, pois a deformação imposta ao duto na região com flambagem é controlada

pelo deslocamento axial gerado nos trechos vizinhos à alça, devido à expansão térmica

do duto, sendo comandado essencialmente por um mecanismo de deslocamento

controlado. Alguns cuidados devem ser tomados mesmo em casos onde o mecanismo de

deslocamento controlado pode ser aplicado. A curvatura gerada no trecho de duto

fletido é altamente sensível às pequenas variações de deslocamento nos trechos que

alimentam a alça de deformação, desta forma o deslocamento axial imposto deve ser

bem determinado pois pequenas variações podem induzir variações de curvatura

significativas podendo gerar condições para uma flambagem local. Outro cuidado que

deve ser tomado, diz respeito à consideração de todas as fontes de concentração de

deformações possíveis numa alça de deformação. As principais fontes de concentração

de deformações (curvatura), ocorrem devido a variações de propriedades geométricas e

mecânicas ao longo do duto, podendo citar entre as principais:

- Variações de espessura no duto entre trechos soldados;

- Variações nas propriedades do material – curva tensão-deformação;

- Descontinuidades em trechos vizinhos a solda com e sem revestimento (“field joint”).

296

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7.1.3 EXPRESSÕES PARA A DETERMINAÇÃO DA DEFORMAÇÃO (CURVATURA) AXIAL CRÍTICA

O dimensionamento de dutos submetidos a flexão com comportamento predominante

regido por deslocamento controlado, pode ser feito limitando a curvatura (deformação)

máxima.

Existem uma série de formulações desenvolvidas para tentar prever a deformação crítica

para o modo de falha devido a flambagem local de parede (BRUSCHI et al.,1995,

DOREY,2001c, MURPHEY et al.,1995, VITALI et al.,1999). Algumas das principais

expressões existentes serão analisadas neste tópico, sendo comparadas entre si e

avaliadas frente ao conhecimento existente até o presente momento.

Deformação axial crítica utilizada pelo código API-1111(1999):

ec D

t5.0=ε (7.3)

Deformação axial crítica utilizada pelo código BS8010 (1993):

2

15 ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

ec D

tε (7.4)

Deformação axial crítica pela proposta pela norma DNV-96 (1996):

01.0−=e

c Dtε (7.5)

297

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Observa-se nas expressões mostradas acima para o cálculo da deformação axial crítica,

que elas dependem essencialmente da razão De/t, não considerando uma série de fatores

importantes como será visto mais a frente.

Outro conjunto de expressões para o cálculo da deformação axial crítica que levam em

consideração outras variáveis além da relação De/t, são mostradas a seguir.

A expressão utilizada para a deformação axial crítica existente na norma DNV OS-F101

(2000), que sucedeu a norma DNV-96, é bem mais complexa levando em conta o efeito

da pressão interna, encruamento do material e de um coeficiente de solda.

gwhye

c fDt αα

σε θ 5.15101.078.0 −

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+⎟⎟

⎞⎜⎜⎝

⎛−= (7.6)

A expressão utilizada pela norma CAN/CSA Z662-99 (“Canadian Oil and Gás Pipeline

Systems codes”) considera também o efeito do gradiente de pressão, utilizando a

fórmula desenvolvida por (GRESNIT,2001), mostrada abaixo:

2

230000025.05.0 ⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛ −

+−=tE

ppDt ei

ecε (7.7)

Como pode ser visto na expressão (7.7), apesar de não considerar tantas variáveis como

a expressão da DNV OS-F101, a fórmula considera o efeito do gradiente de pressão na

determinação da deformação crítica axial.

A seguir serão comparadas as expressões vistas acima para a determinação da

deformação crítica axial. As expressões (7.6) e (7.7) foram utilizadas desconsiderando o

efeito do gradiente de pressão para que sejam comparáveis a outras expressões com

hipóteses semelhantes.

298

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A formulação básica das expressões propostas pela DNV OS-F101 e CAN/CSA

comparáveis com as expressões (7.3) a (7.5), são fornecidas abaixo:

5.101.078.0 −

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−= h

ec D

t αε (7.8)

0025.05.0 −=e

c Dtε (7.9)

A deformação crítica de flambagem proposta em expressões analíticas como as

equações (7.3) a (7.7), são geralmente baseadas em ajustes realizados a partir de

trabalhos experimentais ou definidas a partir de simulações numéricas paramétricas com

as principais variáveis de interesse ao fenômeno de flambagem local, sendo ajustes ao

longo de um determinado comprimento (geralmente meio a dois diâmetros), não sendo

uma deformação real contínua que represente a deformação (curvatura) num ponto do

duto.

A Figura 7.10 mostra a deformação axial crítica segundo as normas de projeto para

dutos rígidos analisadas. Na expressão da norma DNV OS-F101 foi utilizado o fator

92.0=hα (razão máxima entre a tensão de escoamento e ruptura do material), válido

para aços C-Mn com resistência mínima ao escoamento igual ou superior a um X60.

Observa-se na Figura 7.10 uma grande diferença no cálculo da deformação axial crítica

calculada pelas expressões propostas nas diferentes normas. Verifica-se que para razões

De/t abaixo de 30, a diferença entre os valores de algumas expressões fica mais

acentuada. Esta diferença deve-se a vários fatores mas sem dúvida o principal é a forma

como é definido o ponto de início do processo de flambagem local. A maioria das

expressões existentes para o cálculo da deformação axial crítica é definida para a

curvatura (deformação) correspondente ao ponto de ocorrência do momento máximo na

curva momento-curvatura, como pode ser visto na Figura 7.11. As expressões propostas

por MURPHY-LANGNER (1985) (API-1111) e GRESNIT(2001) (CAN/CSA Z662-

99) são obtidas a partir do momento máximo, enquanto a expressões propostas pela

299

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DNV-96 e DNV OS-F101 (VITALI et al.,1999) são baseadas no ponto definido como

momento limite (Figura 7.11).

Durante a flexão de um duto de paredes finas (De/t>50), a flambagem local ocorre de

forma repentina caracterizando um processo de bifurcação, com a queda brusca do

momento. No ponto de início do processo de flambagem local o momento encontra-se

no seu valor máximo (Figura 7.11). Antes do início da flambagem local de parede,

imperfeições locais de parede invisíveis a olho humano crescem lentamente, até o ponto

de instabilidade (bifurcação) onde a flambagem local é formada bruscamente.

Para dutos de paredes espessas (De/t<30), a flambagem local ocorre de uma forma

muito mais gradual. O crescimento das imperfeições locais de parede geralmente podem

ser visualizadas com o aumento do momento, até o ponto onde ocorre uma concentração

de curvatura capaz diminuir o momento na seção. A definição do ponto de momento

máximo em dutos espessos é de difícil medição devido a forma achatada da curva

momento-curvatura, caracterizada por um patamar relativamente longo (Figura 7.11).

Alguns autores definem o ponto de início do processo de flambagem local para o ponto

de momento máximo da seção, enquanto outros autores definem a flambagem local para

o ponto onde se inicia uma queda mais acentuada do momento (geralmente uma fração

do momento máximo) definida neste trabalho como momento limite (Figura 7.11). Para

dutos de paredes finas a diferença entre os momentos máximo e limite praticamente

desaparece, diminuindo a diferença entre os valores de deformação axial crítica

calculadas segundo as expressões existentes nas principais normas para dutos rígidos

(Figura 7.10).

300

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Figura 7.10 – Comparação entre a deformação axial crítica

proposta pelas principais normas de projeto para dutos rígidos

Figura 7.11 – Curvas de momento-curvatura para dutos com diferentes razões

De/t, mostrando pontos utilizados para definir curvatura (deformação) crítica

301

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A partir da deformação axial crítica pode-se definir a máxima deformação admissível

utilizando coeficientes de segurança apropriados. A seguir será mostrada a metodologia

para a obtenção da deformação axial admissível pelas normas API-1111 e DNV OS-

F101, que são as duas principais normas de projeto utilizadas atualmente no projeto de

dutos rígidos submarinos.

O código API-1111 (1999) sugere um fator de segurança igual a 2=εγ , a ser aplicado

na expressão (7.3) para definir a deformação axial máxima admissível ( εγεε cf =

al (“safety

6.2

). Já

a norma da DNV OS-F101 (2000), é baseada no conceito de coeficientes de segurança

parciais. Para um duto típico classificado com nível de segurança norm class

normal”), os coeficientes de segurança parciais utilizados são =εγ , 07.1=cγ e

1.1=fγ , sendo aplicados na equação (7.6) para a determinação da deformação

) axial admissível ((curvatura ( )fccf γγγεε ε= ).

A Figura 7.12 mostra novamente a deformação crítica axial em função da razão De/t,

para as expressões propostas pela API-1111 (1999) e DNV OS-F101(2000)

(considerando fator de solda 1=gwα ). Observa-se que a deformação axial crítica

proposta pela DNV alcança valores bem superiores aos obtidos com a expressão

proposta pela API, principalmente para dutos com razão De/t baixas, principalmente

devido a diferença na definição do ponto de início do processo de flambagem (momento

máximo diferente do momento limite). Para razões De/t superiores a 30 ambas as

expressões fornecem resultados bem mais próximos (momento máximo se aproxima do

momento limite).

A figura 7.13 mostra a deformação axial máxima admissível em função da razão De/t

para as expressões propostas pela API e DNV, utilizando os coeficientes de segurança

mostrados anteriormente. Para a expressão proposta pela DNV, foi utilizado o fator

92.0=hα .

302

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Na Figura 7.13 pode-se observar que a deformação axial admissível proposta pela DNV

é superior a da API para razões De/t inferiores a 15, porém a diferença entre as

deformações admissíveis é sensivelmente menor que a verificada para a deformação

axial crítica, devido a diferença nos fatores de segurança empregados por ambas. Para

razões De/t superiores a 15 a deformação axial admissível segundo a expressão da DNV

começa a fornecer valores inferiores ao calculado segundo a expressão da API.

De um modo geral pode-se observar que apesar das deformações axiais críticas segundo

as expressões propostas pela API e DNV fornecerem valores bem diferentes

(principalmente para razões De/t baixas), as deformações axiais admissíveis são

relativamente compatíveis com diferenças bem menos significativas. Assim apesar da

diferença existente na metodologia utilizada para a definição da deformação axial crítica

máxima (momento máximo x momento limite) pela API e DNV, a deformação axial

admissível é ajustada pelos fatores de segurança empregados, fornecendo no final

resultados semelhantes.

Figura 7.12 – Deformação axial crítica em função da razão De/t

303

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Figura 7.13 - Deformação axial admissível em função da razão De/t

De um modo geral a deformação axial crítica utilizada pela DNV, é bem mais completa

por expressar diretamente uma série de fatores embutidos indiretamente ou

desconsiderados pela expressão da API.

As expressões mostradas para o cálculo da deformação axial crítica representam o

melhor ajuste para um conjunto de pontos experimentais e/ou numéricos obtidos para o

modo de falha por flambagem local de parede. Numa coletânea apresentada por

ZIMMERMAN (1995) (Figura 7.14) é feita uma comparação entre os resultados

experimentais de vários autores com uma série de expressões utilizadas para o cálculo

da deformação axial crítica. Como pode ser observado na Figura 7.14, a dispersão

existente nos resultados experimentais de deformação axial crítica é bastante grande,

podendo apresentar para uma relação De/t diferenças de até 3 vezes entre os valores

máximo e o mínimo. As diferenças observadas nos resultados experimentais são devido

a vários fatores como presença de imperfeições locais, tensões residuais, medição da

curvatura média utilizando comprimentos diferentes, carregamentos diferentes (pressão

304

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interna e esforço axial), entre outros. De um modo geral as expressões obtidas a partir

de resultados experimentais consideram as variáveis descritas acima

Em outra coletânea mais recente de vários ensaios realizados ao longo dos últimos anos,

apresentada pelo projeto multicliente SAFEBUCK (CARR,2004h), é mostrada a

validade da expressão para a deformação axial admissível como um limite inferior para

todos os ensaios analisados.

Figura 7.14 – Comparações entre expressões para deformação

axial crítica e testes experimentais

As comparações realizadas até o momento neste item, não consideraram efeitos

importantes como o gradiente de pressão, esforço axial, forma da curva tensão-

deformação, imperfeições, etc... existentes no duto. A maioria das váriaveis citadas não

são cobertas pelas expressões existentes para o cálculo da deformação axial crítica. A

exceção é feita pela expressão proposta pela DNV OS-F101 (7.6), que considera além

do efeito de flexão, os efeitos do gradiente de pressão, encruamento do material e um

fator de solda para considerar possíveis imperfeições. A expressão proposta por

GRESNIT (2001) (7.7) e utilizada pela norma CAN/CSA Z662-99, também considera o

efeito do gradiente de pressão existente no duto, porém analisando-a verifica-se que o

termo devido a pressão tem pouca influência no cálculo da deformação crítica axial.

305

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A seguir será verificado o efeito do gradiente de pressão na determinação da

deformação axial crítica, utilizando a expressão proposta pela DNV OS F-101, escrita

novamente abaixo.

gwhye

c fDt αα

σε θ 5.15101.078.0 −

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+⎟⎟

⎞⎜⎜⎝

⎛−= (7.10)

O fator de solda )( gwα segundo recomendação da norma DNV possui valor unitário

para dutos com e/t abaixo de 20, não possuindo grande relevância para dutos

espessos. A pressão interna tem um efeito extremamente relevante na determinação da

deform aumentar várias vezes seu valor dependendo da

relação entre a tensão circunferêncial e a tensão mínima de escoamento de projeto

razões D

ação crítica axial, podendo

( yfθσ ).

Na Figura 7.15 pode ser observado a deformação axial máxima admissível em função

de De/t utilizando a expressão 7.10 (aplicando os coeficientes de segurança), para

diferentes razões entre a tensão circunferêncial e a tensão mínima de escoamento de

projeto ( yfθσ ). Verifica-se que um duto operando com uma tensão circunferêncial

típica de 25% da tensão de escoamento, a deformação axial crítica é aumentada de 2.25

vezes em comparação com a deformação axial calculada sem o efeito da pressão

interna.

O efeito da pressão interna sobre a deformação axial crítica é explicado pelo fato de

gerar uma tensão circunferêncial que tende a estabilizar a ovalização do duto, que é a

principal causa da concentração de deformações na parede do duto conforme explicado

anteriormente. Desta forma, a pressão interna tende a modificar o ponto de início do

processo de flambagem local devido ao seu efeito enrijecedor sobre a seção transversal

do duto dificultando o processo de ovalização.

306

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O efeito da pressão interna sobre a deformação axial crítica verificada na expressão

7.10, foi obtido através de extensivas simulações numéricas utilizando o método dos

elementos finitos no projeto multicliente HOTPIPE (VITALI,1999), que teve como

objetivo atualizar a norma DNV-96 para dutos rígidos submarinos, dando origem a

norma atual da DNV. A validação experimental dos valores propostos pelas normas API

e DNV para a deformação axial admissível em dutos submetidos à flexão pura encontra-

se bem documentada, o mesmo não podendo ser dito no caso de carregamento de flexão

associado ao efeito da pressão interna. O efeito da pressão interna sobre a deformação

axial crítica de flambagem local é indiscutível, porém a influência deste efeito deve ser

considerada com cuidado no caso de ser utilizado o dimensionamento de dutos

aquecidos.

Figura 7.15 - Deformação axial admissível em função da razão De/t, para

diferentes razões entre a tensão circunferêncial e tensão mínima de escoamento (Alfa)

307

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Tanto os testes experimentais como as análises numéricas que originaram todas as

expressões conhecidas para a determinação da deformação axial crítica vistas, são

originadas de modelos utilizando segmentos de dutos submetidos a carregamentos

combinados (flexão, pressão interna e esforço axial) como pode ser observado na Figura

7.16, denominado neste trabalho de modelo local.

Figura 7.16 – Aparato experimental para determinação da deformação

axial crítica utilizando segmento de duto (modelo local)

Outro ponto importante a ser levantado é que o modo de falha por flambagem local de

parede é controlado pela curvatura imposta ao duto, que é essencialmente uma

deformação devido à flexão expressa pela deformação axial crítica. A deformação total

em dutos a baixas temperaturas é essencialmente uma deformação devido à flexão,

porém em dutos submetidos a elevados gradientes térmicos isto pode não ser verdade.

A deformação total em dutos submetidos a gradientes térmicos é composta por uma

parcela mecânica devido a flexão e outra devido a expansão térmica, sendo dada por:

308

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θεεε += fT (7.11)

onde:

θαεθ ∆= (7.12)

Desta forma em dutos que possuam elevados gradientes térmicos a máxima deformação

mecânica devido a compressão, pode ser bem mais elevada que a deformação total

dependendo do caso analisado. Durante as análises numéricas que serão realizadas mais

a frente será avaliada a contribuição do efeito da deformação térmica para a deformação

total no ponto analisado.

7.1.4 DEFORMAÇÃO (CURVATURA) AXIAL CRÍTICA – FATORES CHAVE

Conforme foi visto no item anterior a deformação axial crítica é função de vários

fatores, entre os principais estão as razões De/t (Diâmetro externo sobre espessura do

duto), yfθσ (razão entre a tensão circunferêncial e a tensão mínima de escoamento de

projeto) e hα (razão máxima entre a tensão de escoamento e ruptura do material). Além

das variáveis citadas existem outras que não são consideradas nas expressões utilizadas

para o cálculo da deformação axial crítica por dependerem de fatores de difícil

consideração numa expressão genérica tais como:

- Forma da curva tensão-deformação

- Imperfeições locais na parede do duto

309

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7.1.4.1 FORMA DA CURVA TENSÃO-DEFORMAÇÃO

A forma da curva tensão-deformação após o limite de escoamento tem um papel

fundamental no comportamento a flambagem local da parede do duto. O formato da

curva tensão-deformação após o escoamento não é considerado explicitamente em

nenhuma expressão para o cálculo da deformação axial crítica, por ser extremamente

difícil isolar o seu efeito. A expressão proposta pela DNV OS-F101 (2000) ainda leva

em consideração a relação entre a tensão de escoamento e ruptura do material ( hα ),

sendo a mais avançada na consideração das propriedades mecânicas do material do

duto.

A Figura 7.17 mostra duas curvas tensão-deformação para um aço X65, feito através de

dois processos de manufatura diferentes. Observa-se que as duas curvas mostradas

possuem a mesma razão hα , porém observa-se na prática que a deformação axial crítica

é bem menor para o material com a curva tensão-deformação com platô, típico de dutos

fabricados sem costura (“seamless linepipe”) (CARR,2004f). Em trabalho abordando

estes dutos MURPHI/LANGNER (1985), propuseram uma redução no fator da equação

7.3 de 0.5 para 0.33, devido a redução na deformação axial crítica verificada.

Materiais exibindo curva tensão-deformação com endurecimento plástico bem

comportado (“roundhouse”), são típicos para dutos com costura (UO e UOE), exibindo

comportamento a flambagem local muito superior ao verificado em dutos semelhantes

sem costura. A utilização do encruamento no dimensionamento de dutos por critérios

limitando a deformação pode possibilitar ganhos consideráveis, porém só é

recomendada, se houver testes experimentais que confirmem este comportamento, caso

contrário deve-se utilizar conservadoramente a curva tensão-deformação do material

selecionado como plástico-perfeito.

310

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Figura 7.17 – Curvas tensão-deformação típicas para um aço X65

7.1.4.2 IMPERFEIÇÕES NO DUTO

Imperfeições locais na parede do duto podem ter influência significativa na

determinação da capacidade carga a flambagem local de parede. O tamanho de

imperfeições existentes na parede do duto modificam significativamente o ponto de

início da flambagem local, principalmente nas regiões com solda (“girth weld”) que

possuem imperfeições geométricas.

A região de solda do duto é um ponto crítico para a ocorrência de flambagem local,

devido a uma série de imperfeições existentes como:

- Desalinhamento entre trechos soldados

- Mudança na espessura da parede;

- Mudança nas propriedades do material;

- Tensões residuais devido ao processo de soldagem.

311

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Desalinhamentos entre trechos soldados e mudança de espessura na parede do duto

podem causar momentos de flexão locais na parede do duto iniciando o processo de

concentração de deformações gerando flambagem local de parede.

Mudanças entre as propriedades do material base em relação ao da solda e as tensões

residuais podem ser vistos como uma imperfeição que podem alterar o ponto de início

do processo de flambagem local.

A grande maioria das expressões utilizadas para o cálculo da deformação axial crítica

são baseadas em testes experimentais, considerando indiretamente as imperfeições

citadas acima. O efeito de imperfeições existentes na região da solda não é clara nos

códigos existentes para flambagem local de dutos rígidos. A norma DNV OS-F101

possui um fator de solda )( gwα na expressão para o cálculo da deformação axial crítica

para a consideração de alguns dos fatores geradores de imperfeições, porém sem detalhe

suficientes para uma conclusão segura dos efeitos envolvidos.

7.1.4.3 EFEITO DA TEMPERATURA

A temperatura tem um importante efeito nas propriedades mecânicas do aço (DNV OS

F-101,2000, CARR,2004b), podendo ser um importante fator na concentração de

tensões/deformações no duto. As propriedades mecânicas do aço C-Mn são

praticamente constantes para temperaturas abaixo de 50 oC, para temperaturas mais

elevadas, os valores de coeficiente de Poison, módulo de elasticidade, coeficiente de

expansão térmica e resistência do aço (tensão mínima de escoamento e de ruptura),

começam a ser função da temperatura. O principal efeito da temperatura nas

propriedades do aço ocorre na sua resistência, as demais propriedades podem ser

consideradas praticamente constantes para temperaturas até o limite de 100 oC

(CARR,2004b).

312

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A norma DNV OS-F101 fornece regras para a correção da tensão de escoamento e de

ruptura do material, conforme mostrado abaixo na Figura 7.18. Observa-se que para

aços C-Mn a tensão de escoamento do aço só deve ser corrigida para temperaturas

superiores a 50 oC, enquanto aços do tipo Duplex 22Cr e 25 Cr são bem mais sensíveis

a temperatura, devendo ser corrigidos a partir de 20 oD.

A Figura 7.19 mostra o fator de redução a ser aplicado na tensão de escoamento, em

função da temperatura. Observa-se que para temperaturas em torno de 100 oC a tensão

de escoamento do aço perde cerca de 8% de seu valor em relação à tensão temperatura

ambiente.

Dutos aquecidos devem ser projetados considerando a temperatura máxima de

operação, pois a redução na tensão de escoamento do aço é fator bastante relevante na

concentração de deformações (CARR,2004b).

Figura 7.18 – Redução de Tensão em função da temperatura para a

tensão de escoamento e ruptura de aços

313

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Figura 7.19 – Fator de redução a ser aplicado na tensão de

Escoamento em função da temperatura

314

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7.2 FADIGA

A verificação da vida à fadiga de um duto devido aos ciclos de temperatura e pressão,

pode em geral ser feita utilizando-se as curvas SN, desde que as variações de tensões

tenham comportamento elástico. As curvas SN são obtidas empiricamente a partir do

ajuste de resultados experimentais no formato log-log. Para considerar a dispersão nos

resultados obtidos, as curvas SN apresentadas nas normas de fadiga (DNV RP C203, BS

7608, etc..), recomendam a utilização da média ajustada menos dois desvios padrões,

significando que estas curvas de fadiga são associadas com uma probabilidade de não

falhar de 97.6%.

Dutos submarinos sujeitos a flambagem lateral geralmente apresentam tensões que

superam o limite de escoamento do material, para as cargas operacionais. Caso a linha

seja dimensionada adequadamente, a plasticidade ocorrerá somente no primeiro ciclo de

formação da alça de deformação (flambagem termomecânica), tendo os demais ciclos

comportamento elástico devido à redistribuição de tensões que ocorre durante os ciclos

de carregamento e descarregamento de temperatura e pressão (Figura 7.20).

A utilização das curvas SN para variações acima da tensão de escoamento só é possível

para um número de ciclos relativamente baixo sendo denominada de ciclagem de baixo

ciclo, em contraposição à ciclagem com baixa variação de tensões e grande número de

ciclos (>10000), que dão origem as curvas SN de fadiga.

As curvas SN apresentadas nas normas de fadiga (DNV RP C203, BS 7608, etc..)

começam com um número de ciclos (cerca de 10000) bem acima da região de interesse,

para o caso de uma flambagem lateral em dutos submarinos de exportação. Para avaliar

a fadiga de baixo ciclo (em regime elástico), pode-se simplesmente extrapolar as curvas

SN existentes para fadiga de alto ciclo, para um número de ciclos relativamente baixos

(até 100) abrangendo desta forma a região de interesse (CARR,2004b), sabendo que os

resultados obtidos estão a favor da segurança (CARR,2004b). Logicamente para uma

avaliação menos conservativa, seria necessária a utilização de curvas de fadiga obtidas

especificamente para casos com grandes variações de tensões (acima da tensão de

escoamento do material) e baixo número de ciclos. Atualmente estas curvas de fadiga

315

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não existem, sendo uma importante lacuna na análise de fadiga termomecânica em

dutos aquecidos.

Figura 7.20 – Tensão axial na fibra inferior no ponto crítico do modelo função

do gradiente térmico para diferentes ciclos de aquecimento e resfriamento

7.2.1 CURVAS DE FADIGA Como discutido anteriormente a verificação da vida a fadiga de baixo ciclo (com

grandes variações de tensões) em dutos submetidos a flambagem termomecânica, pode

ser feita utilizando as curvas SN usuais para fadiga de alto ciclo. A verificação é feita

extrapolando o número de ciclos para a região de interesse.

A verificação de fadiga baseando-se nas curvas SN, é feita calculando-se o dano

acumulado a partir da fórmula de Palmgren-Miner (DNV OS-F101,2000). Utilizando

um histograma significativo com um determinado número de blocos de variações de

316

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tensões ( ) de amplitude constante (in iσ∆ ), tem-se a expressão para o cálculo do dano a

fadiga:

( ) fatm

i

k

ii

k

i i

ifat n

aNn

D ασ ≤∆== ∑∑== 11

1 (7.13)

onde:

: Dano de fadiga acumulado

k: Número de blocos de tensões

: Número de ciclos de tensões do bloco de tensão i

: Número de ciclos até a falha devido a variação de tensão constante

fatD

in

iN iσ∆

: Dano máximo admissível (função da classificação dada ao duto DNV OS-F101) fatα

a e m : Parâmetros da curva de fadiga

Para um determinado bloco de variação de tensões, o cálculo do número de ciclos até a

falha, utilizado na expressão de dano acumulado (7.13), é dado por:

σ∆−= logloglog maN (7.14)

onde:

N: Número de ciclos até a falha para a variação de tensão σ∆

σ∆ : Variação de tensão

alog e m : Parâmetros que definem a curva de fadiga a ser utilizada (função da

classificação do material base ou solda)

A variação de tensão σ∆ na equação (7.14) deve ser corrigida para considerar os

efeitos devido a variação de espessura e fator de concentração de tensões devido a

desalinhamentos na solda, sendo modificada para:

cmaN σ∆−= logloglog (7.15)

317

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onde:

σσ σ ∆=∆ SCFSCFtc (7.16)

com:

k

reft t

tSCF ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= para t > tref

e

5.0

31−

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ −

+= tDe

et

SCF δσ (7.17)

A utilização dos fatores mostrados acima depende do tipo de classificação da solda

utilizada para o cálculo de fadiga. A norma DNV RP C203 para o processo mais usual

de soldagem (soldagem externa “single side”), utiliza as curvas de fadiga denominadas

de F1 e F3 para avaliar o ponto interno da solda (“weld root”), considerando os fatores

dados por (7.17) como iguais a um, pois os parâmetros da curva utilizada já consideram

os efeitos devido a concentração de tensões. Já para a avaliação de fadiga no ponto

externo (“weld toe”) os fatores de concentração de tensões devem ser utilizados, pois a

curva de fadiga proposta (D) é menos onerosa não incorporando em seus parâmetros os

fatores de concentração de tensões.

As curvas de fadiga utilizadas na norma BS 7608 não incorporam os fatores de

concentração de tensões, devendo-se calcular seu efeito para todas as curvas propostas.

A norma DNV RP C203 utiliza tref =25 mm e k=0.15, nos casos em que o fator de

correção de espessura é necessário, enquanto a norma BS 7608 utiliza tref =16 mm e

k=0.25. Esta diferença observada no cálculo do fator de correção de espessura é devido

a diferença entre as curvas de fadiga apresentadas por ambas.

318

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7.2.1.1 VARIAÇÃO DE TENSÃO – LIMITES ADMISSÍVEIS Para a utilização das curvas SN no cálculo de fadiga em dutos aquecidos com

flambagem controlada, deve-se limitar a variação máxima de tensão que ocorre durante

o resfriamento da linha (“shutdown”), que geralmente excede o limite de escoamento do

material. A limitação da variação de tensão tem como objetivo prevenir o efeito

Bauschinger (alteração da tensão de escoamento do material) descrito no capítulo 4, e

conseqüentemente a ocorrência de plasticidade além do ciclo inicial (plasticidade

cíclica), o que invalidaria a utilização das curvas SN. A Figura 7.21 mostra uma curva

tensão-deformação de um material com um forte efeito Bauschinger, onde a variação do

nível de tensões no ramo elástico do material passou de 2SMYS para cerca de

1.4SMYS.

A norma BS 7608 limita a variação máxima de tensão a ser utilizada nas curvas SN (por

ela fornecida), em 1.6SMYS. A norma DNV RP-C203 é omissa neste ponto não

fornecendo qualquer informação sobre a variação máxima de tensão que pode ser

utilizada na aplicação das curvas SN para o cálculo da fadiga.

Figura 7.21 – Curva tensão-deformação mostrando efeito de

Bauschinger durante processo cíclico

319

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7.2.1.2 PLASTICIDADE CÍCLICA

O desenvolvimento de plasticidade cíclica devido as variações de pressão e temperatura

na linha deve ser evitado, para não invalidar a utilização das curvas SN no cálculo de

fadiga da linha. A ocorrência de deformações plásticas durante processo de ciclagem

ainda não é dominado devendo ser evitado.

O critério utilizado para limitar a variação de tensão máxima, visando evitar o

desenvolvimento de plasticidade cíclica, é baseada numa adaptação da fórmula de

KLEVER (1994) desenvolvida para evitar “ratcheting” para as deformações

circunferênciais. O critério apresentado considera efeito Bauschinger e da tensão

circunferêncial (CARR,2004d), assumindo envoltória de resistência de von Mises para o

aço plástico perfeito durante primeiro ciclo, sendo dada por:

2

4312 ⎟

⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−≤∆

yBc f

σσ

σ θ (7.18)

Na expressão (7.18) cσ∆ representa a máxima variação de tensão admissível e o

efeito Bauschinger, que deve ser medido através de testes ou adotar um valor bem

conservativo na ausência de maiores informações. Para uma curva tensão-deform

com variação elástica nas tensões durante a ciclagem de 1.4SMYS temos (

é dado pelo inverso da variação elástica verificada na curva tensão-deformação).

A Figura 7.23 mostra as máximas variações de tensões axiais em função da tensão

circunferêncial, considerando diferentes valores de (efeito Bauschinger). Observa-se

que a tensão circunferência (“hoop stress”) tem um efeito bastante considerável na

tensão axial máxima em dutos com gradientes de pressão que contribuam

significativamente na condição de escoamento do m terial (relação

Bf

ação

7.0=Bf Bf

Bf

a yσσθ > 0.2).

320

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Figura 7.22 – Máxima variação de tensão admissível para

prevenir o efeito Bauschinger

O critério fornecido para a limitação da variação máxima de tensão axial apresentado

acima, é bastante conservativo pois não leva em conta o encruamento do material e

considera que o duto seja totalmente restrito (razoável para dutos enterrados) com

deformação axial constante ao longo da direção circunferêncial KLEVER (1994).

Porém na região de ocorrência de flambagem termomecânica, o duto encontra-se em

uma condição de restrição bastante diferente ocorrendo uma grande variação de

deformações axiais ao longo da circunferência do duto.

O comportamento de metais submetidos a carregamentos cíclicos com plasticidade

ainda não é bem conhecido, sendo razoável a adoção de uma boa dose de

conservadorismo na sua utilização.

Outro aspecto importante a ser observado é que dutos lançados pelo método de

“reeling” podem apresentar efeito Bauschinger bastante relevante, modificando a tensão

de escoamento do material já no primeiro ciclo de carregamento.

321

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Os conceitos mostrados neste item permitem limitar a variação de tensão axial máxima,

para que o aço do duto não apresente efeito Bauschinger, podendo-se utilizar as curvas

de fadiga SN (regime elástico), sem a ocorrência de acúmulo de deformações plásticas

(“ratcheting”) que podem levar a ocorrência de ruptura por fadiga de baixo ciclo em

regime plástico.

7.2.1.3 FATORES DE SEGURANÇA

Conforme dito anteriormente as curvas de fadiga existentes nas normas, representam a

média menos dois desvios padrões para o conjunto de dados experimentais, o que

significa uma probabilidade de não falhar de 97.6%. Como uma linha de escoamento é

uma estrutura sem redundância e de difícil inspeção, é necessária a utilização de um

fator de segurança adicional para garantir a integridade da linha.

A norma BS8010 (1993) indica que um fator de segurança adicional deve ser utilizando,

mas não fornece valores deixando para o projetista a responsabilidade.

A norma DNV RP C-203 refere-se a OS-F101 para a definição do fator de segurança

em função da classificação de risco da linha. Para um duto classificado com nível de

segurança normal (“normal safety class”), é proposto um coeficiente de segurança igual

a 5, fornecendo um dano máximo admissível (“allowable damage ratio”) 2.0=fatα .

Para o nível de segurança normal o fator de segurança utilizado tem a intenção de

garantir que a probabilidade de falha devido ao estado limite de fadiga não exceda 10-4.

Para o caso de um duto classificado com nível de segurança alto (“high safety class”), o

fator de segurança proposto é igual 10, significando que um duto projetado para operar

durante 20 anos deve possuir vida a fadiga de 200 anos.

322

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7.2.1.4 AMBIENTES AGRESSIVOS E AÇOS ESPECIAIS As curvas de fadiga são determinadas para aços C-Mn. A norma DNV RP C-203

recomenda a utilização das mesmas curvas de fadiga para os aços especiais duplex e

super-duplex, sendo omissa no caso do aço 13%Cr.

A utilização de aços especiais é recomendada para casos especiais de dutos expostos a

ambientes agressivos (H2S, CO2), já que as curvas apresentadas nas normas são

determinadas para exposição no ar ou água do mar, não abordando o efeito causado por

ambientes agressivos. A exposição a ambientes agressivos pode reduzir drasticamente a

vida a fadiga (BUITRAGO,2002, SZLARZ,2000), dependendo das concentrações

existentes.

A exposição de dutos a ambientes agressivos ainda é uma área com conhecimento

reduzido. Nos últimos anos estudos começaram a ser desenvolvidos

(BUITRAGO,2002,CARR,2004j) visando preencher esta lacuna de conhecimento que

pode causar conseqüências drásticas para o duto podendo levar a ruptura.

7.3 FRATURA E COLAPSO PLÁSTICO

Em dutos submetidos a flambagem termomecânica a ocorrência de deformações

plásticas é praticamente inevitável. No primeiro carregamento de formação da

flambagem, o duto ficará submetido a elevadas tensões axias de tração, produzindo

deformações que podem ser suportadas pelo material base (sem defeitos) em dutos com

baixas relações De/t. Porém, na região das soldas, devido aos defeitos inerentes ao

processo de soldagem, tais deformações podem levar ao colapso, tornando-se o ponto

crítico no dimensionamento.

A existência de falhas na região da solda (“flaw size”) geralmente não é um caminho

crítico em projetos tradicionais de dutos, pois são dimensionados para operar em regime

elástico. No caso de dutos aquecidos dimensionados permitindo a ocorrência de

323

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flambagem, e consequentemente elevadas deformações, o tamanho da falha na região da

solda é um ponto importante a ser considerado, devendo-se demostrar a integridade

estrutural do duto.

Para estabelecer o critério de aceitação para a inspeção da solda durante o lançamento, é

necessário calcular através de critérios da mecânica da fratura (dentro de uma ECA), o

tamanho máximo aceitável da falha durante o início da vida de um duto, e mostrar que o

tamanho da falha é relativamente estável não crescendo devido a fadiga de baixo ciclo

(BS8010,1993).

Historicamente a definição do tamanho tolerável da falha na solda é feita em um dos

últimos estágios do projeto, pois em geral fornece tamanhos máximos maiores que os

necessários durante inspeção de lançamento, pois as cargas envolvidas não são críticas.

Para dutos submetidos a flambagem térmica o tamanho máximo deve ser definido

durante o projeto para a carga máxima operacional (falha máxima inicial) e para fadiga

de baixo ciclo (falha máxima final). A definição da falha máxima na solda para

deformações elevadas, tendem a ser bem menores que as tradicionalmente utilizadas em

projetos tradicionais.

A definição de um tamanho de falha máxima aceitável para solda considerando

flambagem, deve ser feita numa ECA em conjunto com o projeto conceitual do duto,

devendo-se tentar ser o menos restritivo possível. Caso contrário o critério de inspeção

utilizado pode praticamente inviabilizar o projeto de lançamento, pelo custo e tempo

necessários para sua execução.

324

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8 METODOLOGIA DE ANÁLISE E RESULTADOS

Este capítulo tem como objetivo de apresentar uma metodologia de análise para dutos

submarinos submetidos a altas variações de temperatura e pressão utilizando os

conceitos abordados nos capítulos anteriores através dos resultados com o programa

AEEPECD. Será verificado o comportamento estrutural de um duto submarino

escolhido como estudo de caso, frente aos estados limites de flambagem local e fadiga

devido a ciclos de aquecimento/pressurização e desaquecimento/despressurização. O

duto analisado foi selecionado por representar um caso real e de relevância. Também

será analisado o comportamento de possíveis soluções técnicas que estão sendo

avaliadas atualmente para controlar os efeitos da flambagem em dutos aquecidos.

Será analisado o comportamento termomecânico numa seção particular (seção 2) da

linha de escoamento mostrada na Figura 8.1. O capítulo é dividido em quatro partes

principais. Na primeira parte é feita uma validação do modelo básico de interação solo-

duto implementado no AEEPECD, comparando seus resultados com os obtidos com a

solução analítica de HOBBS (1981,1989) e com resultados do ABAQUS. Na segunda

parte é verificado o comportamento estrutural do duto aquecido sobre o piso marinho

durante alguns ciclos de aquecimento e resfriamento utilizando modelo de interação

solo duto básico com atrito possuindo lei constitutiva plástico-perfeita. Na terceira parte

serão analisados modelos de dutos sobre o piso marinho considerando o efeito de valas

no piso marinho, utilizando o modelo de interação solo-duto especialmente

desenvolvido para tal no programa AEEPECD. Por último será avaliado o

comportamento de dutos aquecidos utilizando soluções que tem como objetivo controlar

o comprimento de expansão térmica (CET) e a interação solo-duto.

325

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Figura 8.1 – Seções ao longo da rota do duto analisado

8.1 PROPRIEDADES UTILIZADAS

As propriedades utilizadas nas análises numéricas do duto aquecido são fornecidas nas

tabelas 8.1 e 8.2 abaixo. Será analisada a seção a cerca de 10 KM do início do duto

mostrado na Figura 8.1, denominada de seção 2. A seção foi escolhida por ser o trecho

contínuo que apresenta o esforço axial efetivo mais crítico.

Tabela 8.1 – Propriedades geométricas do duto analisado.

Característica Valor

Diâmetro externo 323,85 mm (12.75”)

Espessura nominal 22,225 mm (0.875”)

Espessura revestimento 50 mm

326

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Tabela 8.2 – Propriedades mecânicas do material do duto analisado (@20 oC).

Característica Valor

Material X65

SMYS @0,5% 450 MPa

SMTS @10% 525 MPa

Módulo de Elasticidade Longitudinal 210000 MPa

Coeficiente de expansão térmica 1.17x10-5 oC-1

Densidade aço 7850 kg/m3

Na Tabela 8.2 a tensão de escoamento do aço X65 foi modificada para considerar o

efeito da temperatura conforme preconizado pela norma DNV OS-F101 (2000), sendo

corrigida para a temperatura máxima anormal de operação (80 oC), resultando numa

tensão de escoamento de aproximadamente 432 MPa. A curva tensão-deformação

considerando o encruamento do material também pode ser utilizada, mas recomenda-se

a realização de testes de laboratório para a sua utilização, pois tem uma grande

influência nos resultados de verificação de flambagem local de parede, quando é

utilizado critério baseado em deformação máxima admissível. Nas simulações

realizadas neste capítulo foi adotada uma curva tensão-deformação plástico-perfeita,

sempre que não for especificado, caso seja utilizado o encruamento do material, isto

será claramente identificado na apresentação dos resultados.

A curva tensão-deformação não-linear do material considerando encruamento, pode ser

descrita utilizando a curva de Ramberg-Osgood (1946), que representa um bom ajuste

na representação da relação tensão x deformação verdadeira. A relação uniaxial para a

curva tensão-deformação de Ramberg-Osgood é dada por:

⎟⎟

⎜⎜

⎛⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+=

−1

731

n

rE σσσε (8.1)

327

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Onde n representa a declividade da região plástica e rσ é a tensão característica onde

se inicia a deformação plástica do material.

Os testes para a determinação dos parâmetros da curva tensão x deformações de um

dado material fornecem a tensão de engenharia, que é a carga estática medida no teste

de resistência dividida pela área indeformada do corpo de prova.

o

nn A

P=σ (8.2)

A deformação de engenharia é calculada dividindo a variação de comprimento do corpo

de prova pelo seu comprimento inicial.

o

n ll∆

=ε (8.3)

A curva tensão-deformação de engenharia fornece uma boa descrição do

comportamento do material para pequenas deformações, porém para deformações mais

elevadas é preciso fazer uma correção considerando sua área deformada. Pode-se obter

a curva tensão x deformação do material a partir da hipótese que o material permanece

com volume constante durante o escoamento plástico, fornecendo as relações mostradas

abaixo.

( )nnt εσσ += 1 (8.4)

( )nt εε += 1ln (8.5)

E

ttplt

σεε −=_ (8.6)

Utilizando as relações (8.4) a (8.6) em conjunto com a lei de Ramberg-Osgood (8.1),

pode-se obter as curvas de tensão x deformação de engenharia e verdadeira para o

material do duto (aço X65).

328

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Na Figura 8.2 são mostradas as curvas de tensão x deformação de engenharia e

verdadeira para as temperaturas de 20 e 80 oC, para o aço X65, podendo-se verificar o

seu efeito para as temperaturas ambiente (ar) e máxima analisada. Para a temperatura de

20 oC os parâmetros n e rσ que descrevem a forma da curva tensão x deformação foram

respectivamente 20,4 e 424,4 MPa.

Figura 8.2 – Efeito da temperatura (80 oC) nas curvas tensão-deformação

engenharia e verdadeira do material (X65) com encruamento plástico.

Na Figura 8.3 são mostradas as curvas de tensão x deformação de engenharia e

verdadeira para a temperatura máxima analisada (80 oC), para o aço X65 com e sem

encruamento. Observa-se que mesmo considerando o material plástico-perfeito, o

material apresenta um certo grau de encruamento quando a curva x tensão nominal

(engenharia) é corrigida para a verdadeira.

329

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Figura 8.3 – Efeito do encruamento nas curvas tensão-deformação

de engenharia e verdadeira do material (X65).

Nas análises numéricas quando for utilizado o encruamento do material é necessário

fornecer a curva tensão x deformação plástica verdadeira. A tabela 8.3 mostra os pontos

da curva tensão x deformação plástica verdadeira, utilizada no modelo de elementos

finitos quando for considerado o encruamento do material, mostrado na Figura 8.4.

330

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Tabela 8.3 – Curva tensão x deformação plástica verdadeira (@80 oC).

Tensão verdadeira

(MPa)

Deformação plástica

Verdadeira %

377,6 0,00

411,0 0,1

434,2 0,292

446,5 0,485

458,8 0,778

472,8 1,263

483,3 1,756

499,3 2,723

523,2 4,624

543,0 6,517

568,7 9,260

Figura 8.4 – tensão x deformação plástica verdadeira do material

(X65) para 80 oC, utilizada no modelo numérico.

331

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8.2 CARREGAMENTO E CONDIÇÕES DE CONTORNO

O caso analisado possui temperatura máxima operacional de aproximadamente 65 oC,

com um decaimento ao longo da linha mostrado na Figura 8.5. A temperatura máxima

de operação do duto em si não fornece informação suficiente para avaliar a

potencialidade ou não de flambagem termomecânica de um duto, pois o esforço axial

efetivo no duto (capítulo 5), depende do carregamento imposto (variação de temperatura

e pressão interna), parâmetros geométricos e de material da seção transversal, condições

de contorno e comprimento do duto.

O baixo decaimento de temperatura ao longo do comprimento do duto que será

analisado neste capítulo (Figura 8.5) como caso de estudo, deve-se ao isolamento

térmico de polipropileno existente para facilitar o escoamento de óleo. O revestimento

em dutos pode ter três finalidades, estabilidade, camada anti-corrosiva e isolamento

térmico. A Figura 8.6 mostra o perfil de decaimento ao longo de uma linha de

escoamento de gás. O alto decaimento comparado ao visto na Figura 8.5 é explicado

pela ausência de revestimento térmico.

Figura 8.5 – Batimetria do fundo e perfil de temperatura

ao longo do duto analisado.

332

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Figura 8.6 –Perfil de variação de temperatura ao longo de duto

de gás possuindo somente revestimento anti-corrosivo.

Atualmente no Brasil devido às descobertas recentes de óleos pesados, tem surgido

inúmeros projetos de dutos aquecidos, e em particular no caso brasileiro, devido às

elevadas lâminas dagua, o carregamento imposto pela pressão interna torna-se bastante

significativo contribuindo para o processo de flambagem termomecânico.

Na Figura 8.7 pode-se observar as pressões externa e interna existentes ao longo da rota

do duto que são função da batimetria do piso marinho, da pressão de bombeamento na

plataforma e do peso do fluido. No perfil de pressão interna total foi desconsiderada a

perda de carga devido ao escoamento, considerando deste modo constante a pressão de

bombeamento na linha.

333

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Figura 8.7 – Batimetria do fundo e perfis de pressões hidrostáticas

do óleo e água do mar ao longo do duto analisado.

A Figura 8.8 mostra o esforço axial efetivo máximo ao longo do duto. Também são

mostradas em porcentagem as contribuições da variação de temperatura e pressão

interna no esforço axial efetivo. Como pode ser observado, a pressão interna máxima

contribui de forma significativa para o esforço axial na linha, alcançando valores em

torno de 20 a 30 % do esforço axial total. A parcela de contribuição da pressão interna

no esforço axial efetivo pode torna-se ainda mais importante, visto que num futuro

próximo as pressões internas em dutos “offshore” tendem a aumentar conforme forem

serem explorados campos de petróleo em lâminas d´agua ultra-profundas entre 2000 e

3000 m.

334

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Figura 8.8 – Contribuição da temperatura e pressão interna no

esforço axial efetivo ao longo do duto analisado.

As condições de contorno existentes em dutos submarinos são essenciais para definir a

distribuição real de esforço axial efetivo ao longo duto, equipamentos submarinos tais

como PLET conectam-se ao duto e a “jumpers” ou “spolls”, que possuem flexibilidade

suficiente para absorver a expansão térmica do duto. Desta forma, o esforço axial

restringido só será alcançado após a ancoragem do duto pelo atrito axial do solo. No

caso de estudo analisado neste capítulo o duto possui PLET com “jumpers” rígidos em

ambas as extremidades, modificando o esforço axial conforme pode ser visto na Figura

8.9. O esforço axial efetivo só alcança o seu valor máximo restringido (equação 8.7)

após a ancoragem da expansão térmica pelo atrito axial solo-duto. O atrito axial

depende de parâmetros de resistência do solo que apresentam uma série de incertezas,

podendo alterar o significativamente o ponto de ancoragem axial (Figura 8.10).

335

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Figura 8.9 – Extremidade do duto analisado conectado ao

PLET com a presença de “jumper” rígido.

Figura 8.10 – Esforço axial efetivo ao longo do duto analisado,

com condições de contorno nas extremidades.

336

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A geometria inicial do duto não é perfeitamente reta devido às imperfeições iniciais

geradas pelo processo de lançamento do duto e da batimetria do piso marinho, sendo

uma das principais condições de contorno do problema, pois influencia não apenas a

carga crítica de flambagem, como a distribuição do comprimento de expansão térmica

(CET), entre as alças de deformação que serão formadas ao longo do duto. A expressão

8.7 mostra uma fórmula clássica para cálculo de estabilidade de dutos apoiados sobre o

leito marinho considerando raio de curvatura constante. Nela pode-se observar uma

relação direta entre o esforço axial no duto e o raio de curvatura. Desta forma, quanto

maior forem as curvaturas iniciais existentes menores serão as cargas críticas de

flambagem, ocorrendo a instabilidade quando o esforço axial no duto superar o esforço

axial fornecido pela expressão 8.8.

RWN subLest µ= (8.7)

(8.8)

A curvatura inicial em diferentes pontos do duto devido ao processo de lançamento é

desconhecida a priori. Estudos estatísticos (CARR,2004m) mostraram que um valor

médio representativo para dutos lançados sem raios de curvatura está em torno de 1500

m com covariância de 20%. Para dutos lançados com raios de curvatura de projeto entre

1500 m e 2000 m, o valor médio alcançado para o raio de curvatura após o lançamento

ficou em torno de 855 m (desvio padrão de DP=165 m) e 1140 m (DP=220 m)

respectivamente. Como ao longo da rota do duto analisado existem raios de curvatura de

lançamento de 1500, 2000 e 2120 m (Figura 8.11), o esforço axial máximo a que o duto

poderia ficar submetido de forma estável seria de aproximadamente 1160 KN

(considerando µL=1,05 e Wsub=1.284 KN/m), bem abaixo dos valores de esforço axial

efetivo máximo presentes no duto analisado (Figura 8.10), mostrando a alta

potencialidade de flambagem termomecânica do duto.

A carga crítica de flambagem em dutos aquecidos pode ser determinada analiticamente

através de outros métodos analíticos e semi-analíticos (HOBBS,1981/1984), que serão

mostrados mais à frente.

estef NN ≥

337

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Figura 8.11 – Geometria de lançamento do duto mostrando

raios de curvatura utilizados.

Os dados de carregamentos a serem utilizados na seção 2 do duto que será analisada

neste capítulo como estudo de caso estão resumidas na tabela 8.4. Como será visto mais

adiante o modelo de elementos finitos terá extensão de 2000 m, adotando-se desta forma

o carregamento constante ao longo do duto. Os perfis de temperatura e pressão

mostrados só são utilizados, caso seja feita a simulação da linha como um todo, onde o

efeito do decaimento ao longo do duto torna-se significativo.

338

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Tabela 8.4 – Resumo dos Carregamentos utilizados nas análises numéricas.

Característica Valor

Pressão interna superfície (bombeamento) 20,68 MPa

Pressão interna no fundo do mar @ 800m 27,87 MPa

Pressão externa no fundo do mar @ 800m 8,12 MPa

Peso submerso do duto 1,284 KN/m

Temperatura mínima água do mar @ 800m 4 oC

Temperatura máxima operacional @ 800m 64 oC

Temperatura máxima anormal @ 800m 84oC

Na Tabela 8.4, as pressões interna e externa no fundo do mar foram calculadas

considerando a lâmina máxima de água de 800 m para o trecho analisado (a 10 KM do

início da linha), sendo desconsiderada a perda de carga de pressão interna existente no

duto devido ao escoamento.

339

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8.3 INTERAÇÃO SOLO-DUTO

Devido a grande importância da interação solo-duto é dedicado um item especial para

apresentar a metodologia utilizada para calcular os enterramentos do duto e os

“coeficientes” de atrito equivalentes utilizados nas simulações numéricas.

O enterramento do duto foi calculado utilizando a formulação proposta pelo JIP-

SAFEBUCK na equação (8.9) (CARR,2004i), por fornecer valores de enterramentos

mínimo e máximo compatíveis com os observados nos dutos em operação na Bacia de

Campos em regiões de argilas moles. Também podem ser utilizadas outras metodologias

semi-analíticas como a proposta por VERLEY (2000), já apresentada ou através de

simulações numéricas.

22

4244 ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛<<

uSD

WSDz

SD

WS

e

eft

eue

eft (8.9)

onde:

z - Enterramento inicial do duto

- Peso submerso máximo do duto

De – Diâmetro externo do duto (com revestimento)

kl – Fator de amplificação dinâmica devido aos esforços de lançamento

Wsv – Peso submerso do duto vazio

Wsh – Peso submerso do duto durante teste hidrostático

Wso – Peso submerso do duto durante a operação

Su – Resistência não-drenada do material

St – Sensitividade da argila

( )soshsvlef WWWkW ,,max=

340

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No cálculo do enterramento foram considerados os perfis máximo, médio e mínimo

representativos mostrados na Figura 8.12 obtidos a partir de uma avaliação estatística de

dezenas de perfis de resistência do solo para a região da linha de escoamento

(CARDOSO,2004b), sendo obtidos diferentes valores de enterramento para representar

a heterogeneidade do solo ao longo da rota do duto. A Tabela 8.5 fornece os valores dos

enterramentos obtidos, para cada perfil de resistência utilizado. Para a obtenção das

reações de solo foram utilizados os valores médios entre os mínimos e máximos obtidos

com a expressão (8.9).

Figura 8.12 – Perfis de Resistência não-drenada utilizados

341

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Tabela 8.5 – Enterramentos para os diferentes perfis resistência não-drenada do solo

Perfil de Resistência Enterramento Médio (%De)

Mínimo 71,5

Médio 25,5

Máximo 17,6

Os coeficientes de atrito laterais equivalentes do solo foram obtidos utilizando-se o

simulador AEEPECD, através de um modelo de estado plano de deformações com

envoltória de resistência de Mohr-Coulomb. As reações laterais de solo foram obtidas

para os enterramentos médios calculados (tabela 8.5), utilizando os respectivos perfis de

resistência não-drenada do solo (Figura 8.12). Uma das vantagens da utilização do

simulador de elementos finitos AEEPECD, na geração das reações de solo, é justamente

a possibilidade de representar adequadamente o perfil de resistência do solo, uma vez

que esta facilidade está implementada na interface de pré-processamento (SIGMA

4.22), que exporta as curvas de resistência não-drenada do solo, que são utilizadas no

AEEPECD para calcular a resistência não-drenada no centro de gravidade de cada

elemento do modelo, representando desta forma a sua variação ao longo da

profundidade.

Para cada enterramento médio calculado foram gerados dois modelos para o cálculo da

reação lateral do solo. O primeiro considerando somente o enterramento conforme

apresentado na tabela 8.5, e um segundo considerando a existência de um “monte” com

uma resistência não-drenada residual de 1 KPa, para representar o solo empurrado pelo

duto durante a sua movimentação.

As Figuras 8.13 a 8.15 mostram as deformadas do solo com e sem monte obtidas

através das simulações numéricas efetuadas, para os diferentes enterramentos e perfis de

resistência não-drenada do solo.

342

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343

Figura 8.13 - Deformada do duto sem e com monte para deslocamento de 10 cm

mostrando região plastificada (perfil de resistência mínimo e enterramento de 70%De)

Figura 8.14 - Deformada do duto sem e com monte para deslocamento de 10 cm

mostrando região plastificada (perfil de resistência médio e enterramento de 25%De)

Figura 8.15 - Deformada do duto sem e com monte para deslocamento de 10 cm

mostrando região plastificada (perfil de resistência máximo e enterramento de 18%De)

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A Figura 8.16 mostra o “coeficiente” de atrito lateral equivalente (reação lateral sobre

peso submerso cheio do duto), em função do deslocamento imposto. Verifica-se que

apesar dos enterramentos serem bem diferentes, os “coeficientes” de atrito são

praticamente os mesmos, pois a diferença no enterramento é compensada pela diferença

na resistência do solo.

Figura 8.16 - Coeficiente de atrito lateral equivalente para os

diferentes perfis de resistência não-drenada do solo

A Figura 8.17 mostra o “coeficiente” de atrito lateral em função do deslocamento do

duto, para o modelo considerando o monte de solo atrás do duto. Neste caso verificou-se

uma variação significativa para os diferentes perfis de resistência e enterramentos

utilizados, devido a maior restrição da movimentação do duto na direção vertical.

344

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Figura 8.17 - Coeficiente de atrito lateral equivalente para os diferentes

perfis de resistência não-drenada do solo, considerando monte.

Os “coeficientes” de atrito laterais utilizados no modelo de elementos finitos global de

dutos aquecidos, são mostrados na tabela 8.6, para os diferentes níveis de enterramento

do duto, a partir da utilização de perfis de resistência máximo, médio e mínimos (Figura

8.12).

Tabela 8.6 – Coeficientes de atrito lateral,

para os perfis de resistência não-drenada do solo

Perfil de Resistência

Mínimo

Médio

Máximo

Atrito lateral 0,55 0,60 0,55

Atrito lateral (monte) 0,60 0,80 0,87

345

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Os valores de coeficientes de atrito laterais mostrados na tabela acima, fornecem os

valores mínimo, médio e máximos para os perfis de resistência apresentados na Figura

8.12, baseados no enterramento médio. Como será visto mais adiante, coeficientes de

atrito mais elevados fornecem resultados mais críticos em termos de

tensões/deformações na região do duto submetida à flambagem termomecânica. Deste

modo foi calculado também para os enterramentos máximos para cada perfil de

resistência não-drenada, o coeficiente de atrito lateral máximo que poderia ocorrer,

fornecendo um valor em torno de 1,05. O coeficiente de atrito lateral máximo global de

1,05 será utilizado nos estudos paramétricos que serão mostrados mais adiante como

referência, por tratar-se do valor mais crítico calculado.

Ensaios experimentais realizados para dutos assentados sobre argilas moles (BOLTON

et al.,2004), mostraram valores mínimo, médio e máximo para o coeficiente de atrito

lateral respectivamente de 0,45, 0,75 e 1,28. Estes valores são compatíveis com os

obtidos anteriormente.

As reações laterais obtidas utilizando o programa AEEPECD fornecem bons resultados

para pequenos deslocamentos, conforme retroanálises feitas com resultados

experimentais (COSTA, 2001g). Na realidade para os deslocamentos observados em

dutos aquecidos, que podem ser da ordem de 20 a 30 vezes o diâmetro do duto, as

reações obtidas representam apenas o trecho inicial da curva de reação do solo. Um

grande esforço vem sendo realizado para compreender o comportamento de dutos

submarinos apoiados sobre o leito marinho (BOLTON et al.,2004, VERLEY,2000), que

são extremamente dependentes da interação solo-duto.

Na realidade a reação lateral depende do processo cíclico de movimentação lateral que

tende a gerar a formação de valas no leito marinho (BOLTON et al.,2004), fazendo com

a reação do solo mude ao longo do tempo, conforme a vala é escavada pelo duto. A vala

pode ser formada durante o processo de lançamento do duto, ou durante a sua vida

operacional devido às oscilações induzidas por variações de temperatura e pressão,

assim como corrente marinha.

346

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A Figura 8.18 mostra um desenho esquemático de formação de uma vala após vários

ciclos de carregamento e descarregamento de temperatura e pressão. Ainda existe

bastante incerteza no processo de formação de valas no leito marinho, pois dependem de

vários fatores como peso submerso do duto, tipo de solo, carregamento imposto entre

outros (Capítulo 5). A vala formada é importante na interação solo-duto, pois altera a

curva de reação do solo. A vala formada tende a aumentar a reação lateral do solo

devido a acréscimo de resistência passiva gerada pelo solo atrás do duto.

Figura 8.18 – Vala formada por duto aquecido no leito marinho devido

às variações de temperatura e pressão.

A Figura 8.19 mostra o atrito lateral equivalente desenvolvido durante dois ciclos de

carregamento e descarregamento do duto. Observa-se no segundo ciclo um pequeno

acréscimo na reação lateral a partir do deslocamento máximo do ciclo anterior, quando

o duto alcança o solo deslocado fechando o “gap” existente, empurrando um pouco

mais o solo aumentando a vala formada. Após alguns ciclos o aumento na reação lateral

devido à formação da vala tende a estabilizar os deslocamentos do duto, como

observado na prática através de inspeções submarinas (CARR,2004i).

347

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Figura 8.19 – Atrito lateral equivalente versus deslocamento do duto durante

ciclos de carregamento e descarregamento de temperatura e pressão.

A vala formada pela movimentação do duto pode induzir valores de “coeficientes” de

atrito laterais bem mais elevados que os calculados, podendo alcançar valores de 3 a 10

vezes superiores ao máximo calculado (CARR,2004i). As Figuras 8.20 e 8.21 mostram

as curvas de atrito lateral equivalentes versus deslocamento para um ciclo de

carregamento N, superior aos que geraram as valas sobre o piso marinho.

Na Figura 8.20 é mostrada a reação passiva do solo atrás da vala formada a partir do

ponto em que o duto entra em contato com o solo mobilizando integralmente a

resistência do solo.

348

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Figura 8.20 – Atrito lateral equivalente versus deslocamento do duto durante

ciclo de carregamento N com deslocamento superior ao indutor da vala

mantendo resistência passiva do solo.

Na Figura 8.21 a resistência passiva do solo também é ativada quando o duto entra em

contato com o solo deslocado, porém neste caso o duto tende a subir pela vala

diminuindo novamente a reação lateral do solo.

349

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Figura 8.21 – Atrito lateral equivalente versus deslocamento do duto durante

ciclo de carregamento N com deslocamento superior ao indutor da vala

havendo redução da resistência passiva do solo.

Os modelos implementados no AEEPECD para a interação solo duto permitem verificar

o efeito da influência da vala sobre os deslocamentos e esforços existentes no duto,

assim como verificar o efeito de uma variação de temperatura e/ou pressão superiores

aos que geraram a vala, conforme será visto mais à frente nos resultados que serão

apresentados.

Como será visto neste capítulo a correta representação da interação solo-duto é

fundamental para avaliar corretamente o comportamento e os esforços atuantes em

dutos de modo geral e particularmente em dutos aquecidos submarinos, onde em geral

trabalha-se em regime não-linear físico-geométrico, onde pequenas variações nos

coeficientes atrito e modelos utilizados, representam grandes variações nos esforços

atuantes.

Para simular o comportamento de dutos aquecidos submetidos a vários ciclos de

aquecimento/pressurização e desaquecimento/depressurização, os modelos utilizados

para representar as reações axial e lateral do solo foram implementados no programa

AEEPECD, conforme descrito no Capítulo 5. Os modelos implementados permitem

350

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representar as reações do solo considerando carregamentos cíclicos impostos devido às

movimentações do duto.

Será dada atenção especial ao modelo utilizado para representar a reação do solo na

direção lateral, por ser o principal parâmetro de incerteza na determinação das

tensões/deformações existentes na região com flambagem termomecânica. A reação

axial é um parâmetro importante também, porém devido ao fato de serem utilizados

comprimentos de expansão térmica (CET), bem inferiores aos necessários para que o

solo restrinja axialmente o duto, torna-se importante apenas na definição da temperatura

de flambagem do duto que não é o objetivo do estudo que será realizado.

A Figura 8.22 mostra o modelo utilizado para a reação lateral do solo inicialmente

utilizada para representar a interação solo-duto com carregamentos e descarregamentos.

O modelo de solo mostrado na Figura 8.22, não representa a variação na reação lateral

devido a formação de valas sobre o leito marinho, conforme mostrado na Figura 8.18.

Este modelo tem como objetivo apresentar o complexo fenômeno de interação solo-duto

aquecido, para depois utilizar um modelo mais complexo contemplando a presença do

efeito de valas.

Figura 8.22 – Modelo utilizado para a curva de atrito lateral equivalente

versus deslocamento do duto sem a consideração de formação de vala (básico).

351

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A Figura 8.23 mostra o modelo utilizado para representar a reação lateral do solo para

representar a interação solo-duto considerando a formação de valas no piso marinho

descrito anteriormente.

Figura 8.23 – Modelo utilizado para a curva de atrito lateral equivalente

versus deslocamento do duto considerando a formação de vala

A tabela 8.7 fornece os pares de coeficientes de atrito laterais equivalentes utilizados

nas simulações numéricas do modelo de interação solo-duto básico (sem a presença de

valas submarinas). Os coeficientes mostrados na tabela 8.7, são multiplicados pelo atrito

lateral máximo (µL=1,05) obtido em 8.3. Desta forma o par 0,50/0,00 mostrado na

tabela 8.7, para a coluna P1, fornece os atritos laterais residuais primário

(µL1=0,50*1,05) e secundário (µL2=0,00*1,05). As demais células da tabela permitem

calcular os coeficientes de atritos laterais equivalentes para os demais casos de forma

semelhante. Em todos os casos foi utilizado um deslocamento de mobilização δdL igual

a 10 mm.

352

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Tabela 8.7 – Pares de coeficientes de atritos laterais

utilizados no modelo de solo sem vala

P1 P2 P3 P4 P5

0,50 / 0,00 0,75 / 0,00 1,00 / 0,00 1,25 / 0,00 1,50 / 0,00

0,50 / 0,50 0,75 / 0,50 1,00 / 0,50 1,25 / 0,50 1,50 / 0,50

------- ------- 1,00 / 1,00 1,25 / 1,00 1,50 / 1,00

A reação axial foi obtida integrando o perfil de resistência médio ao longo da área de

contato solo-duto, fornecendo um valor de 0.48 KN/m. Dividindo o valor da reação

axial máxima pelo peso submerso da linha durante a sua operação, obtém-se um

coeficiente de “atrito” axial igual a 0.38.

353

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8.4 MODELOS DE ELEMENTOS FINITOS

Na geração e visualização dos modelos de elementos finitos foi utilizado o programa

SIGMA 4.22 (AMARAL,1997c), utilizando uma interface especialmente desenvolvida

para as análises de dutos aquecidos, facilitando a importação de propriedades e

geometrias complexas. Para a realização das análises numéricas utilizou-se o simulador

AEEPECD com as rotinas especialmente desenvolvidas nesta tese para a análise de

dutos aquecidos.

A simulação do início do processo de flambagem termomecânica de dutos aquecidos é

de difícil previsão pois depende de uma série de fatores, tais como; geometria inicial,

interação solo-duto, esforços residuais de lançamento, entre outros. Como o objetivo

deste trabalho é verificar o efeito dos modelos de interação solo-duto nos estados limites

de deformação e fadiga, para temperaturas e pressões elevadas, o início do processo de

flambagem termomecânica não é de grande importância. A determinação do ponto de

início da flambagem termomecânica por envolver vários fatores de incerteza, requer um

estudo de confiabilidade específico, através de modelos probabilísticos (CARR,2004e),

que é um campo de pesquisa que vem sendo desenvolvido atualmente para garantir a

confiabilidade de técnicas de flambagem controlada.

Para simular as imperfeições iniciais devido ao processo de lançamento do duto, foi

construída uma geometria básica com uma imperfeição na região central do modelo

(Figura 8.24) de 0.1 m ao longo de 40 m (h/L=0.25%). Como a curvatura inicial real

devido ao processo de lançamento é desconhecida a priori, foi adotado neste trabalho

um raio de curvatura mínimo na região central da alça de deformação de

aproximadamente 860 m, compatível com os raios de curvatura definidos no item 8.2.

A simulação de dutos existentes pode ser feita utilizando equipamentos de alta

resolução capazes de medir a geometria do duto com precisão adequada para representar

a curvatura. Um exemplo disto foram as simulações termomecânicas realizadas para o

duto PE-2 que teve a sua geometria medida através um equipamento chamado “PIG”

geométrico (Geopig Caliper/Geometry Survey, 2003), mais recentemente foram

354

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realizados levantamentos de geometria de dutos na Bacia de Campos utilizando ROV de

alta precisão e AUV (CARDOSO,2004d).

Figura 8.24 – Geometria básica do modelo utilizado nas simulações numéricas

Na análise pelo método dos elementos finitos são consideradas as não-linearidades

físico e geométrico envolvidas, conforme descrito nos capítulos 2, 3 e 4. Nos modelos

analisados de um modo geral, não são consideradas as tensões iniciais induzidas durante

o processo de lançamento do duto, pois estas influenciam somente na determinação do

ponto de início do processo de flambagem termomecânica. A consideração da

relaxação do modelo devido as tensões residuais de lançamento podem ser consideradas

no modelo, pois foi implementado no AEEPECD, rotina especialmente desenvolvida

para este fim.

Para representar o duto são utilizados elementos sólidos bidimensionais quadráticos

através de um modelo equivalente (CARDOSO,2003) à seção do duto analisada. A

interação solo-duto é representada através de elementos de contato especiais conforme

descrito no capítulo 5. A discretização utilizada ao longo das análises mostradas neste

capítulo é de 1 m ao longo do eixo do duto, tanto para os elementos sólidos como para

os elementos de contato. Em algumas simulações também será utilizada uma

discretização de 0,2 m ao longo do eixo do duto, para captar de forma mais precisa a

concentrações de deformações no centro da alça de deformação.

355

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Os carregamentos devido às pressões externa/interna e variação de temperatura

conforme mostrados na tabela 8.4, são aplicados de forma incremental no modelo em

vários passos de carga (Tabela 8.8). Durante o processo de carregamento, inicialmente é

aplicada a pressão externa em todo o modelo no primeiro passo de carga simulando o

processo de lançamento do duto vazio. Neste incremento não é considerada a

deformação axial gerada no duto, contribuindo a pressão externa somente para o estado

de tensões na parede do duto. No segundo passo de carga, a pressão interna máxima

(Pi=27,87 MPa) é aplicada em incrementos iguais, em todo o modelo. No terceiro passo

de carga, a variação de temperatura é aplicada também em incrementos iguais até

alcançar a variação máxima de temperatura (∆θ=60 oC). Para representar o processo de

descarregamento parcial ou total, inicialmente é considerada a parada no bombeamento

retirando-se o acréscimo de pressão interna (∆Pi=20.68 MPa) no quarto passo de carga,

mantendo somente a pressão interna devido à coluna de óleo. No quinto incremento é

retirada a carga térmica total (∆θ=60 oC) ou parcial, completando um ciclo completo.

Os demais ciclos de carregamento e descarregamento seguem a mesma descrição

fornecida acima, sendo os tempos de análise mostrados na tabela 8.8, associados sempre

à variação de temperatura somadas em módulo durante a análise.

356

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Tabela 8.8 – Seqüência de aplicação do carregamento cíclico

de pressão e temperatura máximos no modelo de elementos finitos.

Sequência do Carregamento Tempo Análise

(Passo adicionando de pressão externa total)

Ciclo 1 – Passo 1: Pe

0 - 0

(Passo adicionando pressão interna total)

Ciclo 1 – Passo 2: Pe + Pi

0 - 0

(Passo adicionando variação de temperatura)

Ciclo 1 – Passo 3: Pe + Pi + ∆θ

0 - ∆θ

(Passo retirando pressão interna da bomba)

Ciclo 1 – Passo 4: Pe + (Pi - ∆Pi) + ∆θ

∆θ - ∆θ

(Passo retirando variação de temperatura)

Ciclo 1 – Passo 5: Pe + (Pi - ∆Pi)

∆θ - 2∆θ

(Passo adicionando pressão interna da bomba)

Ciclo 2 – Passo 1: Pe + Pi

2∆θ- 2∆θ

(Passo adicionando variação de temperatura)

Ciclo 2 – Passo 2: Pe + Pi + ∆θ

2∆θ- 3∆θ

(Passo retirando pressão interna da bomba)

Ciclo 2 – Passo 2: Pe + (Pi - ∆Pi) + ∆θ

3∆θ - 3∆θ

(Passo retirando variação de temperatura)

Ciclo 2 – Passo 2: Pe + (Pi - ∆Pi)

3∆θ - 4∆θ

Demais ciclos ..... .......

357

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A variação de temperatura e as pressões interna/externa são consideradas constantes ao

longo de todo o modelo, devido à sua baixa taxa de variação longitudinal para os

comprimentos de expansão térmica que serão analisados.

8.5 ESTADOS LIMITES CONSIDERADOS

8.5.1 FLAMBAGEM LOCAL DE PAREDE

Para a verificação do estado limite de flambagem local de parede é utilizada a

metodologia baseada em deformações admissíveis conforme discutido no capítulo 7. O

critério de verificação baseado em esforços solicitantes por ser muito conservador como

será mostrado não será utilizado.

A metodogia de cálculo baseado em deformações admissíveis será avaliada através da

expressão proposta pela norma DNV OS-F101, por ser a mais completa na consideração

dos principais fatores iniciadores do processo de flambagem local de parede.

Para sobrepressão interna a deformação axial crítica (DNV OS-F101,2000), é definida

como:

gwhye

c fDt

αασ

ε θ 5.12 5101.078.0 −

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+⎟⎟

⎞⎜⎜⎝

⎛−= (8.10)

Para se obter a máxima deformação axial de projeto, deve-se dividir a deformação axial

crítica pelo coeficiente de segurança de resistência a deformação γε, conforme mostrado

abaixo:

εγε

ε cd = (8.11)

358

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A deformação axial máxima de projeto se relaciona com a deformação obtida pelo

modelo de elementos finitos da seguinte forma:

cffd γγεε = (8.12)

ou, utilizando (8.12) em (8.13), temos que:

cf

cf γγγ

εε

ε

= (8.13)

onde fε é a deformação de flexão máxima admissível no duto.

O modelo de elementos finitos fornece a deformação axial total, que é composta por

uma parcela mecânica devido à flexão e outra devido a expansão térmica, sendo dada

por:

( )MEFfT θεεε += (8.14)

onde:

T∆= αεθ (8.15)

Para avaliar o estado limite de flambagem local de parede pode-se definir um parâmetro

adimensional para verificação da deformação axial máxima, da seguinte forma

( )

f

MEFfUCε

εε = (8.16)

359

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ou na sua forma expandida, utilizando as equações (8.13) e (8.14), tem-se:

( )

cf

c

MEFTUC

γγγεεε

ε

θε

−= (8.17)

A expressão (8.17) será utilizada ao longo deste capítulo na verificação do estado limite

de flambagem local de parede através do critério de deformação admissível

(“displacement controlled”), considerando a condição de variação de temperatura e

pressão máximas. O valor adimensional deverá sempre estar abaixo do valor unitário

para obedecer ao critério estabelecido por norma com os coeficientes de segurança

parciais, sendo chamado neste trabalho de check unitário de deformações.

Para sobrepressão externa a deformação axial máxima de projeto (DNV OS-

F101,2000), é definida como:

1

8,0

2≤

−+

⎟⎟⎟⎟

⎜⎜⎜⎜

msc

c

ie

c

d

ppp

γγγεε

ε

(8.18)

onde:

gwhe

c Dt ααε 5.12

2 01.078.0 −

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−= (8.19)

( )( )2

22

tD

fpppcppp eopelccelc =−− (8.20)

360

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sendo:

2

3

2

1

2

ν−

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

= eo

el

Dt

Ep ;

efabyp D

tfp 22 α= ;

eo D

DDf minmax −=

(8.21)

Seguindo as mesmas etapas feitas para sobrepressão interna, o adimensional para

verificar o estado limite de flambagem local de parede para sobrepressão externa

(pe>pi), pode ser definida como:

( )

⎟⎟⎟⎟

⎜⎜⎜⎜

⎛−

−=

msc

c

ie

cf

c

MEFT

ppp

UC

γγγγγ

ε

εε

ε

θε

12

2 (8.22)

A equação (8.22) será utilizada para verificar a condição de depressurização da linha.

Nesta condição o duto fica submetido a sobrepressão externa, porém ainda aquecido.

Verifica-se que a equação para o check adimensional de sobrepressão externa

diferencia-se em relação à com sobrepressão interna (8.17), pela presença de um termo

para consideração da pressão externa, e pela retirada do termo devido à pressão interna

no cálculo da deformação axial crítica.

Nos cálculos do estado limite de flambagem local, utiliza-se uma série de coeficientes

de segurança parciais que são função da classe de segurança desejada para o duto. Para

o tipo de duto analisado que transporta hidrocarbonetos em águas profundas, a

classificação usual é de classe de segurança normal (“normal safety class”), sendo os

coeficientes de segurança utilizados para verificação pelo critério de deformação

admissível (“displacement controlled”), fornecidos na tabela abaixo.

361

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Tabela 8.9 – Coeficientes de segurança parciais e fatores utilizados para

obter a deformação máxima admissível na condição carregamento

máximo e despressurização para “safety class normal” (DNV OS-F101)

Símbolo (Fator) Valor Símbolo (Coeficiente) Valor

αu 0,96 γf 1,10

αa 0,95 γc 1,07

αh 0,92 γε 2,6

αfab 1,00 γm 1,15

αgw 1,00 γsc 1,14

-------- --------- γp 1,05

Para a condição de carregamento máximo de temperatura e pressão pode-se obter a

deformação axial máxima admissível ( fε ) no modelo de cálculo, utilizando a expressão

(8.13). O termo referente a sobrepressão interna ( SMYSθσ5 ), será desconsiderado nas

verificações que serão feitas com os resultados do modelo de elementos finitos, por não

estar ainda amplamente validado (capítulo 7), e devido as variações na pressão de

bombeamento que ocorrem durante a operação do duto. Desta forma a máxima

deformação admissível no duto em estudo (Tabelas 8.1 e 8.2) após a aplicação dos

coeficientes de segurança parciais (tabela 8.9) é de 1,38%. Observa-se que para esta

deformação máxima na fibra comprimida, o duto encontra-se com praticamente toda a

seção transversal operando em regime plástico. Esta deformação só é possível devido à

baixa relação De/t do duto, que é uma característica particular de dutos submarinos

profundos, que necessitam suportar elevadas pressões externas e esforços de

lançamento.

362

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SMYSθσ5Caso seja utilizado o fator referente ao efeito da sobrepressão interna a

deformação axial máxima admissível fica em torno de 3,17%, que é cerca de 2,36 vezes

maior que o valor obtido sem a sua consideração.

Para a condição de carregamento máximo de temperatura e depressurização do duto

pode-se obter a deformação axial máxima admissível ( fε ) no modelo de cálculo,

utilizando o denominador da expressão (8.22). Quando o bombeamento é interrompido

repentinamente pode-se ter dois casos. No primeiro caso o duto fica submetido a uma

sobrepressão externa dada pela diferença entre a coluna de água do mar e do óleo,

conforme pode ser visto na Figura 8.7 (cerca de 0,93 MPa). Num segundo caso possível

e mais crítico, o duto fica apenas parcialmente preenchido de óleo, estando submetido á

uma sobrepressão externa devido a coluna da água do mar sem a presença da coluna de

óleo. Na verificação do estado limite de flambagem local para sobrepressão externa será

utilizada a deformação axial máxima admissível para o segundo caso por ser mais

crítico.

A deformação admissível máxima para a condição de despressurização com o duto

aquecido, após a aplicação dos coeficientes de segurança parciais (tabela 8.9) , e sem

considerar pressão interna da coluna de óleo é de aproximadamente 0,98%

(sobrepressão externa de 8,12 MPa). Caso seja considerado que o duto permaneça

integralmente cheio de óleo após a sua despressurização (sobrepressão externa de 0,93

MPa), a deformação axial admissível passa para cerca 1,34%, sendo bem próxima da

obtida para condição de carregamento máximo sem a consideração do efeito da pressão

interna.

Observa-se que as deformações axiais máximas no duto podem alcançar valores bem

elevados sem comprometer a sua integridade estrutural para o estado limite de

flambagem local de parede. Na análise dos resultados que serão mostrados mais à frente

serão utilizadas as deformações axiais máxima para o carregamento máximo (1,38%) e

despressurização (0,98%) sem o efeito da pressão interna. As deformações axiais

admissíveis máximas calculadas serão utilizadas em conjuntos com os valores obtidos

pelos modelos de elementos finitos analisados para verificar o estado limite de

363

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flambagem local de parede, utilizando-se os adimensionais fornecidos nas expressões

(8.18) e (8.23).

8.5.2 FADIGA (TERMOMECÂNICA)

Para verificar o estado limite de fadiga devido aos ciclos de aquecimento/pressurização

e desaquecimento/despressurização é necessário calcular a variação de tensão axial

máxima de cada bloco de tensão significativo existente ao longo da vida útil do duto. A

fadiga em dutos aquecidos em geral é de baixo ciclo, por ter um número de ciclos bem

inferior aos geralmente utilizados quando se utilizam às curvas de fadiga SN.

Como discutido no item referente à fadiga no Capítulo 7, pode-se utilizar as curvas SN

usuais para fadiga de alto ciclo, desde que se limite o valor máximo da variação de

tensão axial, evitando-se a ocorrência do efeito de Bauschinger e conseqüentemente

acúmulo de deformações plásticas (“ratheching”).

A norma BS 7608 limita a variação máxima de tensão a ser utilizada nas curvas SN (por

ela fornecida), em 1.6SMYS. A norma DNV RP-C203 utilizada neste trabalho na

verificação do estado limite de fadiga é omissa neste ponto não fornecendo qualquer

informação sobre a variação máxima de tensão que pode ser utilizada na aplicação das

curvas SN para o cálculo da fadiga.

A limitação da variação de tensão axial máxima para evitar o efeito de Bauschinger já

descrita (capítulo 7), é fornecida novamente abaixo:

2

4312 ⎟

⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−≤∆

yBc f

σσ

σ θ (8.23)

364

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Onde o fator utilizado para medir o efeito de Bauschinger, que deve ser medido

experimentalmente, será adotado igual a 0,8 neste trabalho (CARR, 2001g).

A verificação de fadiga baseando-se nas curvas SN, é feita calculando-se o dano

acumulado a partir da fórmula de Palmgren-Miner

Bf

( )fatD . Na análise dos resultados que

serão mostrados mais a frente, utiliza-se um adimensional de fadiga (check unitário),

dividindo-se o dano acumulado pelo dano máximo admissível (função da classificação

dada ao duto DNV OS-F101), conforme mostrado abaixo:

fat

fatfad

DUC

α= (8.24)

Para a seção do duto analisada neste capítulo (Figura 8.1) como estudo de caso serão

analisados dois carregamentos típicos para a verificação de fadiga.

No primeiro caso será verificado o estado limite de fadiga para as condições de

carregamento e descarregamento máximos existentes (“shutdown” completo), seguindo

os passos de carregamento fornecidos na tabela 8.8. Será considerado um ciclo

completo de carregamento e descarregamento por semestre para uma vida útil do duto

de 30 anos, totalizando 60 ciclos completos.

No segundo caso será verificado o estado limite de fadiga para as condições de

carregamento máximo e descarregamento parcial, seguindo os passos fornecidos na

tabela 8.8, alterando-se apenas o descarregamento da temperatura, que será de 20% do

seu valor máximo (12oC). Será considerado um ciclo completo de carregamento com

descarregamentos parciais por semana para uma vida útil do duto de 30 anos,

totalizando 1440 ciclos completos.

Como o duto possui revestimento de isolamento anti-corrosivo e térmico, foram

consideradas as curvas de fadiga (DNV RP-C203) no ar, considerando o revestimento

com alto grau de integridade durante a vida útil do duto. Caso o duto perca a integridade

do revestimento, a vida a fadiga é severamente afetada devendo-se utilizar curvas de

365

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fadiga na água do mar, para a verificação de fadiga na parte externa da solda, o que

diminui a vida a fadiga de 2 a três vezes em relação à verificada no ar. Para a

verificação de vida a fadiga na parte interna da solda os cálculos realizados permanecem

os mesmos, desde que o fluído transportado não contenha substâncias que tornem o

meio agressivo, conforme descrito no item 7.2.1.4.

Para a seção do duto analisado, a condição de fadiga mais crítica, considerando que o

revestimento mantenha sua integridade ocorre no ponto interno da solda (“weld root”).

Desta forma considerando um desalinhamento máximo na solda de 2 mm, a curva de

fadiga mais crítica é a F1, que será utilizada neste capítulo para verificar a fadiga

termomecânica do duto.

É interessante observar que o número de ciclos avaliados neste capítulo (máximo de

1440), não aparece nas curvas de fadiga fornecidas nas normas, pois estas são feitas em

geral para fadiga de alto ciclo começando com 10000 ciclos. Entretanto, pode-se utilizar

diretamente as equações das curvas de fadiga na extrapolação para o número de ciclos

desejado, desde que se limite a variação máxima da tensão axial conforme a equação

(8.24).

Para o carregamento máximo na seção do duto analisada (tabelas 8.1, 8.2 e 8.4), pode-se

calcular a variação máxima da tensão axial utilizando (8.23), que resulta num valor em

torno de 700 MPa, sendo este o limite máximo para a variação da tensão axial para que

os resultados utilizando as curvas SN sejam válidos.

366

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8.6 DUTO SOBRE O PISO MARINHO

Dutos lançados sobre o piso marinho possuem imperfeições naturais devido ao processo

de lançamento e batimetria do fundo do mar ao longo de sua rota. Caso sejam

submetidos a altas temperaturas e pressões, o esforço axial de compressão induzido pela

reação axial do solo, combinado às imperfeições existentes, induzirão o processo de

flambagem termomecânica em vários pontos ao longo de sua rota (Figura 8.25). Os

pontos onde ocorrerão as flambagens termomecânicas são de difícil previsão, pois

dependem de vários fatores tais como interação solo-duto, vãos-livres, imperfeições

laterais e verticais, entre outros que inserem várias incertezas no modelo.

Figura 8.25 – Flambagems termomecânicas para duto apoiado

sobre o piso marinho, e comprimentos de expansão térmica de cada alça

Devido à dificuldade para determinar a posição dos pontos que irão sofrer flambagem

termomecânica em dutos submarinos, em geral é feita uma avaliação inicial

conservativa dos esforços atuantes, considerando o máximo comprimento de expansão

térmica da alça, que é dada pela capacidade do atrito axial no contato solo-duto de

ancorar os deslocamentos axiais devido à expansão térmica.

367

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A Figura 8.26 mostra novamente o perfil de esforço axial efetivo ao longo do duto

analisado para a variação máxima de temperatura e pressão. A avaliação do

comprimento de expansão térmica é feita através de soluções analíticas fechadas

(ANEXO D), que permitem calcular o esforço axial efetivo na alça de deformação após

a flambagem, sendo o comprimento de expansão térmico (CET) dado pelo comprimento

necessário para o atrito axial ancorar o duto.

Figura 8.26 – Comprimento de expansão térmica (CET) máximo trecho de duto

analisado (seção 2) para as variações máxima de pressão e temperatura.

No acaso analisado supondo um flambagem isolada no meio da seção analisada, o

comprimento de expansão térmica poderia alcançar valores próximos a 11 KM.

Verifica-se na realidade que comprimentos como este são exagerados e irreais, visto que

o duto irá ter varias locações com imperfeições iniciais em sua geometria. Na Figura

8.26 também são mostradas as cargas críticas para flambagem lateral, para dois

coeficientes de atrito lateral, utilizando o modelo de Hobbs (HOBBS,1981/1989) para

dutos retos, mostrando que praticamente todo o duto esta sujeito a flambagem

termomecânica. Caso sejam utilizadas expressões como (8.9), que considerem o efeito

da curvatura, as cargas mostradas tendem a ser ainda menores.

368

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Os comprimentos de expansão térmica da ordem do mostrado na Figura 8.26, para o

nível de carregamento existente e coeficientes de atrito obtidos no item 8.1.3, tornam a

flambagem termomecânica em dutos submarinos um grande problema para a sua

integridade estrutural, como será visto adiante.

8.6.1 VALIDAÇÃO DO MODELO NUMÉRICO

Antes de avaliar os estados limites para dutos aquecidos utilizando os modelos

implementados, serão feitas algumas comparações entre os resultados obtidos entre com

o simulador AEEPECD objeto desta tese e o simulador ABAQUS, utilizado nas

validações ao longo deste trabalho.

O modelo analisado neste item, possui CET=2000m e os dados do duto e carregamento

utilizados são definidos nas tabelas 8.1, 8.2 e 8.4. A geometria utilizada nos modelos

numéricos é mostrada na Figura 8.22. Na representação da interação solo-duto utiliza-se

um modelo plástico-perfeito com coeficientes de atrito axial e lateral de 0,38 e 1,05

respectivamente.

O fenômeno de flambagem termomecânica de dutos aquecidos por envolver não-

linearidades físico-geométrica, é de difícil comparação com modelos analíticos que

possuem uma série de simplificações na obtenção de suas equações.

O modelo analítico mais conhecido para a análise do fenômeno de flambagem em dutos

aquecidos foi desenvolvido por HOBBS (1981,1989), possuindo uma série de hipóteses

simplificadoras. Porém como será visto é de grande utilidade para uma avaliação inicial

de flambagem termomecânica. O modelo analítico de Hobbs esta detalhado no ANEXO

D, incorporando em suas equações uma modificação para considerar o efeito da pressão

interna conforme descrito no capítulo 6. Serão utilizados os modelos de Hobbs com

comprimento infinito (HOBBS,1981) e limitado (HOBBS,1989), onde o comprimento

de expansão térmica (CET), pode ser definido. As principais hipóteses simplificadoras

do método de Hobbs estão explicadas no ANEXO D, porém a principal limitação do

369

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modelo, pois influencia diretamente nas comparações que serão feitas, é que o material

do duto é considerado como elástico, que é uma grande limitação do modelo como será

visto.

Inicialmente serão mostrados resultados de comparações do modelo numérico do

AEEPECD considerando o material do duto elástico com a solução analítica, para

comparar ambos os resultados com as hipóteses mais semelhantes possíveis. Depois

serão comparados os resultados analíticos com os numéricos considerando a

plasticidade do material do duto. A título de informação serão mostrados os resultados

do modelo de Hobbs infinito.

A Figura 8.28 mostra a deformada para o carregamento máximo de temperatura e

pressão. O modelo de Hobbs limitado (CET=2000 m) apresenta uma diferença

significativa em relação ao resultado numérico, provavelmente devido ao histórico de

solicitação não linear imposto ao elemento de solo, e também pelo fato das equações do

modelo analítico serem válidas apenas para pequenas rotações.

Figura 8.28 – Comparação entre os deslocamentos laterais ao longo do duto obtidos

com as soluções analítica e numérica (elástica), para ∆θ=60 oC e Pi=27,87 MPa

370

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Nas Figuras 8.29 e 8.30 são mostradas as deformações axiais e tensões de von Mises ao

longo do duto para o carregamento máximo de temperatura e pressão, podendo-se

observar novamente uma certa diferença entre o modelo numérico (AEEPECD com

duto elástico), principalmente para a tensão de von Mises.

Figura 8.29 – Comparação entre as deformações axiais ao longo do duto obtidas com as

soluções analítica e numérica (elástica), para ∆θ=60 oC e Pi=27,87 MPa.

371

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Figura 8.30 – Comparação entre as tensões de von Mises ao longo do duto obtidas com

as soluções analítica e numérica (elástica), para ∆θ=60 oC e Pi=27,87 MPa.

A Figura 8.31 mostra a deformada para o carregamento máximo de temperatura e

pressão, nos modelos numéricos (AEEPECD duto com plasticidade) e analítico de

Hobbs limitado (CET=2000 m). Verifica-se novamente uma diferença significativa

entre os resultados numéricos e analíticos, pelos mesmos motivos dados anteriormente

acrescidos do efeito da plasticidade no material do duto.

372

Page 386: CENTRO DE PESQUISAS E DESENVOLVIMENTO … para anÁlise e projeto de dutos submarinos submetidos a altas pressÕes e temperaturas via aplicaÇÃo do mÉtodo dos elementos finitos

Figura 8.31 – Comparação entre os deslocamentos laterais ao longo do duto obtidos

com as soluções analítica e numérica (elasto-plástica), para ∆θ=60 oC e Pi=27,87 MPa.

Nas Figuras 8.32 e 8.33 são mostradas as deformações axiais e tensões de von Mises ao

longo do duto para o carregamento máximo de temperatura e pressão, podendo-se

observar a concentração de deformações na região central da alça devido a plastificação

da seção do duto.

373

Page 387: CENTRO DE PESQUISAS E DESENVOLVIMENTO … para anÁlise e projeto de dutos submarinos submetidos a altas pressÕes e temperaturas via aplicaÇÃo do mÉtodo dos elementos finitos

Figura 8.32 – Comparação entre as deformações axiais ao longo do duto, obtidas com as

soluções analítica e numérica (elasto-plástica), para ∆θ=60 oC e Pi=27,87 MPa,

Figura 8.33 – Comparação entre as tensões de von Mises ao longo do duto com as

soluções analítica e numérica (elasto-plástica), para ∆θ=60 oC e Pi=27,87 MPa

374

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Os resultados comparando as soluções analítica (Hobbs) e numérica (AEEPECD),

mostram que a primeira fornece resultados mais elevados para o caso do duto elástico,

porém apresentando variações relativamente grandes, porém aceitáveis do ponto de

vista de engenharia numa avaliação inicial. A inserção do efeito da plasticidade do

material do duto modifica pouco o comportamento global do duto (deformada), porém

concentra as deformações no ponto mais solicitado do modelo, devido a plastificação do

material.

Nas simulações numéricas mostradas acima foi utilizado um refinamento na direção

axial de 1 metro, suficiente para representar a curvatura global do duto durante o

processo de flambagem. Quando o nível de plastificação for muito elevado, o

refinamento da malha deve ser menor para capturar o pico de deformação de forma

precisa.

A seguir serão comparados os resultados obtidos com os simuladores AEEPECD e

ABAQUS, para o mesmo modelo apresentado acima com CET=2000 m. No AEEPECD

são utilizados elementos de contínuo equivalentes para representar o duto e elementos

de contato nas faces para modelar a interação com o solo. O elemento de contato

representa a interação com o solo de forma contínua conforme mostrado no capítulo 5.

O modelo utilizado no ABAQUS considera elementos de PIPE para representar o duto,

e molas elastoplásticas concentradas aplicadas aos nós do modelo.

A figura 8.34 mostra a deformada do modelo do AEEPECD após uma análise de

flambagem termomecânica, onde podem ser visualizados os elementos utilizados para

representar o duto e o solo. A Figura 8.35 mostra o modelo de elementos finitos

utilizado no ABAQUS para representar o duto (viga com seção do tipo “PIPE”) e o solo

(molas elastoplásticas).

375

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Figura 8.34 – Malha de elementos finitos mostrando deformada e elementos

de contínuo (duto) e contato nas faces laterais (solo) utilizado no modelo do AEEPECD

Figura 8.35 – Malha de elementos finitos mostrando elementos

de mola (solo) e de pipe (duto) utilizado no modelo do ABAQUS

376

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Foram comparados inicialmente os modelos do AEEPECD e ABAQUS, utilizando uma

malha com discretização de metro em metro na direção axial. O modelo do ABAQUS

considera o coeficiente de atrito lateral igual tanto no carregamento como

descarregamento do elemento de solo, já no modelo do AEEPECD a curva de reação

do solo pode ser fornecida de forma mais genérica, considerando diferentes valores

durante o carregamento e descarregamento do solo (Figura 8.22). Foram gerados dois

modelos no AEEPECD; o primeiro considerando o atrito lateral nulo durante o

descarregamento do elemento de solo (µL2=0,00), e o segundo considerando o atrito

durante o descarregamento igual ao do carregamento (µL2=1,05), como no ABAQUS.

A Figura 8.36 mostra a deformada para o carregamento máximo de temperatura e

pressão, nos modelos do AEEPECD e ABAQUS. O modelo do AEEPECD com

µL2=1,05, forneceu como era de se esperar um bom resultado comparado ao modelo do

ABAQUS, verificando-se apenas uma certa diferença na alça de deformação secundária.

É interessante observar o efeito do coeficiente de atrito secundário (descarregamento),

mesmo para uma simulação de carregamento de temperatura e pressão. Isto ocorre

devido ao processo de abertura da alça de deformação central durante o processo de

flambagem, que causa uma inversão do carregamento existente sobre os elementos de

solo na região entre a alça de deformação central e secundária.

377

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Figura 8.36 – Comparação entre os deslocamentos laterais ao longo do duto

obtidos com AEEPECD e ABAQUS, para ∆θ=60 oC e Pi=27,87 MPa.

A Figura 8.37 mostra a tensão de von Mises ao longo do duto para o carregamento

máximo de temperatura e pressão. Observa-se uma boa aderência entre os resultados,

havendo uma certa diferença nas alças secundárias devido a diferença de curvatura

observada na Figura 8.36.

A Figura 8.38 mostra reação lateral do solo por metro ao longo do duto para o

carregamento máximo de temperatura e pressão. A reação lateral do solo obtida com o

AEEPECD mostrada utilizou µL2=1,05. Observa-se novamente boa aderência entre os

resultados, ocorrendo alguma discrepância somente nas alças secundárias. A reação

lateral do AEEPECD é plotada nas faces laterais do duto (superior e inferior), pois são

considerados elementos de contato em cada face do modelo.

378

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Figura 8.37 – Comparação entre as tensões de von Mises ao longo do duto

obtidos com AEEPECD e ABAQUS, para ∆θ=60 oC e Pi=27,87 MPa

Figura 8.38 – Comparação entre reações laterais de solo ao longo do duto

obtidos com AEEPECD (µL2=1,05) e ABAQUS, para ∆θ=60 oC e Pi=27,87 MPa.

379

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Para verificar a diferença existente na alça secundária entre os modelos do AEEPECD e

ABAQUS, foi gerado um modelo mais refinado, considerando uma discretização axial

de 0,2 m nos primeiros duzentos metros do modelo a partir do eixo de simetria.

A Figura 8.39 mostra a deformada para o carregamento máximo de temperatura e

pressão, nos modelos do AEEPECD com 1 e 0,2 metros e ABAQUS com 0,2 metros.

Com a nova discretização adotada verificou-se uma ótima aderência entre os resultados

obtidos com os dois simuladores. Observa-se também que os resultados obtidos com o

AEEPECD, foram praticamente os mesmos tanto para a discretização de 1 m como de

0,2 m. Tal fato deve-se ao elemento de contato que representa a reação do solo de forma

distribuída (CAPÍTULO 5).

Figura 8.39 – Deslocamentos laterais ao longo do duto obtidos com AEEPECD e

ABAQUS, para ∆θ=60 oC e Pi=27,87 MPa, com discretização 0,2 e 1,0 m.

As Figuras 8.40, 8.41 e 8.42 mostram a tensão de Von Mises, deformação axial e reação

lateral por metro, observando-se novamente uma aderência bem melhor entre os

resultados dos dois simuladores, que a verificada anteriormente para a discretização na

direção axial de 1 metro.

380

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Figura 8.40 – Tensões de von Mises ao longo do duto obtidos com AEEPECD e

ABAQUS, para ∆θ=60 oC e Pi=27,87 MPa, com discretização de 0,2 e 1,0 m.

Figura 8.41 – Deformação axial ao longo do duto obtidos com AEEPECD (µL2=1,05) e

ABAQUS, para ∆θ=60 oC e Pi=27,87 MPa, utilizando malha com 0,2 m.

381

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Figura 8.42 – Reações laterais de solo ao longo do duto obtidos com AEEPECD

(µL2=1,05) e ABAQUS, para ∆θ=60 oC e Pi=27,87 MPa, utilizando malha com 0,2 m.

382

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8.6.2 DETERMINAÇÃO DO COMPRIMENTO DE EXPANSÃO TÉRMICO (CET) MÁXIMO

Conforme explicado anteriormente, comprimentos de expansão térmica muito elevados,

como o mostrado na Figura 8.27, podem por em risco a operação de dutos submetidos à

flambagem termomecânica.

Desta forma inicialmente é avaliado utilizando o simulador AEEPECD com modelos de

diferentes extensões, qual o comprimento de expansão térmica (CET) máximo aceitável

em uma alça de deformação após a flambagem termomecânica no caso de estudo

analisado.

Foram selecionados a partir de análises preliminares comprimentos de expansão térmica

de 1000, 2000 e 3000 m. O comprimento máximo de expansão térmica (CET) será

definido utilizando o critério de deformações admissíveis, conforme descrito no item

8.3.1.1, para diferentes coeficientes de atritos laterais na condição máxima de

carregamento.

A Figura 8.43 mostra o check unitário para o estado limite de flambagem local na

condição de carregamento máximo de pressurização e temperatura, conforme descrito

no item 8.3.1.1, em função dos coeficientes de atrito laterais para 60 oC de variação de

temperatura nos modelos analisados. Observa-se que o CET máximo, para o coeficiente

de atrito lateral de 1,05 (máximo calculado no item 8.3), é de aproximadamente 2000 m.

Utilizando o critério de esforços solicitantes (classe de segurança normal DNV OS F-

101) associado ao método de Hobbs limitado (ANEXO D), pode-se determinar o CET

máximo do duto em função do atrito lateral para a condição de operação máxima do

duto. A Figura 8.43 mostra que para o coeficiente de atrito lateral de 1,05 o CET

máximo é de aproximadamente 250 m, utilizando o critério de esforços solicitantes

contra de 2100 m para o critério de deformações, mostrando os ganhos da utilização de

uma metodologia em relação à outra. Apesar de haver ganhos significativos com a

utilização do critério de deformação admissível, o valor do CET máximo ainda é bem

inferior ao CET máximo possível mostrado na Figura 8.27 (11000 m).

383

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Figura 8.43 – CET máximo (∆θ=60 oC e Pi=27,87 MPa), para diferentes

atritos laterais, considerando Check unitário=1, para os critérios de

deformação e esforços solicitantes (DNV OS-F101).

A utilização de dutos submarinos aquecidos em águas profundas, esta se tornando cada

vez mais comum, devido às recentes descobertas de óleos “pesados”. Para resolver este

problema a indústria offshore mundial esta estudando alternativas que permitam atenuar

os efeitos causados pela flambagem termomecânica. Como em águas profundas é

economicamente e as vezes até tecnicamente inviável enterrar o duto, as soluções que

estão em fase incipiente de utilização visam limitar o CET do duto e o coeficiente de

atrito lateral, para que ocorram uma série de flambagens chamadas de controladas

possibilitando a utilização de dutos submarinos para escoamento de produtos aquecidos.

Mesmo utilizando soluções para controlar a flambagem termomecânica os valores de

CET obtidos com critérios que excluam a possibilidade de plastificação do duto, são

muito baixos sendo inviáveis na prática.

384

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8.6.3 SIMULAÇÃO DO COMPORTAMENTO ESTRUTURAL DE DUTOS AQUECIDOS SUBMETIDOS A CARREGAMENTOS CÍCLICOS

Neste item será avaliado o comportamento estrutural do duto analisado submetido à

carregamentos cíclicos de temperatura e pressão. Será verificado com os modelos

implementados no AEEPECD, o comportamento estrutural do duto para os estados

limites de flambagem local e fadiga considerando um CET de 2000 m. Os dados

utilizados são os mesmos dos itens anteriores fornecidos nas tabelas 8.1, 8.2 e 8.3.

8.6.3.1 SIMULAÇÃO DA CONDIÇÃO DE PARADA TOTAL – MODELO “BÁSICO”

Neste item será avaliado o comportamento estrutural do duto analisado para 10 ciclos de

carregamentos e descarregamentos completos, ou seja para as condições máximas e

mínimas de carregamento de temperatura e pressão, conforme descrito na tabela 8.8.

Inicialmente será avaliado o comportamento estrutural da seção de duto estudada

(Figura 8.1), para um modelo de interação solo-duto, considerando o solo com

comportamento plástico perfeito, conforme mostrado na Figura 8.22. Nas análises

realizadas é variado o coeficiente de atrito lateral máximo (µL=1,05) calculado no item

8.3. O elemento de solo utilizado no AEEPECD permite considerar uma curva de

interação solo-duto bem genérica, avaliando-se inicialmente o efeito de coeficientes de

atrito diferenciados durante o carregamento e descarregamento, e seus efeitos nos

resultados obtidos.

385

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A Figura 8.44 mostra a evolução do deslocamento lateral no ponto central da alça de

deformação, considerando µL1=1,05 e µL2=1,05*(0, 0,5 e 1,0). Observa-se claramente o

efeito do coeficiente de atrito lateral secundário (µL2) na evolução do deslocamento do

duto. No modelo com coeficiente de atrito secundário nulo, o duto apresenta um

comportamento bem mais estável em relação aos modelos com este coeficiente de atrito

diferente de zero, onde o deslocamento apresenta tendência de crescimento muito

acentuada ao longo dos ciclos de carregamento e descarregamento.

Figura 8.44 – Deslocamento no ponto central da alça para 10 ciclos completos

de ∆θ=60 oC e ∆P=20,68 MPa, para µL1=1,00*1,05 e µL2 variável.

A Figura 8.45 mostra a evolução do deslocamento lateral no ponto central da alça de

deformação, considerando µL1=1,50 e µL2=1,05*(0, 0,5 e 1,0). Neste caso o duto

apresenta um comportamento estável para todos os caso analisados.

386

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Figura 8.45 – Deslocamento no ponto central da alça para 10 ciclos completos

de ∆θ=60 oC e ∆P=20,68 MPa, para µL1=1,50*1,05 e µL2 variável.

As Figuras 8.46 e 8.47 mostram a deformada do duto para a condição de carregamento

máxima nos ciclos 1, 5 e 10, considerando respectivamente µL1=1,05/µL2=0,00 e

µL1=1,05/µL2=1,05. Pode-se observar que com o atrito secundário nulo a alça de

deformação evolui aumentando o vão principal, porém mantendo o modo 3 de

flambagem. Já no caso com os atritos principal e secundário iguais, observa-se que a

alça de deformação principal tende a “abrir” de forma bem mais acentuada, evoluindo

para um modo 1 de flambagem, devido a restrição imposta ao movimento do duto

durante o descarregamento de temperatura e pressão.

387

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Figura 8.46 – Deformada do duto durante 10 ciclos para carregamento

máximo ∆θ=60 oC e Pi=27.87 MPa, para µL1=1,00*1,05 e µL2 =0,00.

Figura 8.47 – Deformada do duto durante 10 ciclos para carregamento

máximo ∆θ=60 oC e Pi=27.87 MPa, para µL1=1,00*1,05 e µL2 =1,00*1,05.

388

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As Figuras 8.48 e 8.49 mostram a deformação axial ao longo do duto para a condição de

carregamento máxima nos ciclos 1, 5 e 10, considerando respectivamente

µL1=1,05/µL2=0,00 e µL1=1,05/µL2=1,05. Pode-se observar um relaxamento da

deformação axial em ambos os casos ao longo da alça. No centro da alça o pico de

deformação também sofre um relaxamento, porém relativamente pequeno devido ao

elevado nível de plastificação.

Figura 8.48 – Deformação axial ao longo do duto durante 10 ciclos para carregamento

máximo ∆θ=60 oC e Pi=27.87 MPa, para µL1=1,00*1,05 e µL2 =0,00.

389

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Figura 8.49 – Deformação axial ao longo do duto durante 10 ciclos para carregamento

máximo ∆θ=60 oC e Pi=27.87 MPa, para µL1=1,00*1,05 e µL2 =1,00*1,05.

A Figura 8.50 mostra a deformação axial na fibra comprimida no centro da alça de

deformação considerando µL1=1,05 e µL2 variável. Pode-se observar um pequeno

relaxamento da deformação axial conforme comentado acima. Porém o mais importante

é verificar o efeito do coeficiente de atrito secundário no pico de deformação para a

condição de carregamento máximo. Verifica-se uma diferença de até 25% entre o

modelo sem atrito secundário e com atrito principal e secundário iguais.

390

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Figura 8.50 – Deformação axial durante 10 ciclos completos

de ∆θ=60 oC e ∆P=20,68 MPa, para µL1=1,00*1,05 e µL2 variável.

A Figura 8.51 mostra o “check” unitário de deformação (item 8.5.1) no centro da alça

de deformação, considerando µL1=1,05 e µL2 variável. O adimensional de deformação é

verificado para as condições de carregamento máximo (temperatura e pressão) e para a

condição de despressurização da linha. Observa-se que a condição de despressurização é

mais crítica, já que a deformação axial durante a despressurização da linha cai pouco em

relação à condição de carregamento máxima.

A Figura 8.52 mostra o “check” unitário de deformação (item 8.5.1) no centro da alça

de deformação, considerando µL1 e µL2 variáveis no primeiro ciclo para os

carregamentos máximos de temperatura e pressão.

391

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Figura 8.51 – Check unitário (deformação) durante 10 ciclos completos

de ∆θ=60 oC e ∆P=20,68 MPa, para µL1=1,00*1,05 e µL2 variável.

Figura 8.52 – Check unitário (deformação) para o carregamento máximo

do ciclo 1 ∆θ=60 oC e Pi=27.87 MPa, para µL1 e µL2 variáveis.

392

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Os resultados considerando atritos laterais diferentes durante o carregamento e

descarregamento do elemento de solo, mostram sua importância na determinação da

evolução da deformada do duto ao longo de vários ciclos de carregamento e

descarregamento. O modelo considerando atrito lateral durante o descarregamento

fornece resultados incompatíveis com os verificados na realidade, pois o deslocamento

lateral do duto tende a se estabilizar em poucos ciclos (CARR,2004f) devido ao

processo de formação de valas submarinas no leito marinho escavadas pelo duto durante

o processo de ciclagem. As reações de solo podem alcançar valores bem superiores aos

avaliados até aqui (BOLTON et al.,2004), quando o duto entra em contato com o solo

deslocado que forma a vala no piso marinho.

Mais a frente será avaliado o efeito das valas escavadas no piso marinho no

comportamento estrutural de dutos aquecidos submetidos à carregamentos cíclicos de

temperatura e pressão.

A Figura 8.53 mostra a tensão axial no ponto mais crítico da alça de deformação,

considerando µL1=1,00*1,05 e µL2 variável, podendo-se observar o “relaxamento” da

tensão ao longo dos ciclos de carregamento e descarregamento. Observa-se a elevada

variação de tensão axial gerada pela variação de temperatura e pressão no duto, mesmo

limitando o CET do duto em 2000 m.

A Figura 8.54 mostra para os modelos simulados, a variação de tensão axial no ponto

mais crítico da alça de deformação, considerando µL1 e µL2 variáveis, podendo-se

observar o que o modelo sem atrito forneceu variação de tensão mais elevada no

primeiro ciclo. Para evitar o efeito de Bauschinger (Capítulo 4), a variação máxima de

tensão axial deve ser limitada. Utilizando a expressão (8.24), obtêm-se cerca de 700

MPa para a variação máxima de tensão axial. Para as condições de carregamento e CET

analisados neste estudo, a variação de tensão axial máxima é alcançada para o

coeficiente de atrito lateral em torno de 1,2.

393

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Figura 8.53 – Tensão axial durante 10 ciclos com descarregamento completo

de ∆θ=60 oC e ∆P=20,68 MPa, para µL1=1,00*1,05 e µL2 variável.

Figura 8.54 – Variação de tensão no ciclo 1 devido ao descarregamento

completo de ∆θ=60 oC e ∆P=20,68 MPa, para µL1 e µL2 variáveis.

394

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A Figura 8.55 mostra para os modelos simulados, o “check” unitário para verificação de

fadiga conforme mostrado no item 8.3.1.2, considerando µL1 e µL2 variáveis. Verifica-se

que para a condição de carregamento e CET avaliados, os ciclos de carregamento e

descarregamento de temperatura e pressão consomem no máximo cerca de 16% da vida

à fadiga do duto para µL1=1,05. É interessante observar o efeito do coeficiente de atrito

lateral secundário, que fornece resultados variando de 20 a 40% em relação à simulação

considerando este igual a zero.

Figura 8.55 – Check unitário (fadiga n=60) no ciclo 1 devido ao descarregamento

completo de ∆θ=60 oC e ∆P=20,68 MPa, para µL1 e µL2 variáveis.

Por tratar-se de um duto submarino de exportação, o número de paradas tende a ser o

menor possível para não gerar uma paralização na produção. O número de ciclos com

descarregamentos completos é relativamente pequeno (60 ciclos), caso o número de

ciclos aumente, dobrando por exemplo, a vida a fadiga decairá na mesma proporção

dobrando o “check” unitário de fadiga (expressão 8.25). Em casos onde o número de

ciclos seja mais elevado a fadiga pode ser um estado limite crítico no dimensionamento.

395

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No cálculo da vida à fadiga foram consideradas as curvas SN no ar, sendo a curva F1 a

mais crítica no caso analisado (item 8.3.1.2). Caso o óleo transportado seja contaminado

por água marinha deve-se utilizar as curvas SN em ambiente marinho, o que em geral

fornece uma vida à fadiga de 2 a 3 vezes menor que no ar.

A Figura 8.56 mostra o “check” unitário de fadiga para µL1 e µL2 variáveis utilizando as

curvas de fadiga em ambiente marinho, observa-se que a o “check” unitário passou de

algo em torno de 16% para 46% para o coeficiente de atrito lateral máximo (1,05),

fornecendo valores bem mais críticos.

Figura 8.56 – Check unitário (fadiga n=60) no ciclo 1 devido ao descarregamento

completo de ∆θ=60 oC e ∆P=20,68 MPa, para µL1 e µL2 variáveis, considerando

ambiente marinho.

396

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É importante também avaliar a existência ou não de exposição a ambientes agressivos

(H2S, CO2), que podem reduzir drasticamente a vida a fadiga (Capítulo 7), de forma

bem mais acentuada que o ambiente marinho avaliado acima.

A Figura 8.57 mostra o “check” unitário de fadiga para µL1 variável e µL2=1,05*(0,0 e

0,50) para o primeiro e décimo ciclo de carregamento, podendo-se observar o

relaxamento das tensões. O relaxamento de tensões é bem mais acentuado no modelo

com coeficiente de atrito lateral secundário nulo, como era de se esperar.

Figura 8.57 – Check unitário (fadiga n=60) nos ciclos 1 e 10 devido ao descarregamento

completo de ∆θ=60 oC e ∆P=20,68 MPa, para µL1 variável e µL2=1,05*(0,0 e 1,00).

397

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8.6.3.2 SIMULAÇÃO DA CONDIÇÃO DE PARADA PARCIAL – “MODELO BÁSICO”

Neste item será avaliado o comportamento estrutural do duto analisado para 10 ciclos de

carregamentos e descarregamentos parciais, para o mesmo modelo mostrado no item

anterior. O modelo considera a mesma variação de pressão do item anterior (∆P=20,68

MPa), porém com uma variação de 12 oC na temperatura máxima operacional

(∆θmax=60 oC), visando representar paradas parciais de algumas horas na operação do

duto, que não são suficientes para diminuir totalmente a temperatura na parede do duto.

As Figuras 8.58 e 8.59 mostram a evolução do deslocamento lateral no ponto central da

alça de deformação, considerando µL1=1,05 e 0,52 com µL2 variável. Observa-se

claramente o efeito do coeficiente de atrito lateral durante o descarregamento na

evolução do deslocamento do duto. Nos modelos com coeficiente de atrito secundário

diferente de zero os deslocamentos crescem indefinidamente mesmo para

carregamentos e descarregamentos parciais.

Figura 8.58 – Deslocamento máximo durante 10 ciclos com parada parcial de

∆θ=12 oC e ∆P=20,68 MPa (∆θmax=60 oC), para µL1=0,50*1,05 e µL2 variável.

398

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Figura 8.59 – Deslocamento máximo durante 10 ciclos com parada parcial de

∆θ=12 oC e ∆P=20,68 MPa (∆θmax=60 oC), para µL1=1,00*1,05 e µL2 variável.

A Figura 8.60 mostra a tensão axial no ponto mais crítico da alça de deformação,

considerando µL1=1,00*1,05 e µL2 variável, podendo-se observar o “relaxamento” da

tensão ao longo dos ciclos de carregamento e descarregamento. Neste caso

diferentemente do descarregamento completo avaliado no item anterior, a variação de

tensão mais crítica ocorreu no modelo com coeficiente de atrito secundário mais

elevado (1,05).

A Figura 8.61 mostra o “check” unitário de fadiga para µL1 variável e µL2=1,05*(0,0 e

0,50) para o primeiro e décimo ciclo de carregamento, podendo-se observar o

relaxamento das tensões. O relaxamento de tensões novamente é maior no modelo com

coeficiente de atrito lateral secundário nulo.

399

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Figura 8.60 – Tensão axial durante 10 ciclos com parada parcial de

∆θ=12 oC e ∆P=20,68 MPa (∆θmax=60 oC), para µL1=1,00*1,05 e µL2 variável.

Figura 8.61 – Check unitário (fadiga n=1440) nos ciclos 1 e 10 devido à parada

parcial de ∆θ=12 oC e ∆P=20,68 MPa (∆θmax=60 oC), para µL1 e µL2 variáveis.

400

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Verifica-se que para a condição de carregamento e CET avaliados, os ciclos de

carregamento e descarregamento de temperatura e pressão consomem no máximo cerca

de 7% da vida à fadiga do duto.

O número de ciclos com paradas parciais é de um por semana totalizando 1440 ciclos

durante a vida útil do duto. As observações feitas no item anterior para as simulações

com paradas completas são válidas para a o cálculo da vida à fadiga com paradas

parciais.

401

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8.6.3.3 SIMULAÇÃO DA CONDIÇÃO DE PARADA TOTAL – SOLO COM PICO DE RESISTÊNCIA INICIAL

Um importante efeito a ser considerado na interação solo-duto é o pico de resistência

inicial que pode ocorrer, quando o duto consegue “escapar” da cavidade gerada pelo seu

enterramento inicial. A figura 8.62 mostra um duto com um enterramento inicial, que

depois de determinado deslocamento sai da sua cavidade inicial, movendo-se sobre o

piso marinho com um enterramento inferior ao inicial. Este comportamento só ocorrerá

caso o peso submerso do duto não seja capaz de mantê-lo dentro da vala formada pelo

seu deslocamento, conforme visto no capítulo 5.

Figura 8.62 – Duto saindo da cavidade do enterramento inicial

Para avaliar o efeito do pico de resistência inicial sobre o comportamento estrutural de

dutos aquecidos, expressões analíticas baseadas em ajustes de dados experimentais

foram desenvolvidas, podendo-se citar entre as principais a desenvolvida por VERLEY

(2000) (capítulo 5), e obtida por BOLTON et al. (2004), mostrada na expressão 8.25.

Estas expressões são sujeitas a várias incertezas tendo aplicação muito limitada

(BOLTON et al.,2004). Para a avaliação da ocorrência ou não deste fenômeno, testes

experimentais para as condições específicas de resistência de solo, peso submerso,

diâmetro, etD.. devem ser realizados para uma avaliação mais confiável.

402

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⎥⎥⎦

⎢⎢⎣

⎡⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−=

2

)(08.0

28.3)(625.0)(

eou

s

e

oeouob DzS

WDz

DzSzF (8.25)

No caso específico analisado neste trabalho, utilizando a expressão (8.25) com os

enterramentos máximos obtidos no item (8.3), a partir dos perfis de resistência não-

drenada representativos do solo (Figura 8.12), pode-se obter coeficientes de atrito

laterais iniciais máximos em torno de 2, ou seja praticamente o dobro do valor máximo

calculado no item (8.3).

A Figura 8.63 mostra o modelo utilizando para a curva de reação do solo com acréscimo

no atrito lateral inicial, que será avaliado nas simulações numéricas feitas a seguir.

Figura 8.63 – Curva de reação lateral de uma seção transversal do duto com, pico reação lateral inicial.

Foram gerados alguns casos considerados representativos para avaliar o efeito de um

pico de reação inicial hipotético, baseado na expressão (8.25). São considerados

diferentes acréscimos no atrito lateral comparando com resultados obtidos no item

8.6.3.1.

403

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O modelo analisado considera coeficientes de atrito laterais de µL1=0,75*1,05 e

µL2=0,50*1,05 mobilizados para um deslocamento de 10 mm, considerados como

valores representativos máximos para o enterramento médio do duto (8.3). O pico no

atrito lateral foi representado por um acréscimo no coeficiente de atrito lateral de

∆µL=0,75*1,05 com valores de deslocamento de mobilização de ∆d1=0,0 e 0,1 m e

∆d2=0,25 e 0,50 m.

A Figura 8.64 mostra a evolução do deslocamento lateral no ponto central da alça de

deformação, considerando ∆µL=0,75*1,05 e diferentes deslocamentos de mobilização

∆d1 e ∆d2. Observa-se que os deslocamentos no modelo com pico inicial de mobilização

do atrito lateral apresentam certa diferença em relação ao resultado do modelo “básico”

(plástico-perfeito), porém a instabilidade nos deslocamentos continua presente ao longo

dos ciclos de carregamento e descarregamento.

Figura 8.64 – Deslocamento lateral no ponto central da alça, considerando

diferentes acréscimos no atrito lateral devido ao pico de resistência inicial “breakout”

404

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A Figura 8.65 mostra a evolução da deformação axial no ponto mais crítico da alça de

deformação, considerando ∆µL=0,75*1,05 e diferentes deslocamentos de mobilização

∆d1 e ∆d2. Observa-se neste caso uma grande diferença em relação ao resultado do

modelo “básico”, principalmente nos modelos com ∆d1=0 m, onde o pico inicial no

atrito lateral é mobilizado para o mesmo deslocamento (10 mm) do modelo “básico”

feito no item anterior. Já no modelo com ∆d1=0,10 m o resultado é bem semelhante ao

obtido no modelo “básico”, mostrando a alta sensibilidade da deformação axial à forma

como o acréscimo no atrito lateral inicial é mobilizado.

Figura 8.65 – Deformação axial no ponto crítico da alça, considerando

diferentes acréscimos no atrito lateral devido ao pico de resistência inicial “breakout”

Para entender melhor como o pico de atrito inicial afeta as deformações, é mostrado na

Figura 8.66 a deformada do duto para a condição de carregamento máximo no primeiro

ciclo. Pode-se verificar que de um modo geral as deformadas em todos os modelo são

bastante semelhantes, porém perto do final na alça secundária onde ocorrem os menores

deslocamentos laterais, que são mais afetados pelo pico no atrito lateral, a diferença é

mais significativa. Esta diferença na região de ancoragem do deslocamento lateral é

405

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capaz de alterar ligeiramente a deformada da região com flambagem, modificando a

deformação axial máxima para um valor de quase o dobro da obtida com o modelo

“básico”.

Figura 8.66 – Deformada do duto ao da alça (décimo ciclo), considerando diferentes

acréscimos no atrito lateral devido ao pico de resistência inicial “breakout”

A Figura 8.67 mostra a evolução da tensão axial no ponto mais crítico da alça de

deformação, considerando ∆µL=0,75*1,05 e diferentes deslocamentos de mobilização

∆d1 e ∆d2. Neste caso a diferença máxima entre os modelos analisados situa-se em torno

de 10%, sendo bem menos sensível que a variação obtida para a deformação axial.

A Figura 8.68 mostra a evolução da reação lateral num ponto a 70 m do centro da alça

de deformação, considerando ∆µL=0,75*1,05 e ∆d1=0 e 0,10 m e ∆d2=0,5 m, podendo-

se visualizar o pico inicial na reação lateral do solo durante a análise numérica.

406

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Figura 8.67 – Tensão axial no ponto crítico da alça, considerando diferentes acréscimos no atrito lateral devido ao pico de resistência inicial “breakout”.

Figura 8.68 – Reação lateral num ponto intermediário da alça a 70 m do centro,

considerando acréscimo no atrito lateral inicial de ∆µL=0,75*1,05 mobilizado em considerando ∆d1=0,0 e 0,1 m e ∆d2=0,50 m.

407

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8.6.3.4 SIMULAÇÃO DA CONDIÇÃO DE PARADA TOTAL – SOLO COM VALA

Dando prosseguimento às simulações realizadas nos itens anteriores, será avaliado o

efeito da interação solo-duto com presença de valas no piso marinho, durante 10 ciclos

de carregamentos e descarregamentos completos.

Foi observado nos resultados obtidos no item 8.6.3.1, que a presença do atrito

“secundário” impõe um comportamento não estável nos deslocamentos da alça de

deformação durante os ciclos de aquecimento/pressurização e

desaquecimento/despressurização.

O comportamento real observado em dutos em operação (BOLTON et al., 2004,

CARR,2004f) mostra que a alça de deformação formada tende a se estabilizar em

poucos ciclos devido ao aumento da reação lateral do solo gerada pela vala formada no

piso marinho (Figura 8.69).

Figura 8.69 – Valas formadas no piso marinho. i) Seção transversal do

duto no ponto de deslocamento máximo da alça de deformação. ii) Seção transversal do duto num ponto intermediário da alça de deformação

408

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Para avaliar o efeito de valas formadas no piso marinho sobre o comportamento

estrutural de dutos aquecidos, é proposto neste trabalho um modelo especial para tentar

representar a variação ao longo da alça do acréscimo na reação lateral. A Figura 8.69

mostra a seção transversal de uma alça de deformação em dois pontos do duto (Figura

8.70), com deslocamentos bem distintos. O acréscimo de reação lateral do solo ao longo

da alça de deformação é variável, sendo função da quantidade de solo deslocado durante

a ciclagem do duto. A avaliação do acréscimo de resistência é de difícil obtenção

devendo ser avaliada experimentalmente. Estudos realizados em argilas moles

(CARR,2004f) mostram que o acréscimo no atrito lateral pode alcançar valores de 3 a

10 vezes maiores que o atrito lateral calculado sem a presença da vala.

Figura 8.70 – Deformada do duto após alguns ciclos mostrando pontos com deslocamentos máximo e intermediário

A curva de reação lateral do solo geralmente utilizada para simular a interação solo-duto

aquecido, baseia-se no modelo de atrito de Coulomb (Capítulo 5). Foi visto nos itens

anteriores que a utilização deste modelo não representa adequadamente o

comportamento de dutos submarinos aquecidos durante carregamentos cíclicos de

409

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temperatura e pressão. A curva de reação real do solo apresenta regiões bem distintas

para o comportamento solo-duto que devem ser considerados.

A Figura 8.71 mostra a curva de reação do solo no ponto de deslocamento máximo da

alça de deformação, podendo-se verificar a partir de certo ponto, um acréscimo no atrito

lateral devido à formação de vala sobre o piso marinho. A questão que se coloca é como

representar o acréscimo de reação lateral nos demais pontos da alça, visto que esta é

variável pois depende da amplitude do deslocamento e das propriedades de resistência

do solo.

Figura 8.71 – Curva de reação lateral da seção transversal do

duto com deslocamento máximo, considerando acréscimo de reação devido à formação de vala no piso marinho

Para representar o acréscimo na reação lateral, são propostos dois modelos extremos

para verificar o efeito de valas sobre o comportamento estrutural de dutos aquecidos.

No primeiro modelo de vala (MODELO 1) o acréscimo na reação lateral em pontos

intermediários da alça de deformação é proporcional à reação definida no ponto com

deslocamento máximo conforme mostrado na Figura 8.72. O modelo considera que a

vala só começará a ser mobilizada ao final do primeiro ciclo de

aquecimento/pressurização, sendo o deslocamento máximo de cada ponto da alça, o

ponto de partida para a mobilização do acréscimo de reação lateral fornecido pela vala,

410

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resultando numa distribuição variável da reação lateral para cada ponto da alça de

deformação definida (Figura 8.72).

Figura 8.72 – Curva de reação lateral de uma seção transversal do duto com deslocamento intermediário, considerando acréscimo de reação devido à formação de vala no piso marinho proporcional à reação no ponto com deslocamento máximo total

da alça (MODELO 1).

No segundo modelo de vala (MODELO 2) o acréscimo na reação lateral (para uma

mesma variação no deslocamento) em todos os pontos da alça de deformação, é igual à

reação definida no ponto com deslocamento máximo total da alça conforme mostrado

na Figura 8.73. Neste modelo da mesma forma que o anterior a vala só começará a ser

mobilizada ao final do primeiro ciclo de aquecimento/pressurização, sendo o

deslocamento máximo de cada ponto da alça, o ponto de partida para a mobilização do

acréscimo de reação lateral fornecido pela vala (Figura 8.73).

411

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Figura 8.73 – Curva de reação lateral de uma seção transversal do duto com

deslocamento intermediário, considerando acréscimo de reação lateral devido à formação de vala no piso marinho igual em todos os pontos da alça (MODELO 2)

Desta forma foram feitas algumas simulações para avaliar o efeito de valas submarinas.

São considerados diferentes acréscimos no atrito lateral e nos deslocamentos de

mobilização de vala, verificando-se seu efeito e comparando-se com resultados obtidos

nos modelos sem vala (8.6.3.1).

O modelo analisado utiliza coeficientes de atrito laterais de µL1=0,75*1,05 e

µL2=0,50*1,05, considerados como valores representativos máximos para o

enterramento médio do duto (item 8.3). Foram dados acréscimos no coeficiente de

atrito lateral de ∆µL=(0,50, 1,50 e 3,00)*1,05 para representar o efeito da vala, para

diferentes valores para o deslocamento de mobilização da vala de ∆d=0,25, 0,50 e 1,00

m. As variações mostradas foram testadas nos modelos 1 e 2 descritos acima.

As Figuras 8.74 e 8.75 mostram a evolução do deslocamento lateral no ponto central da

alça de deformação respectivamente para os modelos 1 e 2 de vala, considerando

acréscimos no coeficiente de atrito lateral de ∆µL=(0,75, 1,50 e 3,00)*1,05 para um

deslocamento de mobilização de 1 m (vala). Observa-se claramente o efeito

estabilizador da consideração do efeito da vala na evolução do deslocamento do duto.

Em poucos ciclos o deslocamento do duto praticamente se estabiliza, principalmente

para os modelos com ∆µL superiores á 0,75*1,05. Observa-se também como era de se

esperar que o modelo 2 tende a estabilizar os deslocamentos mais rapidamente com

412

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valores menores, pois o acréscimo de reação lateral devido à vala é mobilizado mais

rapidamente que no modelo 1.

Figura 8.74 – Deslocamento lateral no ponto central da alça, considerando diferentes

acréscimos no atrito lateral devido à formação de vala mobilizado em 1 m(MODELO 1)

Figura – 8.75 – Deslocamento lateral no ponto central da alça, considerando diferentes

acréscimos no atrito lateral devido à formação de vala mobilizado em 1 m(MODELO 2)

413

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As Figuras 8.76 e 8.77 mostram a evolução do deslocamento lateral no ponto central da

alça de deformação para os modelos 1 e 2 de vala respectivamente, considerando

acréscimo no coeficiente de atrito lateral de ∆µL=1,50*1,05 para deslocamentos de

mobilização de vala de 0,25 e 1 m. Observa-se que o deslocamento de mobilização

influencia somente a amplitude do deslocamento máximo, não alterando o processo de

estabilização dos deslocamentos.

Figura 8.76 – Deslocamento lateral no ponto central da alça, considerando

∆µL=1,50*1,05 e ∆d=0,25 e 1 m (MODELO 1).

414

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Figura 8.77 – Deslocamento lateral no ponto central da alça, considerando

∆µL=1,50*1,05 e ∆d=0,25 e 1 m (MODELO 2)

A Figura 8.78 mostra a deformada do duto para a condição de carregamento máximo

nos ciclos 1, 5 e 10 para o modelo básico (µL1=0,75*1,05 e µL2=0,50*1,05). Conforme

mostrado anteriormente a desconsideração do acréscimo no atrito lateral devido à

formação da vala, gera um comportamento não estável, nos deslocamentos

desenvolvidos da alça de flambagem durante o processo cíclico de carregamento e

descarregamento.

As Figuras 8.79 e 8.80 mostram as deformadas do duto para a condição de

carregamento máximo nos ciclos 1, 5 e 10 para os modelos 1 e 2 de vala

respectivamente com ∆µL=1,50*1,05 e ∆d=1 m. Como verificado anteriormente em

poucos ciclos a deformada do duto se estabiliza, contrariamente ao caso mostrado na

Figura 8.78 sem a consideração do efeito da vala.

415

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Figura 8.78 - Deformada do duto durante 10 ciclos para carregamento

máximo de ∆θ=60 oC e Pi=27.87 MPa, no modelo básico com

µL1=0,75*1,05 e µL2 =0,50*1,05.

Figura 8.79 – Deformada do duto durante 10 ciclos para carregamento

máximo de ∆θ=60 oC e Pi=27.87 MPa, considerando ∆µL=1,50*1,05 e ∆d=1 m

(MODELO 1).

416

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Figura 8.80 - Deformada do duto durante 10 ciclos para carregamento

máximo de ∆θ=60 oC e Pi=27.87 MPa, considerando ∆µL=1,50*1,05 e ∆d=1 m

(MODELO 2).

Os resultados mostrados nas Figuras 8.78, 8.79 e 8.80 mostram uma grande

discrepância na deformada do duto após alguns ciclos de carregamento e

descarregamento, dependendo do modelo adotado para representar a interação solo-

duto. Este resultado mostra por exemplo que uma inspeção submarina de um duto em

operação, onde já tenham ocorrido vários ciclos de aquecimento/ pressurização e

desaquecimento/despressurização total ou parcial, deve representar adequadamente a

interação solo-duto para não se chegar a resultados completamente errados para as

deformações e variações de tensões existentes na alça de deformação.

Para mostrar o efeito do modelo de interação solo-duto nos resultados obtidos após

alguns ciclos de carregamento e descarregamento, suponhamos que após uma inspeção

submarina, foi obtida a deformada do duto analisado, para as condições máximas de

carregamento. Após várias simulações utilizando o modelo “básico” de interação solo-

duto, chegou-se à conclusão que os coeficientes de atrito laterais µL1=1,25*1,05 e

µL2=0,50*1,05, fornecem após alguns ciclos de carregamento e descarregamento, a

417

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deformada do duto mais próxima da obtida através da inspeção submarina. Poderia-se

concluir que o duto encontra-se com deformações bem acima da máxima admissível

(Figura 8.52), devendo-se tomar alguma medida para garantir a operação dentro de

limites estabelecidos por norma.

Porém pode-se observar pelas Figuras 8.81 e 8.82, que mostram as deformadas do duto

para a condição de carregamento máximo no ciclo 10, que também poderiam ser obtidas

deformadas bem próximas à mencionada, utilizando-se os modelos 1 e 2 com vala,

porém com coeficientes de atrito do modelo básico bem menores (µL1=0,75*1,05 e

µL2=0,50*1,05), diminuindo consideravelmente as deformações máximas. Este

resultado se deve ao fato do acréscimo de reação imposta pela vala escavada pelo duto

gerar apenas uma estabilização nos deslocamentos do duto, praticamente não alterando

o estado de tensões e deformações existentes, que são função essencialmente do pico de

atrito lateral inicial (item 8.6.3.3) e do atrito residual primário µL1 (item 8.6.3.1).

Figura 8.81 - Deformada do duto no décimo ciclo para carregamento máximo de ∆θ=

60 oC e Pi=27.87 MPa, considerando ∆µL=(1,50 e 3,00)*1,05 e ∆d=1 m (MODELO 1),

comparada com deformadas utilizando modelo plástico-perfeito

418

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Figura 8.82 - Deformada do duto no décimo ciclo para carregamento máximo de ∆θ=

60 oC e Pi=27.87 MPa, considerando ∆µL=(1,50 e 3,00)*1,05 e ∆d=1 m (MODELO 2),

comparada com deformadas utilizando modelo plástico-perfeito

Para visualizar o efeito dos modelos de vala simulados são mostrados nas Figuras 8.83 e

8.84 as reações laterais do solo contra o duto para a condição de carregamento máximo

no décimo ciclo, para os modelos “básico” e 1 e 2 de vala respectivamente com

∆µL=1,50*1,05 e ∆d=1 m, podendo-se visualizar claramente o acréscimo de reação

lateral nas alças principal e secundária, assim como a sua distribuição.

419

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Figura 8.83 - Reação lateral no décimo ciclo para carregamento máximo de ∆θ=60 oC e

Pi=27.87 MPa, considerando ∆µL=0,75*1,05 e∆d=1 m nos modelos básico 1 e 2

Figura 8.84 - Reação lateral no décimo ciclo para carregamento máximo de ∆θ=60 oC e

Pi=27.87 MPa, considerando ∆µL=1,50*1,05 e ∆d=1 m (modelos básico e 1 e 2 de vala)

420

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As Figuras 8.85 e 8.86 mostram a evolução da reação lateral nos pontos central e

intermediário (a 70 m do centro) da alça de deformação para os modelos 1 e 2 de vala

respectivamente, considerando ∆µL=1,50*1,05 e ∆d=1m. Observa-se que o acréscimo

na reação lateral devido à vala concentra-se mais na alça central no modelo 1, enquanto

no modelo 2 a distribuição é mais uniforme nas alças. Isto ocorre devido a forma como

o acréscimo de atrito lateral é mobilizado nos dois modelos com vala analisados

(Figuras 8.72 e 8.73).

Figura 8.85 – Reação lateral no ponto central da alça, considerando

∆µL=1,50*1,05 e ∆d=1 m, devido à formação de vala (modelos 1 e 2 de vala)

421

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Figura 8.86 – Reação lateral num ponto intermediário da alça, considerando

∆µL=1,50*1,05 e ∆d=1 m (modelos 1 e 2 de vala).

A Figura 8.87 mostra a evolução da deformação axial no ponto mais crítico da alça de

deformação para o modelo “básico” (µL1=0,75*1,05 e µL2=0,50*1,05), e para o modelo

1 de vala com ∆µL=(0,75,1,50 e 3,00)*1,05 e ∆d=1m. Verifica-se que apesar das

deformadas do modelo considerando o efeito da vala serem completamente diferentes

da obtida no modelo “básico” após alguns ciclos (Figura 8.81), a deformação axial

máxima é praticamente a mesma sendo definida no primeiro ciclo de carregamento. O

resultado utilizando o modelo 2 de vala fornece os mesmos resultados e observações

feitas para o modelo 1 no tocante a deformação axial máxima desenvolvida.

As Figuras 8.88 e 8.89 mostram a evolução da tensão axial no ponto crítico da alça de

deformação para os modelos 1 e 2 de vala respectivamente, considerando

∆µL=1,50*1,05 e ∆d=1m. Observa-se que no modelo 1 com vala a relaxação das tensões

praticamente não se altera ao longo dos ciclos, quando comparada com o resultado do

modelo “básico” (µL1=0,75*1,05 e µL2=0,50*1,05). Já no modelo 2 de vala a relaxação

depende do acréscimo dado ao atrito lateral, podendo ser praticamente nula.

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Figura 8.87 – Deformação axial no ponto crítico da alça, considerando

∆µL=(0,75,1,50 e 3,00)*1,05 e ∆d=1 m (modelo 1 de vala).

Figura 8.88 - Tensão axial no ponto crítico da alça durante 10 ciclos,

considerando ∆µL=(0,75,1,50 e 3,00)*1,05 e ∆d=1 m (modelo 1 de vala).

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Figura 8.89 - Tensão axial no ponto crítico da alça durante 10 ciclos,

considerando ∆µL=(0,75,1,50 e 3,00)*1,05 e ∆d=1 m (modelo 2 de vala).

Para verificar o efeito do encruamento plástico do material foram realizadas algumas

simulações para diferentes valores de coeficiente de atrito lateral. No modelo com atrito

lateral “primário” igual a µL1=1,00*1,05, onde é esperada uma deformação mais

elevada, a malha foi discretizada de metro em metro foi refinada numa região de 200 m

em torno da região central da alça de deformação de 0,2 em 0,2 m para capturar as

concentrações de deformações mais elevadas.

As Figuras 8.90 e 8.91 mostram a evolução da deformação axial no ponto mais crítico

da alça de deformação considerando µL1=(0,75 e 1,00)*1,05 e µL2=0,50*1,05, para o

modelo 1 de vala com ∆µL=1,50*1,05 e ∆d=1m. Verifica-se que a consideração do

encruamento do material é bem mais significativa no modelo com atrito lateral

“primário” de 1,05 que apresenta deformações no modelo plástico perfeito acima de 1%

(Figura 8.91), ocasionando a plastificação de praticamente toda a seção transversal do

duto. Neste caso o encruamento do material foi ativado em vários pontos da seção

transversal reduzindo a deformação axial máxima à metade da obtida no modelo com

424

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aço plástico-perfeito. No modelo com atrito lateral “primário” de 0,75*1,05 a diferença

entre os modelos plástico-prefeito e com encruamento foi bem menos significativa

(Figura 8.90) pelo fato do encruamento do material ser utilizado numa região bem

menor da seção transversal.

Figura 8.90 – Deformação axial no ponto crítico da alça para aço

plástico-perfeito e com encruamento, com µL1=0,75*1,05 e µL2 =0,50*1,05, para ∆µL=1,50*1,05 e ∆d=1 m (modelo 1).

425

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Figura 8.91 – Deformação axial no ponto crítico da alça para aço

plástico-perfeito e com encruamento, com µL1=1,00*1,05 e µL2 =0,50*1,05, para ∆µL=1,50*1,05 e ∆d=1 m (modelo 1).

As Figuras 8.92 e 8.93 mostram a evolução da tensão axial no ponto mais crítico da

alça de deformação. Neste caso o encruamento do material é bem menos significativo

nos dois casos analisados, fornecendo uma diferença máxima entre o resultado com

material plástico-perfeito e com encruamento em torno de 10% na simulação com atrito

lateral “primário” de 1,00*1,05.

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Figura 8.92 – Tensão axial no ponto crítico da alça para aço plástico-perfeito

e com encruamento, com µL1=0,75*1,05 e µL2 =0,50*1,05, para ∆µL=1,50*1,05 e ∆d=1 m (modelo 1).

Figura 8.93 – Tensão axial no ponto crítico da alça para aço plástico-perfeito

e com encruamento, com µL1=1,00*1,05 e µL2 =0,50*1,05, para ∆µL=1,50*1,05 e ∆d=1 m (modelo 1).

427

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Os resultados obtidos para as deformações e tensões analisadas mostram a sensibilidade

da deformação axial, onde um incremento de 25% no atrito lateral gerou um aumento de

100% na deformação axial no modelo plástico perfeito. No modelo com encruamento a

diferença é bem menos significativa pois a deformação é redistribuída.

As Figuras 8.94 e 8.95 mostram a deformação e a deformada do duto ao longo do seu

eixo no décimo ciclo para a condição máxima de carregamento. Verifica-se que o pico

de deformação é extremamente localizado, enquanto no resto da alça os dois modelos

fornecem praticamente os mesmos valores de deformação (Figura 8.94). Observa-se

também que por ser a diferença na deformação máxima extremamente localizada, em

nada influência a deformada global do duto (Figura 8.95).

Figura 8.94 – Deformação axial ao longo da alça para aço plástico-perfeito e com encruamento para o carregamento máximo no décimo ciclo, com µL1=1,00*1,05 e

µL2 =0,50*1,05, para ∆µL=1,50*1,05 e ∆d=1 m (modelo 1).

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Figura 8.95 – Deslocamento lateral ao longo da alça para aço plástico-perfeito e com

encruamento para o carregamento máximo no décimo ciclo, com µL1=1,00*1,05 e µL2 =0,50*1,05, para ∆µL=1,50*1,05 e ∆d=1 m (modelo 1).

Para finalizar a avaliação do efeito da interação solo-duto no comportamento estrutural

de dutos aquecidos sobre o piso marinho, foi incorporado ao modelo de vala o efeito do

pico no atrito lateral inicial avaliado no item (8.6.3.3), conforme pode ser visto na

Figura 8.96. O modelo de vala avaliado será o modelo 1, por ser considerado o mais

representativo.

Figura 8.96 - Curva de reação lateral da seção transversal do

duto com deslocamento máximo, considerando acréscimo de reação devido à formação de vala no piso marinho e pico de atrito inicial.

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Os casos simulados consideram coeficientes de atrito laterais de µL1=(0,75 e 1,00)*1,05

e µL2=0,50*1,05, com acréscimos no coeficiente de atrito lateral de ∆µL1=0,75*1,05 e

∆µL2=1,50*1,05, para representar respectivamente os efeitos do pico inicial no atrito

lateral e da vala escavada sobre o piso marinho. Os deslocamentos de mobilização do

pico inicial no atrito e da vala são respectivamente de ∆d1=0 m/∆d2=0,5 m e ∆d3=0,5 m

(Figura 8.96) . Deste modo pretende-se avaliar o efeito conjunto destas variações no

coeficiente de atrito lateral feitas nos itens anteriores no comportamento estrutural do

trecho de duto analisado, para as mesmas condições de carregamentos já avaliados.

A Figura 8.97 mostra a evolução do deslocamento lateral no ponto central da alça de

deformação para os modelos “básico” (µL1=0,75*1,05 e µL2=0,50*1,05) com vala e pico

inicial de atrito + vala . Observa-se que a inserção do efeito do pico inicial de atrito no

modelo altera pouco a evolução dos deslocamentos em relação ao modelo somente com

vala, ocorrendo a estabilização dos deslocamentos da alça em pouco ciclos de

carregamento e descarregamento.

Figura 8.97 – Deslocamento lateral no centro da alça de deformação ao longo dos

ciclos, considerando modelos “básico” (µL1=0,75*1,05 e µL2 =0,50*1,05), com vala e pico atrito + vala (∆µL1=0,75*1,05 e ∆d1=0 m /∆d2=0,5 m) (∆µL2=1,50*1,05 e ∆d3=1m).

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As Figuras 8.98 e 8.99 mostram a evolução da deformação axial no ponto mais crítico

da alça de deformação nos modelos plástico perfeito e com encruamento considerando

µL1=(0,75 e 1,05)*1,05 e µL2=0,50*1,05 nos modelos com vala e vala + pico inicial no

atrito. Diferentemente dos deslocamentos, a deformação axial máxima praticamente

dobrou de valor considerando o pico inicial no atrito lateral nos modelos com material

do duto plástico-perfeito e com encruamento.

Figura 8.98 – Deformação axial no ponto crítico da alça para aço

plástico-perfeito e com encruamento, com µL1=0,75*1,05 e µL2 =0,50*1,05, para ∆µL1=0,75*1,05 e ∆d1=0 m/∆d2=0,5 m e ∆µL2=1,50*1,05 e ∆d3=1 m (modelo 1).

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Figura 8.99 – Deformação axial no ponto crítico da alça para aço

plástico-perfeito e com encruamento, com µL1=1,00*1,05 e µL2 =0,50*1,05, para ∆µL1=0,75*1,05 e ∆d1=0 m/∆d2=0,5 m e ∆µL2=1,50*1,05 e ∆d3=1 m (modelo 1).

Conforme mostrado anteriormente pequenas diferenças na alça de deformação podem

gerar grandes concentrações de deformações. As Figuras 8.100 e 8.101 mostram as

deformadas no primeiro e décimo ciclos para a condição máxima de carregamento nos

modelos com vala e pico inicial de atrito + vala. De um modo geral as deformadas são

bastante semelhantes, havendo apenas diferença no trecho final da alça secundária, onde

ocorrem os menores deslocamentos laterais, que são afetados pelo pico inicial no atrito

lateral. Esta diferença na região de ancoragem do deslocamento lateral é que causa a

diferença na deformação axial máxima que pode ser observada na Figura 8.102.

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Figura 8.100 – Deslocamento lateral ao longo da alça para o carregamento máximo no primeiro ciclo, com µL1=0,75*1,05 e µL2 =0,50*1,05, para ∆µL1=0,75*1,05 e ∆d1=0 m

/∆d2=0,5 m e ∆µL2=1,50*1,05 e ∆d3=1 m (modelo 1).

Figura 8.101 – Deslocamento lateral ao longo da alça para o carregamento máximo no décimo ciclo, com µL1=0,75*1,05 e µL2 =0,50*1,05, para ∆µL1=0,75*1,05 e ∆d1=0 m

/∆d2=0,5 m e ∆µL2=1,50*1,05 e ∆d3=1 m (modelo 1).

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Figura 8.102 – Deformação axial ao longo da alça para aço plástico-perfeito para o carregamento máximo no décimo ciclo, com µL1=1,00*1,05 e µL2 =0,50*1,05, para ∆µL1=0,75*1,05 e ∆d1=0 m/∆d2=0,5 m e ∆µL2=1,50*1,05 e ∆d3=1 m (modelo 1).

As Figuras 8.103 e 8.104 mostram a evolução da tensão axial no ponto mais crítico da

alça de deformação. Neste caso o efeito do pico inicial no coeficiente de atrito lateral é

bem menos significativo, fornecendo uma diferença máxima em torno de 10 a 20 %

entre os modelos com vala e pico de atrito + vala.

A Figura 8.105 mostra a evolução da reação lateral num ponto a 70 m do centro da alça

de deformação podendo-se visualizar claramente o efeito conjunto dos acréscimos do

pico inicial no atrito lateral e da vala na reação do solo.

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Figura 8.103 – Tensão axial no ponto crítico da alça para aço

plástico-perfeito e com encruamento, com µL1=0,75*1,05 e µL2 =0,50*1,05, para ∆µL1=0,75*1,05 e ∆d1=0 m/∆d2=0,5 m e ∆µL2=1,50*1,05 e ∆d3=1 m (modelo 1).

Figura 8.104 – Tensão axial no ponto crítico da alça para aço

plástico-perfeito e com encruamento, com µL1=1,00*1,05 e µL2 =0,50*1,05, para ∆µL1=0,75*1,05 e ∆d1=0 m/∆d2=0,5 m e ∆µL2=1,50*1,05 e ∆d3=1 m (modelo 1).

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Figura 8.105 – Reação lateral num ponto intermediário da alça (70 m do centro),

comparando os modelos com vala e vala + pico inicial de atrito, com µL1=0,75*1,05 e µL2 =0,50*1,05, para ∆µL1=0,75*1,05 e ∆d1=0 m/∆d2=0,5 m e ∆µL2=1,50*1,05 e

∆d3=1 m (modelo 1).

De um modo geral pode-se observar nos modelos analisados a importância da

modelagem termomecânica de dutos com altas temperaturas e pressões representando

todas as principais características da curva de reação lateral do solo, no comportamento

estrutural em dutos submarinos aquecidos.

O acréscimo de reação lateral do solo gerado por valas excavadas no piso marinho tende

a estabilizar a alça de deformação pós-flambagem do duto em poucos ciclos de

carregamento e descarregamento como observado neste item, em concordância com

resultados de inspeções submarinas já realizadas (CARR,2004g). Nos modelos

analisados as valas excavadas sobre o piso marinho não introduziram acréscimo

significativo nas tensões e deformações máximas no duto durante o processo cíclico de

carregamento e descarregamento.

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Porém existem casos onde a formação de valas sobre o piso marinho, deve ser avaliada

com cuidado, pois podem gerar concentrações significativas de deformações, quando a

vala no piso marinho é formada com um par ∆P/∆θ significativamente diferente do

máximo previsto durante a sua vida operacional.

Para avaliar este efeito foram analisados dois casos com pico inicial no atrito lateral

mais efeito de vala sobre o piso marinho (Figura 8.96). O modelo considera a mesma

variação de pressão dos modelos anteriores, porém com duas variações de temperaturas

distintas. O objetivo desta análise é verificar para alguns ciclos de carregamento e

descarregamento (10 ciclos), o efeito estrutural de uma variação de temperatura (30 oC)

bem distinta da máxima operacional anormal de 80oC (tabela 8.4), e de uma variação de

temperatura (60oC) mais próxima da máxima operacional.

Os dois casos simulados consideram coeficientes de atrito laterais residuais iguais a

µL1=0,75*1,05 e µL2=0,50*1,05. Para representar o efeito do pico inicial no atrito lateral

foi utilizado o mesmo acréscimo avaliado anteriormente (∆µL1=0,75*1,05) com

deslocamento de mobilização de ∆d1=0 m/∆d2=0,5 m. e ∆d3=0,5 m (Figura 8.96). O

acréscimo no atrito lateral devido a vala foi considerado de duas formas, para a variação

de temperatura de 30oC foi utilizado ∆µL2=1,50*1,05, no caso com variação de

temperatura de 60oC, devido aos maiores deslocamentos desenvolvidos espera-se que a

vala forma e consequentemente o acréscimo no atrito sejam maiores, deste modo foi

adotado ∆µL2=3,00*1,05. O deslocamento de mobilização da vala nos dois casos foi

considerado igual a ∆d1=1 m.

O material do duto foi considerado plástico-perfeito nos resultados que serão mostrados

a seguir, sendo feita uma comparação final com um resultado considerando o

encruamento do aço (Figura 8.3).

A Figura 8.106 mostra a evolução do deslocamento lateral no ponto central da alça de

deformação para os com ∆θ=30oC e ∆θ=60oC. Observa-se que apesar dos

deslocamentos serem bem diferentes até o nono ciclo (devido a diferença de ∆θ nas

duas análises), no último ciclo com a mesma variação máxima de temperatura

(∆θ= 80oC) os deslocamentos finais são praticamente os mesmos.

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Figura 8.106 – Deslocamento lateral no centro da alça de deformação ao longo dos

ciclos, considerando µL1=0,75*1,05 e µL2 =0,50*1,05, com pico atrito + vala (∆µL1=0,75*1,05 com ∆d1=0 m /∆d2=0,5 m e ∆µL2=(1,50 e 3,00)*1,05 com ∆d3=1m),

e variações de temperatura operacionais de 30 oC e 60 oC, com máxima de 80 oC.

As Figuras 8.107 e 8.108 mostram a evolução da deformação e tensão axiais no ponto

mais crítico da alça de deformação nas simulações com ∆θ=30oC e ∆θ=60oC

(∆θmax= 80oC). Observa-se que diferentemente do deslocamento, a deformação e

variação de tensão axiais máximas são bastante afetadas pelo histórico de carregamento.

Isto pode ser verificado na análise com ∆θ=30 oC, que apesar de ter um acréscimo no

atrito lateral menor ao da análise com ∆θ=60oC, desenvolve concentrações

principalmente de deformação bem mais elevadas. Tal fato ocorre pois o duto mobiliza

deslocamentos de solo mais extensos na região com coeficiente de atrito mais elevado

como pode ser visto na Figura 8.109.

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Figura 8.107 – Deformação axial no ponto crítico da alça de deformação ao longo dos ciclos, considerando µL1=0,75*1,05 e µL2 =0,50*1,05, com pico atrito + vala

(∆µL1=0,75*1,05 com ∆d1=0 m /∆d2=0,5 m e ∆µL2=(1,50 e 3,00)*1,05 com ∆d3=1m), e variações de temperatura operacionais de 30 oC e 60 oC, com máxima de 80 oC.

Figura 8.108 – Tensão axial no ponto crítico da alça de deformação ao longo

dos ciclos, considerando µL1=0,75*1,05 e µL2 =0,50*1,05, com pico atrito + vala (∆µL1=0,75*1,05 com ∆d1=0 m /∆d2=0,5 m e ∆µL2=(1,50 e 3,00)*1,05 com ∆d3=1m),

e variações de temperatura operacionais de 30 oC e 60 oC, com máxima de 80 oC.

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Figura 8.109 – Comparação do histórico de reação lateral no centro da alça, com µL1=0,75*1,05 e µL2 =0,50*1,05, para ∆µL1=0,75*1,05 e ∆d1=0 m /∆d2=0,5 m,

para os modelos com ∆µL2=(1,50 e 3,00)*1,05 e ∆d3=1 m (modelo 1), e variações de temperatura operacionais de 30 oC e 60 oC, com máxima de 80 oC.

As Figuras 8.110 e 8.111 mostram as deformadas do duto ao longo de alguns ciclos

para a condição máxima de carregamento nas simulações com ∆θ=30oC e

∆θ=60oC.

A figura 8.112 mostra a configuração deformada do duto no ciclo final com ∆θmax=

80oC nas duas análises realizadas, podendo-se verificar que apesar da

deformação/tensão axial máxima serem bem diferentes (Figuras 8.107 e 8.108), a

configurações deformadas são bastante semelhantes obesrvando-se alguma diferença

apenas na alça secundária.

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Figura 8.110 – Deslocamento lateral ao longo da alça para o carregamento máximo ao longo dos ciclos, com µL1=0,75*1,05 e µL2 =0,50*1,05, para ∆µL1=0,75*1,05 e ∆d1=0 m /∆d2=0,5 m e ∆µL2=1,50*1,05 e ∆d3=1 m (modelo 1), considerando

variação de temperatura operacional de 30 oC, com máxima de 80 oC.

Figura 8.111 – Deslocamento lateral ao longo da alça para o carregamento máximo ao longo dos ciclos, com µL1=0,75*1,05 e µL2 =0,50*1,05, para ∆µL1=0,75*1,05 e ∆d1=0 m /∆d2=0,5 m e ∆µL2=3,00*1,05 e ∆d3=1 m (modelo 1), considerando

variação de temperatura operacional de 60 oC, com máxima de 80 oC.

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Figura 8.112 – Comparação do deslocamento lateral ao longo da alça para o carregamento máximo no décimo ciclo (∆θ=80 oC), com µL1=0,75*1,05 e

µL2 =0,50*1,05, para ∆µL1=0,75*1,05 e ∆d1=0 m /∆d2=0,5 m, para os modelos com ∆µL2=(1,50 e 3,00)*1,05 e ∆d3=1 m (modelo 1), e variações de temperatura

operacionais de 30 oC e 60 oC.

A Figura 8.113 mostra a deformação axial ao longo do duto no ciclo final para a

condição máxima de carregamento nas simulações com ∆θ=30oC e ∆θ=60oC, podendo-

se verificar que de um modo geral a deformação axial é bastante semelhante ao longo da

alça de deformação, diferenciando-se apenas na região central onde ocorrem as maiores

concentrações de deformações (Figura 8.114).

A Figura 8.115 mostra a reação lateral desenvolvida ao longo do duto no ciclo final de

carregamento nas simulações com ∆θ=30oC e ∆θ=60oC, podendo-se observar a

distribuição da reação do solo.

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Figura 8.113 – Comparação da deformação axial ao longo da alça para o carregamento

máximo no décimo ciclo (∆θ=80 oC), com µL1=0,75*1,05 e µL2 =0,50*1,05, para ∆µL1=0,75*1,05 e ∆d1=0 m /∆d2=0,5 m, para os modelos com ∆µL2=(1,50 e 3,00)*1,05

e ∆d3=1 m (modelo 1), e variações de temperatura operacionais de 30 oC e 60 oC.

Figura 8.114 – Detalhe da deformação axial ao longo da alça para o carregamento máximo no décimo ciclo (∆θ=80 oC), com µL1=0,75*1,05 e µL2=0,50*1,05, para

∆µL1=0,75*1,05 e ∆d1=0 m /∆d2=0,5 m, para os modelos com ∆µL2=(1,50 e 3,00)*1,05 e ∆d3=1 m (modelo 1), e variações de temperatura operacionais de 30 oC e 60 oC.

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Figura 8.115 – Comparação da reação lateral ao longo da alça para o carregamento máximo no décimo ciclo (∆θ=80 oC), com µL1=0,75*1,05 e µL2 =0,50*1,05, para

∆µL1=0,75*1,05 e ∆d1=0 m /∆d2=0,5 m, para os modelos com ∆µL2=(1,50 e 3,00)*1,05 e ∆d3=1 m (modelo 1), e variações de temperatura operacionais de 30 oC e 60 oC.

A título de comparação é mostrada na Figura 8.116 a deformação axial ao longo do duto

no ciclo final, para a condição máxima de carregamento nas simulações com ∆θ=30oC

(∆θmax=80oC), considerando modelos plástico-perfeito e com encruamento para o aço.

Observa-se que deformação axial é praticamente a mesma ao longo da alça de

deformação como era de se esperar, diferenciando-se apenas na região central devido ao

encruamento do aço (Figura 8.117).

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Figura 8.116 – Comparação da deformação axial ao longo da alça para materiais

plástico-perfeito e com encruamento, para o carregamento máximo no décimo ciclo (∆θ=80 oC), com µL1=0,75*1,05 e µL2 =0,50*1,05, para ∆µL1=0,75*1,05 e ∆d1=0 m /∆d2=0,5 m e ∆µL2=1,50*1,05 e ∆d3=1 m (modelo 1), e variação de temperatura

operacional de 30 oC.

Figura 8.117 – Detalhe da deformação axial ao longo da alça para materiais plástico-

perfeito e com encruamento, para o carregamento máximo no décimo ciclo (∆θ=80 oC), com µL1=0,75*1,05 e µL2 =0,50*1,05, para ∆µL1=0,75*1,05 e ∆d1=0 m /∆d2=0,5 m e ∆µL2=1,50*1,05 e ∆d3=1 m (modelo 1), e variação de temperatura operacional de 30 o.

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As simulações realizadas com diferentes variações de temperatura durante a formação

da vala sobre o piso marinho, mostram a importância de não se operar um duto nos

ciclos iniciais de carregamento e decarregamentos com variações de temperatura e

pressão muito diferentes da máxima de projeto.

Os resultados mostraram também que variações de temperatura/pressão que não

mobilizem acréscimos no atrito lateral em grandes extensões de deslocamentos não

geram acréscimos significativos de tensões/deformações, não sendo críticos para a

integridade estrutural do duto.

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8.7 FORMAS DE CONTROLE DA FLAMBAGEM TERMOMECÂNICA

Conforme foi visto no item 8.6 a flambagem termomecânica de dutos submarinos

apoiados sobre o piso marinho é comum sob elevadas pressões e temperaturas. Também

foi visto que a flambagem termomecânica deve ser controlada de alguma maneira para

não ocorrer uma sobrecarga em uma alça que concentre um comprimento de expansão

térmica superior ao máximo admissível.

As formas de controle da expansão térmica nas alças de deformações com flambagem

termomecânica concentram-se essencialmente em duas estratégias; limitação do

comprimento de expansão térmica (CET) e redução do coeficiente de atrito lateral.

Estas estratégias são possíveis através de modificações na geometria do duto durante o

seu lançamento, ou atuação de agentes externos sobre o duto.

A seguir serão abordados os principais aspectos das soluções para controlar a

flambagem termomecânica que estão sendo estudas atualmente pela indústria do

petróleo para dutos submarinos em águas profundas.

8.7.1 SERPENTEAMENTO “SNAKE-LAY”

Esta solução preconiza o lançamento do duto com uma configuração inicial em formato

de meias-ondas que se repetem, sendo as principais variáveis; a amplitude,

comprimento da onda e raio de curvatura mínimo, conforme mostrado na Figura 8.118.

O objetivo desta solução é permitir a flambagem termomecânica lateral do duto de

forma controlada na região próxima ao raio de curvatura mínimo de cada meia-onda,

limitando o comprimento de expansão térmica (CET) (CARR, 2004b, FREDERIKSEN

et al., 1998, PEEK, 2004).

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Figura 8.118 – Vista em perspectiva de duto lançado com geometria “serpenteada”

As principais dificuldades da implementação prática desta solução estão na alta

dependência da interação solo-duto, no controle da geometria de lançamento e da

capacidade do barco de instalação fornecer o raio de curvatura mínimo. Estas variáveis

são de difícil controle podendo acarretar em variações significativas na geometria de

lançamento (CARR, 2004b).

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8.7.2 INTERFERÊNCIAS VERTICAIS

Esta estratégia para controlar a flambagem termomecânica do duto tem o mesmo

objetivo que a anterior, ou seja, limitar o comprimento de expansão térmica de cada alça

de deformação, mudando apenas a forma deste controle. Nesta metodologia são

colocadas imperfeições verticais em locais pré-estabelecidos (Figura 8.119) de forma a

assegurar a flambagem de forma controlada em determinas locações da linha.

Figura 8.119 – Lançamento de duto com geometria

com interferências verticais

As imperfeições verticais podem ser obtidas através suportes podendo ser utilizados

outros dutos (NYSTRON et al.,2001, CARR, 2004b). O princípio desta solução é o de

ativar o mecanismo de flambagem termomecânica lateral através de imperfeições

verticais. Nesta solução o ponto de flambagem será função da imperfeição vertical

adotada e do atrito existente entre o duto e seu suporte.

Para a adoção desta solução o lançamento deve ser bem controlado de forma que o duto

repouse gentilmente sobre a região central do apoio.

449

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Alguns limitantes desta solução, além da necessidade de controlar o lançamento,

consiste na possibilidade de ocorrência de vibração induzida por vórtice (VIV) na região

da imperfeição vertical, o que pode limitar a altura da imperfeição vertical.

Esta solução além de limitar o comprimento de expansão térmica elimina a interação

solo-duto na região suspensa, que é extremamente benéfico para as tensões e

deformações geradas.

8.7.3 FLUTUADORES PERMANENTES “DISTRIBUTED BUOYANCY”

Esta técnica consiste em utilizar estruturas que apliquem um empuxo na linha com o

objetivo de diminuir o atrito solo-duto e gerar imperfeições iniciais que iniciem um

processo de flambagem termomecânica lateral de forma controlada (Figura 8.120).

Figura 8.120 – Vista de duto com flutuador permanente.

450

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A flambagem termomecânica será estimulada preferencialmente nas regiões onde foram

instalados flutuadores, pois a redução no coeficiente de atrito lateral reduz o esforço

axial efetivo para iniciar a flambagem, quando comparado ao necessário na região em

contato diretamente com o solo. Outro aspecto positivo desta solução é que o empuxo

do flutuador é dimensionado para a fase de operação do duto, como no lançamento em

geral o duto encontra-se vazio um pequeno comprimento ficará “suspenso” gerando

imperfeições iniciais que irão diminuir ainda mais o esforço axial efetivo necessário

para iniciar a flambagem nos flutuadores.

Para a adoção desta solução deve-se avaliar o método de lançamento utilizado, já que a

instalação dos flutuadores necessita de uma logística de armazenamento, tempo

necessário de fixação, possibilidade de danos no material entre outros aspectos.

Um limitante para a adoção desta solução esta na possibilidade de ocorrência de VIV na

região com atrito reduzido que pode gerar problemas de estabilidade, além do custo e

durabilidade das bóias para lâminas d´agua profundas.

Esta solução além de limitar o comprimento de expansão térmica como nas demais

vistas, reduz sensivelmente a interação solo-duto na região das bóias, diminuindo as

tensões e deformações em relação ao caso de flambagem diretamente sobre o piso

marinho.

451

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8.7.3.1 SIMULAÇÃO DO COMPORTAMENTO DE DUTOS AQUECIDOS

UTILIZANDO SOLUÇÕES DE FLAMBAGEM CONTROLADA

As soluções mostradas para controlar o processo de flambagem termomecânica, são as

principais que estão sendo estudadas na atualidade. Outras soluções como a utilização

de “loops” de expansão, junção de dutos rígidos e flexíveis entre outras são alternativas

menos atraentes quando utilizadas em dutos longos devido ao grande número de

conexões a serem realizadas prejudicando a confiabilidade estrutural da linha como um

todo. A solução de controlar o processo de flambagem por meio do enterramento da

linha é inviável do ponto de vista técnico e econômico em lâminas d´agua profundas.

Conforme visto nas simulações de flambagem termomecânica do trecho de duto

analisado sobre o piso marinho, o comprimento de expansão térmica máximo (CET) é

inferior a 2000M. Para garantir que o duto não sofra flambagem com comprimentos

superiores a este, necessariamente deve-se utilizar alguma estratégia para induzir uma

flambagem controlada.

Será analisado neste item com os modelos implementados no AEEPECD o

comportamento estrutural das soluções utilizando interferências verticais e flutuadores

(bóias) para a seção do duto analisado como estudo de caso (Figura 8.1). Será analisado

de forma mais detalhada a solução utilizando flutuadores que permitem uma

confiabilidade maior na estratégia de formação de flambagens controladas

(CARR,2004g), através da redução do peso submerso do duto e consequentemente do

esforço axial critico de flambagem. Na solução com imperfeições verticais o atrito no

contato com o duto exige um esforço axial crítico de flambagem geralmente maior que

o necessário com a utilização de flutuadores.

Inicialmente será brevemente verificado o comportamento do trecho de duto analisado

(Figura 8.1), utilizando interferências verticais para o controle do processo de

flambagem termomecânica.

452

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A Figura 8.121 mostra um modelo simulado no ABAQUS utilizando elementos de viga

tridimensionais (PIPE31), onde foram consideradas duas interferências verticais com

CET=2000 m, e uma imperfeição lateral entre elas. A interferência vertical possui altura

de 305 mm, representando um duto de 12”, com imperfeição lateral com fator de forma

de H/L=0,125 e 0,250%. A imperfeição lateral entre as interferências verticais possui

fator de forma igual a H/L=0,500%, para representar uma imperfeição inicial de

lançamento mais crítica.

Também foram gerados modelos no AEEPECD para verificar a possibilidade de utilizar

um modelo 2D na simulação com interferências verticais, onde existe um efeito

tridimensional gerado pelas imperfeições nos planos vertical e lateral.

Figura 8.121– Vista do modelo de elementos finitos 3D do ABAQUS utilizado para

simular flambagem termomecânica com interferências verticais.

No modelo do ABAQUS no primeiro passo de carga é aplicado o peso submerso do

duto, no segundo passo de carga são ativadas as interferências verticais que são

representadas por elementos de contato, prescrevendo-se um deslocamento vertical

correspondente à altura do duto. No terceiro e quarto passos de carga são aplicadas as

pressões interna e externa e variação de temperatura. O atrito entre o duto e a

interferência vertical também é representado através de um elemento de contato com

coeficiente de atrito igual a 0,1.

453

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A Figura 8.122 mostra a deformada (amplificada 5x) do duto após a aplicação do peso

submerso e assentamento do duto sobre as interferências verticais. As Figuras 8.123 e

8.124 mostram as deformadas do duto (amplificada 5x) na região de uma interferência

vertical após a aplicação dos carregamentos de pressão e temperatura (∆θ=60 oC e

Pi=27.87 MPa), considerando imperfeições laterais de H/L=0,125 e 0,250% e atrito no

contato da interferência igual a 0,1, podendo-se observar que o duto sofreu flambagem

em modos diferentes. Tal fato é explicado pela concorrência existente entre as

imperfeições vertical e lateral e pela força gerada pelo atrito entre os dutos. A

determinação do ponto exato da instabilidade e a forma que o duto irá assumir é de

difícil previsão devido às incertezas existentes.

Figura 8.122– Detalhe na região de uma interferência vertical, mostrando deformada

(amplificada 5x) após assentamento do duto sobre interferência vertical (duto 12 pol).

454

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Figura 8.123 – Detalhe na região de uma interferência vertical para imperfeição lateral

de H/L=0,25%, mostrando deformada (amplificada 5x) para a condição máxima de

carregamento (∆θ=60 oC e Pi=27.87 MPa).

Figura 8.124 – Detalhe na região de uma interferência vertical para imperfeição lateral

de H/L=0,125%, mostrando deformada (amplificada 5x) para a condição máxima de

carregamento (∆θ=60 oC e Pi=27.87 MPa).

455

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O comportamento verificado nas simulações numéricas na configuração pós-flambagem

foi observado em dutos em operação utilizando interferências verticais no controle do

CET de cada alça de deformação, conforme pode ser visto nas Figuras 8.125 e 8.126,

onde o duto assume os modos 2 e 3, após a ocorrência da flambagem termomecânica.

Na Figura 8.127 pode-se verificar também um flambagem entre duas interferências

verticais, mostrando que existe a possibilidade de ocorrência de flambagens sobre o piso

marinho. A ocorrência de flambagem sobre o piso marinho deve ser considerada como

uma possibilidade real em estratégias de controle do CET, devido as incertezas e

variabilidade existentes nos cálculos.

Figura 8.125 – Deformada de duto submarino aquecido na região de uma

interferência vertical assumindo modo 1 de flambagem.

Figura 8.126 – Deformada de duto submarino aquecido na região de uma

interferência vertical assumindo modo 2 de flambagem.

456

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Figura 8.127 – Deformada de duto submarino aquecido sobre o piso marinho

na região entre duas interferências verticais assumindo modo 3 de flambagem.

Outro fato interessante observado nas simulações numéricas realizadas é que apesar da

imperfeição vertical ser bem superior às possíveis imperfeições laterais existentes, a

flambagem ocorre no plano lateral, sendo semelhante a que ocorre quando o duto é

apoiado diretamente sobre o piso marinho. Em geral a flambagem de dutos apoiados

sobre o piso marinho ocorrem no plano lateral, pois as cargas críticas de flambagem são

bem inferiores à necessária para a ocorrência de uma flambagem vertical. Porém no

caso com interferências verticais a ocorrência do mesmo fenômeno parece improvável

devido à imperfeição vertical. Na realidade o processo de flambagem de dutos com

interferências verticais é um processo tridimensional, onde a flambagem poderá ocorrer

tanto no plano horizontal quanto vertical dependendo das imperfeições existentes e do

atrito existente na interferência. No dimensionamento utilizando interferências verticais

a altura da interferência e os atritos devem ser definidos para gerar a flambagem lateral,

caso contrário o duto iniciará a instabilidade na direção vertical e logo em seguida irá

flambar na direção horizontal devido à ausência de restrições, o que pode causar danos

ao duto durante o tombamento.

Na Figura 8.128 pode-se verificar o alívio da força de reação no contato entre os dutos

na região da interferência vertical, considerando diferentes alturas e coeficientes de

atrito, podendo-se observar claramente o ponto de flambagem lateral caracterizado pelo

fim no alívio na reação vertical no contato. De um modo geral para imperfeições

verticais da ordem do diâmetro do duto analisado a flambagem sempre ocorrerá no

plano horizontal. A altura máxima da interferência vertical é limitada na prática pela

457

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corrente existente próxima ao piso marinho, que pode gerar vibrações exageradas no

duto (VIV).

Figura 8.128 – Alívio da reação vertical no contato entre o duto e a interferência vertical

durante a aplicação da pressão e temperatura, para diferentes coeficientes de atrito

(duto-duto) e altura da imperfeição vertical.

Como a flambagem utilizando interferências verticais ocorre no plano horizontal, será

utilizado o programa AEEPECD, comparando seus resultados com os obtidos no

modelo tridimensional do ABAQUS. Porém antes de mostrar os resultados das

comparações, é necessário mostrar que a região suspensa do duto possui comprimento

praticamente constante no plano vertical, independentemente dos movimentos ocorridos

no plano vertical.

Na Figura 8.129 são mostradas as deformadas do duto na direção vertical após o

assentamento sobre a interferência e para os carregamentos máximo de temperatura e

pressão, podendo-se observar que a região de contato com o solo se altera muito pouco.

458

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Figura 8.129 – Deformadas do duto na direção vertical para imperfeições laterais de

H/L=0,125 e 0,250%, após o assentamento do duto e para o carregamento máximo

(∆θ=60 oC e Pi=27.87 MPa).

A simulação utilizando o AEEPECD foi feita retirando-se os elementos de solo na

região suspensa do duto, inserindo uma força de atrito no centro da imperfeição

correspondente ao peso submerso suspenso multiplicado pelo coeficiente de atrito entre

o duto e a interferência.

Na Figura 8.130 pode ser vista a deformada do duto na região de uma interferência para

o carregamento máximo de temperatura e pressão (∆θ=60 oC e Pi=27.87 MPa),

podendo-se verificar uma boa concordância entre os resultados do AEEPECD e

ABAQUS quando é utilizada a mesma imperfeição lateral inicial. Na Figura 8.130

também é mostrada a deformada do AEEPECD com atrito na interferência nulo.

Na Figura 8.131 pode ser vista a deformação axial ao longo do duto na região de uma

interferência para o carregamento máximo de temperatura e pressão (∆θ=60 oC e

Pi=27.87 MPa), verificando-se novamente uma boa concordância entre os resultados do

AEEPECD e ABAQUS quando é utilizada a mesma imperfeição lateral inicial.

459

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Figura 8.130 – Deformadas do duto (ABAQUS e AEEPECD) considerando

H/L=0,250%, para o carregamento máximo (∆θ=60 oC e Pi=27.87 MPa),

mostrando região de contato do duto com o solo.

Figura 8.131 – Deformação ao longo do duto para os modelos do ABAQUS e

AEEPECD, considerando imperfeição lateral de H/L=0,250%, para o carregamento

máximo (∆θ=60 oC e Pi=27.87 MPa).

460

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Apesar das comparações entre o AEEPECD e ABAQUS (modelo tridimensional)

fornecerem bons resultados para o carregamento máximo, a determinação do ponto de

flambagem deve ser feita utilizando um modelo tridimensional, já que a carga crítica de

flambagem é influenciada pelas imperfeições nos planos vertical e horizontal. Isto pode

ser visto na Figura 8.132, onde verifica-se que o ponto de início do processo de

flambagem nos modelos 3D (ABAQUS) e 2D (AEEPECD) são bem diferentes.

Figura 8.132 – Deslocamento do duto no ponto da interferência vertical, nos modelos

do ABAQUS (tridimensional) e AEEPECD, com atrito na interferência igual a 0,1.

Para controlar o processo de flambagem deve-se obter o comprimento de expansão

térmica máximo, para posicionar os flutuadores ou interferências verticais de forma

segura. Mesmo utilizando técnicas de controle do processo de flambagem o

espaçamento máximo, ainda será limitado por uma possível flambagem do duto sobre o

piso marinho entre os flutuadores (ou interferências verticais).

461

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A Figura 8.133 mostra o esforço axial efetivo no trecho de duto analisado (Figura 8.1),

antes e após a flambagem utilizando flutuadores com CET=2000 m. Pode-se verificar

que caso ocorra uma flambagem não controlada entre as bóias o CET máximo será em

torno de 900 m, que pode ser obtida fazendo a combinação das cargas críticas de

flambagem e dos coeficientes de atritos lateral e axial (máximo, médio e mínimo).

Para o comprimento de expansão térmica de 900 m a flambagem do duto sobre o piso

marinho obedece aos estados limites de flambagem local e fadiga termomecânica para o

carregamento máximo (tabela 8.4). Olhando sobre este aspecto o espaçamento entre as

bóias poderia ser aumentado, porém caso alguma bóia falhe devido a ocorrência de uma

flambagem lateral ou vertical num vão-livre, o comprimento de expansão térmica seria

em torno de 2000m, que conforme visto nos itens anteriores esta acima do CET máximo

admissível dependendo das incertezas existentes na determinação da forma da curva de

reação lateral para a interação solo-duto.

Figura 8.133 – Distribuição de esforço axial efetivo antes e após flambagem, utilizando

flambagem controlada com bóias espaçadas a cada 2 km, e considerando uma

flambagem intermediária entre as bóias no solo.

462

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A utilização de bóias para controlar a flambagem termomecânica é feita reduzindo-se o

peso submerso de um trecho do duto, utilizando materiais de baixa densidade para gerar

o empuxo requerido. A utilização de bóias gera um custo elevado pois são feitas de um

material especial para suportar a pressão externa em águas profundas. Deste modo o

comprimento e o empuxo necessário para controlar o processo de flambagem devem ser

otimizados para diminuir os custos envolvidos com esta solução.

Nas simulações realizadas foram avaliados diferentes comprimentos de bóias reduzindo

a reação lateral do solo máxima obtida no item (8.3). Foram avaliados os comprimentos

de 40 a 200 m para verificar o comportamento do duto reduzindo a reação do solo ao

longo de 10 ciclos de carregamento e descarregamento.

As Figuras 8.134 a 8.136 mostram a evolução da deformação axial no ponto crítico da

alça de deformação com flambagem lateral, para os diferentes comprimentos de bóias

analisados, reduzindo a reação máxima do solo em 80, 60 e 40% respectivamente. Pode-

se observar de um modo geral para os casos com redução de 80 e 60 % na reação

lateral, que quanto maior for o comprimento da bóia, menor é a deformação axial

máxima obtida. Para redução da reação máxima do solo de 40% a deformação axial não

apresenta ganhos significativos variando o comprimento da bóia (8.124).

463

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Figura 8.134 – Deformação axial durante 10 ciclos com “shutdown” completo

(∆θ=60 oC e ∆P=20,68 MPa), para µL1=1,00*1,05 e µL2=0,50*1,05 na região em

contato com o solo, e redução de 80% na reação lateral máxima nas bóias.

Figura 8.135 – Deformação axial durante 10 ciclos com “shutdown” completo

(∆θ=60 oC e ∆P=20,68 MPa), para µL1=1,00*1,05 e µL2=0,50*1,05 na região em

contato com o solo, e redução de 60% na reação lateral máxima nas bóias.

464

Page 478: CENTRO DE PESQUISAS E DESENVOLVIMENTO … para anÁlise e projeto de dutos submarinos submetidos a altas pressÕes e temperaturas via aplicaÇÃo do mÉtodo dos elementos finitos

Figura 8.136 – Deformação axial durante 10 ciclos com “shutdown” completo

(∆θ=60 oC e ∆P=20,68 MPa), para µL1=1,00*1,05 e µL2=0,50*1,05 na região em

contato com o solo, e redução de 40% na reação lateral máxima nas bóias.

A deformação axial apresenta, à primeira vista, para alguns comprimentos de bóia

analisados um comportamento estranho, visto que aumentando o comprimento da bóia a

deformação aumenta, como pode ser verificado por exemplo para os comprimentos de

60 e 120 m na Figura 8.135 (redução de 60% na reação lateral). Tal comportamento

ocorre pois existe uma interação entre o comprimento de bóia utilizado e as alças de

deformação principal e secundária do modo de flambagem assumido pelo duto.

As Figuras 8.137 a 8.142 mostram a deformada do duto para o carregamento máximo de

temperatura e pressão (∆θ=60 oC e Pi=27.87 MPa), ao longo dos ciclos, para os

diferentes comprimentos de bóia analisados, considerando redução de 80% na reação

lateral máxima. Também são mostradas nas Figuras 8.137 a 8.142 as deformadas do

duto sobre o piso marinho para o atrito lateral máximo (1,05) no primeiro ciclo de

carregamento, podendo-se visualizar quando o comprimento da bóia abrange as

diferentes alças de deformação do duto, gerando o comportamento não linear verificado

para a deformação axial para alguns comprimentos de bóia.

465

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Figura 8.137 – Deformada do duto durante 10 ciclos com parada completo

(∆θ=60 oC e ∆P=20,68 MPa), para µL1=1,00*1,05 e µL2=0,50*1,05 na região em

contato com o solo, e bóia de 40 m com redução de 80% na reação lateral máxima.

Figura 8.138 – Deformada do duto durante 10 ciclos com parada completo

(∆θ=60 oC e ∆P=20,68 MPa), para µL1=1,00*1,05 e µL2=0,50*1,05 na região em

contato com o solo, e bóia de 60 m com redução de 80% na reação lateral máxima.

466

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Figura 8.139 – Deformada do duto durante 10 ciclos com parada completo

(∆θ=60 oC e ∆P=20,68 MPa), para µL1=1,00*1,05 e µL2=0,50*1,05 na região em

contato com o solo, e bóia de 80 m com redução de 80% na reação lateral máxima.

Figura 8.140 – Deformada do duto durante 10 ciclos com parada completo

(∆θ=60 oC e ∆P=20,68 MPa), para µL1=1,00*1,05 e µL2=0,50*1,05 na região em

contato com o solo, e bóia de 120 m com redução de 80% na reação lateral máxima.

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Figura 8.141 – Deformada do duto durante 10 ciclos com parada completo

(∆θ=60 oC e ∆P=20,68 MPa), para µL1=1,00*1,05 e µL2=0,50*1,05 na região em

contato com o solo, e bóia de 160 m com redução de 80% na reação lateral máxima.

Figura 8.142 – Deformada do duto durante 10 ciclos com parada completo

(∆θ=60 oC e ∆P=20,68 MPa), para µL1=1,00*1,05 e µL2=0,50*1,05 na região em

contato com o solo, e bóia de 200 m com redução de 80% na reação lateral máxima.

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As Figuras 8.143 a 8.145 mostram a evolução da tensão axial no ponto crítico da alça de

deformação com flambagem lateral, para os diferentes comprimentos de bóias

analisados, reduzindo a reação máxima do solo em 80, 60 e 40% respectivamente.

Figura 8.143 – Tensão axial durante 10 ciclos com “shutdown” completo

(∆θ=60 oC e ∆P=20,68 MPa), para µL1=1,00*1,05 e µL2=0,50*1,05 na região em

contato com o solo, e redução de 80% na reação lateral máxima nas bóias.

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Figura 8.144 – Tensão axial durante 10 ciclos com “shutdown” completo

(∆θ=60 oC e ∆P=20,68 MPa), para µL1=1,00*1,05 e µL2=0,50*1,05 na região em

contato com o solo, e redução de 60% na reação lateral máxima nas bóias.

Figura 8.145 – Tensão axial durante 10 ciclos com “shutdown” completo

(∆θ=60 oC e ∆P=20,68 MPa), para µL1=1,00*1,05 e µL2=0,50*1,05 na região em

contato com o solo, e redução de 40% na reação lateral máxima nas bóias.

470

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Os resultados apresentados mostram que reduções de até 40% na reação lateral máxima

não fornecem ganhos significativos para a deformação e variação de tensão axial

máximas, variando os comprimentos das bóias. Para valores acima destes pode-se obter

um comprimento que minimize os esforços na alça de deformação.

As Figuras 8.146 e 8.147 mostram os estados limites de flambagem local

(despressurização) e fadiga, para os resultados obtidos reduzindo a reação lateral do

solo e variando o comprimento de bóia. Pode-se verificar que o estado limite de

flambagem local fica bem abaixo do limite para todos os casos analisados, porém o

comportamento mais uniforme só é obtido com a redução de 80% da reação lateral do

solo, onde a partir de um comprimento de bóia de 80 m, a redução da deformação axial

é mínima. Os aumentos verificados na deformação axial para alguns comprimentos de

bóias, devem-se a interação entre o comprimento da bóia e as alças de deformação

principal e secundária do duto sobre o solo, conforme explicado anteriormente.

Figura 8.146 – Check Unitário de deformação nos ciclos 1 e 10

(∆θ=60 oC e ∆P=20,68 MPa).

471

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Figura 8.147 – Check Unitário de fadiga nos ciclos 1 e 10

(∆θ=60 oC e ∆P=20,68 MPa).

Observando os resultados obtidos poder-se-ia concluir não ser necessário fornecer um

empuxo que reduza a reação lateral do solo acima de 40%, já que os estados limites de

flambagem local e fadiga passam com folga. Porém o empuxo e conseqüentemente a

redução na reação lateral do solo é geralmente definido pela confiabilidade desejada

para que a flambagem ocorra preferencialmente nas bóias e não sobre o piso marinho.

Em uma primeira avaliação a redução na reação lateral do solo pode ser considerada

proporcional à redução no peso submerso do duto, o que é na realidade uma hipótese

conservadora já que o aumento da área de contato gerada pela bóia reduz o

enterramento de forma mais acentuada e conseqüentemente a reação lateral.

A Figura 8.148 mostra a redução na reação lateral em função do empuxo fornecido (%

do peso submerso do duto) utilizando as expressões 8.9 e 8.25, para os diferentes perfis

de resistência não-drenada do solo, verificando-se que de um modo geral a redução na

reação lateral é maior que a redução do peso submerso gerada pelo empuxo. Para a

obtenção do empuxo requerido para reduzir a reação lateral do solo de forma mais

precisa, deve-se utilizar um modelo de elementos finitos, já que expressões analíticas

possuem grandes incertezas associadas.

472

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Figura 8.148 – Redução na reação lateral do solo em função

do empuxo fornecido pela bóia.

Como foi observado nas Figuras 8.146 e 8.147, mesmo para a redução de 40% na

reação lateral do solo (peso submerso), os estados limites de flambagem local e fadiga

são obedecidos com relativa folga. Tal resultado permitiria inclusive aumentar o

comprimento de expansão térmica para valores superiores ao analisado (CET=2000 m),

sem comprometer a integridade estrutural do duto.

Porém a determinação do espaçamento entre os pontos preferenciais de flambagem

assim como o nível de redução na reação lateral do solo proporcionado pelo empuxo das

bóias, é função também do nível de confiabilidade que deve ser alcançado. Deste modo

a possibilidade de flambagens no piso marinho entre as bóias, ou mesmo a chance de

falha de flambagem em alguma bóia deve ser analisado para não comprometer a

performance da solução.

473

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Para verificar o nível de confiabilidade das soluções de flambagem controlada, modelos

teóricos vêm sendo desenvolvidos. A análise de modelos de confiabilidade assim como

seu desenvolvimento foge ao objetivo deste trabalho, porém será avaliado de forma

simplificada o nível de confiabilidade da solução com bóias e interferências verticais.

Modelos de confiabilidade podem ser desenvolvidos a partir da determinação das

funções de estado limite que regem o fenômeno de flambagem em dutos aquecidos. A

flambagem irá ocorrer quando o esforço axial no duto for maior que o esforço limite

crítico, sendo dado pela seguinte expressão:

(8.26)

Para imperfeições verticais o esforço axial crítico de flambagem é dado por (CARR,

2004g,2004j):

critef NN ≥

Xk

EIWN

w

subcrit

φ∆= (8.27)

Para imperfeições laterais com comprimentos longos o esforço axial crítico de

flambagem é dado por:

RXWN subLcrit µ= (8.28)

Nas expressões acima:

é o peso submerso do duto subW

EI é o módulo de rigidez à flexão

∆ é a altura máxima da imperfeição vertical

é um parâmetro ajustado numéricamente

R é o raio de curvatura.

wkφ

Lµ é o coeficiente de atrito lateral.

X é a incerteza associada ao modelo

474

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No cálculo dos modelos de confiabilidade foi utilizada a técnica de Monte-Carlo para a

geração das curvas de probabilidade de falha acumuladas. A tabela 8.11 mostra os

valores utilizados nos cálculos baseados em dados específicos de projeto de dutos

submarinos com características semelhantes ao avaliado neste capítulo (CARR, 2004 j).

Tabela 8.11 – Distribuição de probabilidades das variáveis básicas

utilizadas no modelo de confiabilidade

Variável Distribuição Média Cov

subW Normal 1,284 KN/m 0,75%

EI Normal Calculado 3,2%

∆ Normal 0,20 m 25%

wkφ Normal 0,061 0,2%

R Normal 1500 m 20%

Lµ Normal 1,05 10%

Utilizando as funções de estado limite e os dados da tabela 8.11, foi possível gerar as

curvas de probabilidade de flambagem para o duto sobre o piso marinho e bóia nas

direções vertical e horizontal.

Verifica-se que para um empuxo de 80% do peso submerso do duto a probabilidade de

ocorrência de flambagem nas bóias ocorre para esforços axiais significativamente

menores aos verificados para o duto sobre o piso marinho. A Figura 8.149 mostra para

os dados utilizados, que a probabilidade de flambagem (falha) na bóia é de praticamente

100%, enquanto é praticamente nula no piso marinho, quando se comparam os

resultados nas direções vertical e lateral.

475

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Figura 8.149 – Probabilidade de flambagem em função do esforço axial efetivo

para duto sobre o piso marinho e com bóias (redução de 80% no peso submerso)

Nas Figuras 8.150 e 8.151 são mostrados respectivamente as curvas de probabilidade de

falha para empuxos de 60 e 40% do peso submerso respectivamente. Pode-se observar

que para uma redução de 60% no peso submerso, a probabilidade de falha no piso

marinho aumenta, já que o esforço axial correspondente a aproximadamente 100% de

probabilidade de flambagem na bóia, fornece uma probabilidade próxima a 10% de

flambagem sobre o piso marinho. Para uma redução de apenas 40% no peso submerso a

situação fica ainda mais desfavorável já que o esforço axial correspondente a

aproximadamente 100% de probabilidade de flambagem na bóia, fornece uma

probabilidade próxima a 50% de flambagem sobre o piso marinho.

As probabilidades de falha associadas às reduções de 60 e 40% do peso submerso do

duto obtidas não são aceitáveis. Em geral probabilidades de falha são limitadas a valores

inferiores a 10-4 nos códigos de dimensionamento para estados limites críticos, sendo

razoável adotar-se o mesmo critério em estudos de confiabilidade de dutos aquecidos,

como é o caso de flambagens sobre o piso marinho.

476

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Figura 8.150 – Probabilidade de flambagem em função do esforço axial efetivo

para duto sobre o piso marinho e com bóias (redução de 60% no peso submerso).

Figura 8.151 – Probabilidade de flambagem em função do esforço axial efetivo

para duto sobre o piso marinho e com bóias (redução de 60% no peso submerso).

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Desta forma, para obter-se uma probabilidade de falha no piso marinho inferior a 10-4 é

necessário reduzir o peso submerso do duto para algo em torno de 80%, para obter-se

elevados níveis de confiabilidade de flambagem nos flutuadores no caso analisado.

A Figura 8.152 mostra a probabilidade de flambagem nas bóias e piso marinho, para

uma redução de 80% no peso submerso porém reduzindo o coeficiente de atrito lateral

médio para 0,75. Observa-se uma redução dos esforços axiais de flambagem, porém

mantendo-se as proporções entre as curvas obtidas anteriormente (Figura 8.149), para

flambagem lateral, mantendo a conclusão obtida anteriormente. A Figura 8.152 como as

mostradas anteriormente, mostra que a flambagem ocorre mais facilmente no plano

horizontal visto que as cargas para a ocorrência de flambagem vertical são

sensivelmente maiores.

Figura 8.152 – Probabilidade de flambagem em função do esforço axial efetivo

para duto sobre o piso marinho e com bóias (redução de 80% no peso submerso e

redução do atrito lateral médio para 0,75).

478

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De um modo geral, como pode ser observado, a redução no peso submerso do duto é

definido pelo nível confiabilidade a ser alcançado e não pelos estados limites críticos de

dimensionamento em dutos aquecidos. Os estados limites críticos definem o

espaçamento entre os pontos preferenciais de flambagem (CET) e no caso das bóias

permitem otimizar o comprimento necessário.

No caso de interferências verticais “sleepers”, o modelo de confiabilidade deve

considerar a tridimensionalidade do fenômeno de flambagem. Carr (2004j) desenvolveu

um modelo de confiabilidade de flambagem para imperfeições verticais que leva em

consideração o efeito tridimensional do fenômeno, através da expressão mostrada

abaixo.

XaNN

aaNN

aaNNV

L

V

LLcrit ⎥

⎢⎢

⎡−⎟⎟

⎞⎜⎜⎝

⎛+−⎟⎟

⎞⎜⎜⎝

⎛+= 3

2

2121 (8.29)

onde:

w

subV sk

EIWN

φ∆= e RsWN subLSL µ= (8.30)

com:

∆s - altura máxima da imperfeição vertical “sleeper”

Rs - raio de curvatura na região da imperfeição vertical.

LSµ - coeficiente de atrito lateral entre os dutos

As demais variáveis são as mesmas descritas para as equações (8.27) e (8.28). Os

parâmetros a1, a2 e a3 são valores ajustados que dependem de propriedades geométricas

da seção transversal do duto. No caso específico analisado neste capítulo (Carr,2004j)

assumem valores respectivamente de 2,0367; 2,5151 e 4,8581.

479

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A tabela 8.12 mostra os valores adicionais necessários para os cálculos no modelo com

interferências verticais baseados em dados específicos de projeto de dutos submarinos

com características semelhantes ao avaliado neste capítulo (CARR, 2004 j).

Tabela 8.12 – Distribuição de probabilidades das variáveis básicas adicionais

utilizadas no modelo de confiabilidade de interferências verticais

Variável Distribuição Média Cov

∆s Normal 0,50 m 15%

Rs Normal 5000 m 20%

LSµ Normal 0,1 10%

Utilizando as funções de estado limite e os dados das tabelas 8.11 e 8.12, pode-se

comparar as curvas de probabilidade de flambagem para o duto sobre o piso marinho,

bóia e interferência vertical. A Figura 8.153 mostra que a interferência vertical possui

potencialidade de flambagem bem superior a verificada sobre o piso marinho, porém

ainda menor que na bóia (empuxo de 80% do peso submerso) para flambagem lateral.

De um modo geral as bóias com empuxos adequados possuem uma confiabilidade

maior, já que iniciam o processo de flambagem para cargas de compressão menores.

Outro fator que deve ser considerado na solução utilizando interferências verticais é o

controle do atrito entre os dutos, que deve ser o menor possível. Na Figura 8.153 foi

utilizado um valor igual a 0,1, caso o atrito seja igual a 0,2 a potencialidade de

flambagem nas regiões com interferências verticais diminui sensivelmente como pode

ser visto na Figura 8.154.

480

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Figura 8.153 – Probabilidade de flambagem em função do esforço axial efetivo

para duto sobre o piso marinho e com bóias (redução de 80% no peso submerso) e

interferências verticais.

Figura 8.154 – Probabilidade de flambagem em função do esforço axial efetivo

para duto sobre o piso marinho e com bóias (redução de 80% no peso submerso) e

interferências verticais aumentando atrito para 0,2.

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Conforme foi visto de forma bastante sucinta as soluções para controle de flambagem

termomecânica devem envolver análises do nível de confiabilidade requerida para o

caso específico em estudo. Os modelos empregados para avaliar o nível de

confiabilidade ainda estão sendo validados, sendo empregados em alguns projetos

(CARR,2004c,2004j), obtendo resultados satisfatórios.

482

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9 CONCLUSÕES E RECOMENDAÇÕES

O estudo do comportamento termomecânico de dutos submarinos submetidos à altas

temperaturas e pressões tem ganho uma grande importância na última década, devido a

necessidade de escoar óleo em distâncias e lâminas d´agua cada vez maiores.

Um dos principais objetivos deste trabalho foi estudar o comportamento estrutural de

dutos aquecidos frente aos estados limites de flambagem local de parede e fadiga

termomecânica. Confirmou-se que para viabilizar o dimensionamento de dutos

submarinos apoiados sobre o piso marinho com elevadas pressões e temperaturas deve-

se utilizar uma metodologia de dimensionamento baseada em deformações admissíveis.

O dimensionamento utilizando o critério tradicional baseado no dimensionamento por

tensões admissíveis ou esforços solicitantes leva a comprimentos de expansão térmica

máximos muito reduzidos conforme visto no capítulo 8.

Os modelos implementados no programa AEEPECD para considerar diferentes aspectos

da interação solo-duto vistos no capítulo 8, mostraram ser possível através da utilização

do dimensionamento por deformações admissíveis obter comprimentos de expansão

térmica (CET), que conjugados à técnicas de controle do processo de flambagem

viabilizam o dimensionamento de dutos submarinos mesmo para coeficientes de atritos

representativos de condições extremas.

Outro aspecto verificado nos modelos simulados foi a necessidade de representar a

interação solo-duto da forma mais realista possível visto que a deformação axial é uma

variável que possui grande sensibilidade quando a plasticidade do material é ativada. Na

realidade o comportamento de dutos aquecidos é regido por um mecanismo misto de

carga e deslocamento controlados. O deslocamento controlado é induzido pela expansão

térmica do duto, enquanto existe uma componente de carga controlada dada pela reação

lateral do solo (atrito lateral). O dimensionamento utilizando critério de deformações

pode ser utilizado em dutos aquecidos, porém utilizando um modelo de solo bem

representativo e com uma certa dose de conservadorismo (coeficientes de atrito

críticos), gerando grandes ganhos em relação à metodologia usual. A utilização do

483

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critério de deformações admissíveis só é possível em dutos submarinos profundos

devido à baixa relação D/t, que permite o dimensionamento em regime plástico.

A simulação de dutos aquecidos é feita usualmente utilizando modelo plástico-perfeito

(Mohr-Coulomb) para representar a interação solo-duto. Foi visto no capítulo 8 que esta

forma de representar as reações desenvolvidas pelo solo, não é adequada para avaliar o

comportamento de dutos aquecidos submetidos à carregamentos cíclicos. A

consideração de pico iniciais de mobilização no atrito lateral, efeito de valas sobre o

piso marinho e o atrito lateral “secundário” devem ser inseridos no modelo para

representar adequadamente o comportamento termomecânico do duto.

As simulações utilizando modelos de interação solo-duto com valas mostraram que

estas praticamente não alteram as deformações e tensões máximas nas alças com

flambagem ao longo dos ciclos de carregamento e descarregamento para variações de

temperatura e pressão que não excedam significativamente as que geraram a vala,

fornecendo apenas estabilidade ao duto condizente com observações realizadas em

linhas em operação.

O principal problema associado às valas sobre o piso marinho reside na possibilidade

destas serem formadas com um determinado par temperatura/pressão,

significativamente diferente do máximo projetado para a linha. Isto poderia

sobrecarregar o duto numa condição extrema, caso o acréscimo de atrito lateral da vala

seja mobilizado envolvendo deslocamentos significativos.

A simulação do comportamento do duto para vários ciclos de carregamento e

descarregamento quando é utilizada a metodologia de deformações admissíveis é

fundamental, pois a condição mais crítica ocorre durante uma possível despressurização

da linha, conforme verificado no capítulo 8.

A consideração correta da pressão interna no desenvolvimento do processo de

flambagem em dutos submarinos é fundamental já que é uma parcela significativa do

esforço efetivo axial de compressão no duto. A contribuição da pressão interna tende a

se tornar cada vez mais significativa com o desenvolvimento de campos submarinos em

lâminas d´agua cada vez mais profundas.

484

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A utilização das curvas de fadiga usuais (SN) permitem avaliar o estado limite de fadiga

em dutos aquecidos, mostrando que o número de ciclos máximos é relativamente baixo

(em torno de 1000 ciclos para as variações máximas de tensão num aço X65), o que

pode ser um grande problema em dutos aquecidos com número elevado de ciclos de

aquecimento e resfriamento. Outro problema que pode tornar a fadiga crítica é a

exposição do aço a ambientes agressivos (CO2 e H2S), onde algumas pesquisas ainda

incipientes mostraram redução na vida à fadiga de até 50 vezes em relação às curvas de

fadiga no ar.

A utilização de métodos para o controle de flambagem termomecânica mostrados,

permitem reduzir significativamente as deformações e tensões, proporcionando uma

alternativa viável para a redução do comprimento de expansão térmica (CET).

O principal problema das técnicas de controle de flambagem é garantir que não

ocorrerão flambagens intermediárias sobre o piso marinho ou que a flambagem falhe em

algum ponto pré-estabelecido. Desta forma a possibilidade de uma flambagem sobre o

piso marinho geralmente limita o espaçamento máximo entre os pontos de indução de

flambagem. Atualmente estão sendo desenvolvidos modelos de análise de

confiabilidade para avaliar os riscos envolvidos em cada técnica de flambagem

controlada para que seja possível avaliar os custos e riscos envolvidos em cada solução.

Alguns dos principais pontos que ainda necessitam de estudos para a avaliação do

comportamento estrutural de dutos submarinos aquecidos são:

- Validação dos modelos de controle de flambagem através da comparação de

resultados de projetos, com os verificados durante a operação do duto. Atualmente

existem poucas validações da performance destas soluções, para avaliar as incertezas

envolvidas nos modelos e variáveis envolvidas.

485

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- Como as soluções utilizando flambagem controlada são muito recentes o seu

comportamento pode se melhor avaliado através de testes em escala reduzida.

- Montagem de uma base de dados com os principais fatores que influenciam o

início do processo de flambagem termomecânica, possibilitando o desenvolvimento de

modelos confiáveis de previsão de flambagem controlada (raio de curvatura, atritos

lateral e axial, incerteza do modelo, etc...). A montagem desta base de dados depende

muito de investimentos em inspeções submarinas do acompanhamento do

comportamento de linhas durante o início de operação e realização extensiva de testes

experimentais para a determinação das principais componentes das curvas de reação do

solo.

- Desenvolvimento de testes experimentais de interação solo-duto em escala

reduzida e real para dutos submetidos à carregamentos cíclicos com grandes

deslocamentos. Os testes têm como objetivo avaliar as principais características da

curva de reação do solo durante carregamentos cíclicos, sendo uma valiosa contribuição

para a utilização do critério de dimensionamento baseado em deformações admissíveis.

- O estado limite de fadiga em dutos aquecidos envolve ciclagem com grandes

variações de tensões (>SMYS), sendo necessário a determinação de curvas de fadiga

específicas de baixo ciclo, permitindo a obtenção de resultados mais representativos de

fadiga termomecânica. Pesquisas para a obtenção de curvas de fadiga em condições

extremas também são fundamentais, já que a flambagem termomecânica de dutos

geralmente envolve altas temperaturas, elevadas deformações e ambientes agressivos.

- As expressões existentes na literatura para a determinação da deformação axial

crítica fornecem resultados bem discrepantes entre si, devido a grande quantidade de

fatores envolvidos na detonação do processo de flambagem local de parede, sendo ainda

necessário um grande esforço tecnológico para considerar estes fatores numa única

expressão.

- O desenvolvimento do processo de flambagem termomecânica depende das

condições de contorno existentes, podendo ocorrer de forma abrupta. O estudo dos

efeitos dinâmicos envolvidos ao longo deste processo conjugado com a não-linearidade

486

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física do material deve ser investigado, para verificar a possibilidade de possíveis picos

de deformações durante a flambagem.

- O efeito de deformações residuais no duto no início do processo de flambagem

termomecânico deve ser avaliado, já que métodos de lançamento como “reel” geram

deformações residuaiseelevadas na linha.

487

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500

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ANEXO A (NOTAÇÃO UTILIZADA)

Na implementação do método dos elementos finitos, tensores de segunda ordem

simétricos são escritos como matriz coluna. A conversão da notação tensorial, incluído

tensores de ordem mais elevada para a notação matricial, é chamada de notação de

Voigt.

A conversão do tensor de tensões da notação tensorial para a matricial (Voigt) no caso

tridimensional é fornecida abaixo:

Tensorial (A.1)

ou:

Voigt (A.2)

A conversão do tensor de deformações da notação tensorial para a matricial (Voigt) no

caso tridimensional é fornecida da mesma forma que para o caso das tensões, conforme

abaixo:

(A.3)

ou:

(A.4)

[ ]⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

=⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

⎡=

zzzyzx

yzyyyx

xzxyxx

σσσσσσσσσ

σσσσσσσσσ

σ

333231

232221

131211

2

{ } { }yzxzxyzzyyxxT σσσσσσσ =

[ ]⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

=⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

=⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

⎡=

zzzyzx

yzyyyx

xzxyxx

zzzyzx

yzyyyx

xzxyxx

εγγγεγγγε

εεεεεεεεε

εεεεεεεεε

ε5.05.0

5.05.05.05.0

333231

232221

131211

2

{ } { }yzxzxyzzyyxxT γγγεεεε =

501

Page 515: CENTRO DE PESQUISAS E DESENVOLVIMENTO … para anÁlise e projeto de dutos submarinos submetidos a altas pressÕes e temperaturas via aplicaÇÃo do mÉtodo dos elementos finitos

O fator 2 presente na deformação cisalhante ( xyxy εγ 2= ), resulta da necessidade de

manter-se a equivalência de energia utilizando as notações tensorial ou matricial

(Voigt). É fácil verificar a equivalência para um incremento de energia interna de um

corpo sólido em ambas as notações, conforme mostrado abaixo:

[ ] [ ] { } { }σεσεσερ Tijij ddddW === 22

int : (A.5)

A notação matricial de Voigt é particularmente poderosa para a implementação no

método dos elementos finitos, na conversão de tensores de quarta ordem em matrizes de

segunda ordem. O caso da relação constitutiva linear elástica para o tensor de tensões, é

o caso mais importante envolvendo o tensor de quarta ordem.

A relação constitutiva entre o tensor de tensões e deformações em notação tensorial é

dada por:

ijklD

ijijklij D εσ = (A.6)

ou:

[ ] [ ] [ ]222 : εσ D= (A.7)

Utilizando a notação de Voigt (matricial), a relação constitutiva elástico linear tensão-

deformação é dada por:

{ } [ ]{ }εσ D= (A.8)

A matriz de constantes elásticas [ ]D , é fornecida abaixo para diferentes modelos

estruturais da mecânica do contínuo, assim como os vetores de tensão e deformação

utilizados na expressão (A.8).

502

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Estado Plano de tensões:

[ ]⎥⎥⎥⎥

⎢⎢⎢⎢

−−=

2

100

0101

21 νν

ν

ν

ED (A.9)

Estado Plano de deformações:

[ ] ( )( )( )

( )⎥⎥⎥⎥⎥⎥

⎢⎢⎢⎢⎢⎢

−−

−+

−=

ν

νν

νν

ν

νν

ν

12

2100

011

01

1

211

1ED (A.10)

Para os modelos de estado plano de tensão e deformação os vetores de tensão e

deformação utilizando a notação de Voigt, são dados por:

(A.11)

{ } { }xyyyxxT σσσσ =

{ } { }xyyyxxT εεεε =

503

Page 517: CENTRO DE PESQUISAS E DESENVOLVIMENTO … para anÁlise e projeto de dutos submarinos submetidos a altas pressÕes e temperaturas via aplicaÇÃo do mÉtodo dos elementos finitos

Modelo axissimétrico:

[ ] ( )( )( )

( )⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥

⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢

−−

−−−

−−

−+

−=

1011

012

2100

101

1

10

11

211

1

ν

ν

ν

νν

νν

ν

ν

νν

ν

ν

ν

νν

νED (A.12)

Os vetores de tensão e deformação para o modelo axissimétrico utilizando a notação de

Voigt, é fornecido abaixo:

(A.13)

Modelo tridimensional:

{ } { }zzxyyyxxT σσσσσ =

{ } { }zzxyyyxxT εεεεε =

[ ] ( )( )( )

( )

( )

( )⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥

⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢

−−

−−

−−−

−−

−−

−+

−=

ν

νν

νν

νν

ν

ν

νν

ν

ν

νν

ν

ν

ν

νν

ν

12

2100000

012

210000

0012

21000

000111

0001

11

00011

1

211

1ED (A.14)

Os vetores de tensão e deformação utilizados em conjunto com a matriz de constantes

elásticas, são os mesmos definidos anteriormente em (A.2) e (A.4).

504

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ANEXO B - CAMPOS DE DESLOCAMENTOS E DEFORMAÇÕES PARA ELEMENTO DE CONTÍNUO E CONTATO TRIDIMENSIONAIS

B.1 ELEMENTO DE CONTÍNUO TRIDIMENSIONAL

Da mesma forma feita para o elemento de contínuo bidimensional, pode-se obter as

expressões para o campo de deslocamentos e deformações para o elemento sólido

isoparamétrico tridimensional em função dos deslocamentos nodais.

Utilizando as funções de interpolação do elemento sólido 3D (Figura B.1), pode-se

campo de deslocamentos no domínio de cada elemento para problemas tridimensionais

em função dos valores nodais, que em notação matricial pode ser definida como

(COSTA,1984, BATHE,1996):

(B.1)

onde:

N – Número de Nós dos elementos sólidos tridimensionais (1 até 20)

- vetor de deslocamentos no domínio do elemento

{ } [ ]{ }

⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪

⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪

⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪

⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪

⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

⎪⎭

⎪⎬⎫

⎪⎩

⎪⎨⎧

===

N

N

N

N

N

N

WVU

WVUWVU

wv

HHH

HHH

HHH

UHu

d

M2

2

2

1

1

1

21

21

21

00...000000...000000...0000

{ }d

505

Page 519: CENTRO DE PESQUISAS E DESENVOLVIMENTO … para anÁlise e projeto de dutos submarinos submetidos a altas pressÕes e temperaturas via aplicaÇÃo do mÉtodo dos elementos finitos

[ ]H - Matriz de funções de interpolação do elemento

- vetor de deslocamentos nodais do elemento referido ao sistema global

{ }U

Figura B.1 - Elemento isoparamétrico tridimensional com número

de nós variando de 8 até 20

As funções de interpolação para o elemento sólido isoparamétrico tridimensional com

número de nós variando de 8 até 20 são fornecidas abaixo (COSTA,1984,

BATHE,1996).

( ) 21712911 ggggH ++−=

( ) 21810922 ggggH ++−=

( ) 219111033 ggggH ++−=

( ) 220121144 ggggH ++−=

( ) 217161355 ggggH ++−=

( ) 218141366 ggggH ++−=

( ) 219151477 ggggH ++−=

506

Page 520: CENTRO DE PESQUISAS E DESENVOLVIMENTO … para anÁlise e projeto de dutos submarinos submetidos a altas pressÕes e temperaturas via aplicaÇÃo do mÉtodo dos elementos finitos

( ) 220161588 ggggH ++−=

jj gH = para j = 9, .. , 20

(B.2)

onde:

caso o nó i não seja incluído

)

0=ig

( ) ( ) ( iiii GGGg ζζηηξξ ,,,= (B.3)

( ) ( )ββββ iiG += 121, p 1ara ±=iβ

( ) ( )2121, βββ −=iG para 0=iβ (B.4)

Nas duas expressões acima ζηξβ ,,=

O tensor de deformação tridimensional está associado a uma matriz de transformação

linear (deslocamento versus deformação), conforme apresentado abaixo na forma

matricial.

⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪

⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪

⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪

⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪

∂∂

+∂∂

∂∂

+∂∂

∂∂

+∂∂∂∂∂∂∂∂

=

⎪⎪⎪⎪

⎪⎪⎪⎪

⎪⎪⎪⎪

⎪⎪⎪⎪

zu

xw

zv

yw

yu

xv

zwyvxu

xz

yz

xy

zz

yy

xx

γγγεεε

(B.5)

507

Page 521: CENTRO DE PESQUISAS E DESENVOLVIMENTO … para anÁlise e projeto de dutos submarinos submetidos a altas pressÕes e temperaturas via aplicaÇÃo do mÉtodo dos elementos finitos

ou:

⎪⎪⎪⎪⎪⎪

⎪⎪⎪⎪⎪⎪

⎪⎪⎪⎪⎪⎪

⎪⎪⎪⎪⎪⎪

∂∂∂∂∂∂∂∂∂∂∂∂∂∂∂∂∂∂

⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥

⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢

=

⎪⎪⎪⎪

⎪⎪⎪⎪

⎪⎪⎪⎪

⎪⎪⎪⎪

zwywxwzvyvxvzuyuxu

xz

yz

xy

zz

yy

xx

001000100010100000000001010100000000000010000000000001

γγγεεε

(B.6)

ou:

{ } [ ]{ } zyxuA ,,=ε (B.7)

Em coordenadas naturais, o vetor de derivadas dos incrementos de deslocamentos é

dado por:

⎪⎪⎪⎪⎪⎪

⎪⎪⎪⎪⎪⎪

⎪⎪⎪⎪⎪⎪

⎪⎪⎪⎪⎪⎪

∂∂∂∂∂∂∂∂∂∂∂∂∂∂∂∂∂∂

⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥

⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢

=

⎪⎪⎪⎪⎪⎪

⎪⎪⎪⎪⎪⎪

⎪⎪⎪⎪⎪⎪

⎪⎪⎪⎪⎪⎪

∂∂∂∂∂∂∂∂∂∂∂∂∂∂∂∂∂∂

zwywxwzvyvxvzuyuxu

zyxzyxzyx

zyxzyxzyx

zyxzyxzyx

wwwvvvuuu

ζζζ

ηηη

ξξξ

ζζζ

ηηη

ξξξ

ζζζ

ηηη

ξξξ

ζηξζηξζηξ

,,,000000,,,000000,,,000000000,,,000000,,,000000,,,000000000,,,000000,,,000000,,,

(B.8)

508

Page 522: CENTRO DE PESQUISAS E DESENVOLVIMENTO … para anÁlise e projeto de dutos submarinos submetidos a altas pressÕes e temperaturas via aplicaÇÃo do mÉtodo dos elementos finitos

ou:

{ } [ ]{ } zyxa uJu ,,,, =ζηξ (B.9)

Portanto:

{ } [ ] { } ζηξ ,,1

,, uJu azyx−= (B.10)

Onde:

⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪

⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪

⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪

⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪

⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥

⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢

=

⎪⎪⎪⎪⎪⎪

⎪⎪⎪⎪⎪⎪

⎪⎪⎪⎪⎪⎪

⎪⎪⎪⎪⎪⎪

∂∂∂∂∂∂∂∂∂∂∂∂∂∂∂∂∂∂

N

N

N

N

N

N

N

N

N

N

N

N

WVU

WVUWVU

HHHHHHHHH

HHHHHHHHH

HHHHHHHHH

wwwvvvuuu

M2

2

2

1

1

1

,,2,1

,,2,1

,,2,1

,,2,1

,,2,1

,,2,1

,,2,1

,,2,1

,,2,1

00...000000...000000...0000

00...000000...000000...000000...000000...000000...0000

ζζζ

ηηη

ξξξ

ζζζ

ηηη

ξξξ

ζζζ

ηηη

ξξξ

ζηξζηξζηξ

(B.11)

ou:

{ } [ ]{ }UDHu =ζηξ ,, (B.12)

Utilizando (B.12) em (B.10), tem-se:

{ } [ ] [ ]{ }UDHJu azyx1

,,−= (B.13)

509

Page 523: CENTRO DE PESQUISAS E DESENVOLVIMENTO … para anÁlise e projeto de dutos submarinos submetidos a altas pressÕes e temperaturas via aplicaÇÃo do mÉtodo dos elementos finitos

Nas expressões (B.8) e (B.11), foram utilizadas as relações:

; ;

; ;

(B.14)

onde:

- Funções de interpolação em coordenadas naturais;

- Coordenadas cartesianas dos pontos nodais do corpo sólido.

- deslocamentos dos pontos nodais do elemento.

Da primeira expressão de (B.14), tem-se:

; ;

para

∑=

=N

rrr XHx

1∑=

=N

rrrYHy

1

∑=

=N

rrr ZHz

1

∑=

=N

rrrUHu

1∑=

=N

rrrVHv

1∑=

=N

rrrWHw

1

rH

rX ; rY ; rZ

rU ; rV ; rW

∑=

=N

rrr XHx

1,, ββ ∑

=

=N

rrr YHy

1,, ββ ∑

=

=N

rrr ZHz

1,, ββ

ζηξβ ,,= (B.15)

510

Page 524: CENTRO DE PESQUISAS E DESENVOLVIMENTO … para anÁlise e projeto de dutos submarinos submetidos a altas pressÕes e temperaturas via aplicaÇÃo do mÉtodo dos elementos finitos

{ }εA expressão final tensor de deformações para modelos tridimensionais é obtida

utilizando (B.13) em (B.7), resultando em:

{ } [ ][ ] [ ]{ }UDHJA a1−=ε (B.16)

ou:

{ } [ ]{ }UB=ε (B.17)

A notação utilizada para o tensor de deformações em modelos tridimensionais (B.17), é

semelhante à usada em modelos planos e axissimétricos. Desta forma na apresentação

das equações do método dos elementos os tensores de tensão e deformação serão feitas

numa forma genérica sem diferenciação para modelos bidimensionais ou

tridimensionais.

B.2 ELEMENTO DE INTERFACE TRIDIMENSIONAL

Da mesma forma ao feito para o elemento de interface bidimensional, o elemento de

interface tridimensional faz uso do sistema de coordenadas local, onde as tensões

normal e cisalhantes estão relacionadas aos deslocamentos relativos dos elementos

sólidos tridimensionais adjacentes. Deste modo para o caso tridimensional, tem-se de

forma semelhante ao mostrado para os elementos bidimensionais que.

{ } [ ]{ }csnsn

csn dC ∆=σ (B.18)

ou:

⎪⎭

⎪⎬⎫

⎪⎩

⎪⎨⎧

∆∆∆

⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

⎡=

⎪⎭

⎪⎬

⎪⎩

⎪⎨

n

s

s

n

s

s

cn

cs

cs

wvu

CC

C

2

1

2

1

2

1

000000

σσσ

(B.19)

511

Page 525: CENTRO DE PESQUISAS E DESENVOLVIMENTO … para anÁlise e projeto de dutos submarinos submetidos a altas pressÕes e temperaturas via aplicaÇÃo do mÉtodo dos elementos finitos

Para obtenção dos deslocamentos nodais relativos para o elemento de interface no

sistema local, primeiramente é necessário obter os deslocamentos relativos entre as

superfícies topo e base do elemento de interface (Figura B.2) no sistema global. Deste

modo o deslocamento na superfície topo é dada por:

(B.20)

ou:

topo

NS

NS

NS

NS

NS

NStopo

WVU

WVUWVU

HHHHHH

HHH

wvu

⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪

⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪

⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪

⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪

⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

⎡=

⎪⎭

⎪⎬⎫

⎪⎩

⎪⎨⎧

M2

2

2

1

1

1

21

21

21

00...000000...0000

0...0000

{ } [ ]{ }topotopo UHd = (B.21)

Da mesma forma para os deslocamentos da superfície base do elemento de interface,

são dados por:

(B.22)

base

NS

NS

NS

NS

NS

NSbase

WVU

WVUWVU

HHHHHH

HHH

wvu

⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪

⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪

⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪

⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪

⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

⎡=

⎪⎭

⎪⎬⎫

⎪⎩

⎪⎨⎧

M2

2

2

1

1

1

21

21

21

00...000000...0000

0...0000

512

Page 526: CENTRO DE PESQUISAS E DESENVOLVIMENTO … para anÁlise e projeto de dutos submarinos submetidos a altas pressÕes e temperaturas via aplicaÇÃo do mÉtodo dos elementos finitos

ou:

{ } [ ]{ }basebase UHd = (B.23)

Nas expressões (B.20) e (B.22) NS denota o número de nós das superfícies topo e base

do elemento de interface, sendo as funções de interpolação iguais ao do elemento sólido

bidimensional (Figura 3.1).

Utilizando (B.21) e (B.23), temos o deslocamento relativo entre as superfícies topo e

base do elemento de interface referidos ao sistema global, sendo dado por:

{ } { } { } [ ]{ }UHddd basetopoc ∆=−=∆ (B.24)

Figura B.2 – Nós do topo e base para o elemento de interface quadrático tridimensional

513

Page 527: CENTRO DE PESQUISAS E DESENVOLVIMENTO … para anÁlise e projeto de dutos submarinos submetidos a altas pressÕes e temperaturas via aplicaÇÃo do mÉtodo dos elementos finitos

Com os deslocamentos nodais relativos referidos ao sistema global (xyz), deve-se obter

estes no sistema local (s1 s2 n) do elemento de interface (Figura B.2). Deste modo é

necessário obter vetores unitários no sistema local em cada ponto de integração do

elemento de interface. O vetor normal à superfície de contato é dado por:

{ }

⎪⎪⎪

⎪⎪⎪

⎪⎪⎪

⎪⎪⎪

∂∂

∂∂

−∂∂

∂∂

∂∂

∂∂

−∂∂

∂∂

∂∂

∂∂

−∂∂

∂∂

=

⎪⎪⎪

⎪⎪⎪

⎪⎪⎪

⎪⎪⎪

∂∂∂∂∂∂

×

⎪⎪⎪

⎪⎪⎪

⎪⎪⎪

⎪⎪⎪

∂∂∂∂∂∂

=

ηξηξ

ηξηξ

ηξηξ

η

η

η

ξ

ξ

ξ

xyyx

zxxz

yzzy

z

y

x

z

y

x

Vn (B.25)

Sendo o vetor unitário na direção normal ao elemento de interface dado por:

{ } { }{ }n

n

VV

n = (B.26)

Os dois vetores unitários tangentes são dados por:

(B.27)

Para o caso em que o vetor normal à superfície de contato coincide com a direção x, o

vetor unitário é definido conforme mostrado abaixo.

(B.28)

{ } { } { } { }nnes x ×⎪⎭

⎪⎬⎫

⎪⎩

⎪⎨⎧

=×=001

1

{ }1s

{ } { } { } { }nnes y ×⎪⎭

⎪⎬⎫

⎪⎩

⎪⎨⎧

=×=010

1

514

Page 528: CENTRO DE PESQUISAS E DESENVOLVIMENTO … para anÁlise e projeto de dutos submarinos submetidos a altas pressÕes e temperaturas via aplicaÇÃo do mÉtodo dos elementos finitos

O vetor tangente é definido pelo seguinte produto vetorial:

{ }2s

{ } { } { }12 sns ×= (B.29)

Para relacionar os deslocamentos das superfícies topo e base do elemento de interface

no sistema global com o sistema local, é necessário definir a matriz de rotação entre os

dois sistemas coordenados. A matriz de rotação é formada pelos co-senos diretores dos

eixos cartesianos locais em relação ao sistema cartesiano global.

Definindo:

[ ] { }{ }{ }[ ]nss 21=θ (B.30)

ou:

(B.31)

onde:

[ ]⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

⎡=

332313

322212

312111

λλλλλλλλλ

θ

11λ , 12λ e 13λ são os co-senos diretores do eixo s1 em relação aos eixos x, y e z

21λ , 22λ e 23λ são os co-senos diretores do eixo s2 em relação aos eixos x, y e z

31λ , 32λ e 33λ são os co-senos diretores do eixo n em relação aos eixos x, y e z

Os deslocamentos nas direções normal e tangencial ao elemento de interface à

superfície de contato podem ser relacionados aos deslocamentos no sistema global da

seguinte forma utilizando (B.31).

(B.32)

[ ]⎪⎭

⎪⎬

⎪⎩

⎪⎨

⎧=

⎪⎭

⎪⎬

⎪⎩

⎪⎨

wvu

uuu

T

n

s

s

θ2

1

515

Page 529: CENTRO DE PESQUISAS E DESENVOLVIMENTO … para anÁlise e projeto de dutos submarinos submetidos a altas pressÕes e temperaturas via aplicaÇÃo do mÉtodo dos elementos finitos

ou:

{ } [ ] { }cTcsn dd θ= (B.33)

Desta forma o deslocamento relativo entre as superfícies topo e base do elemento de

interface tridimensional, pode ser obtido através de (B.24) e (B.32), tem-se:

[ ] [ ]

base

T

topo

T

n

s

s

wvu

wvu

wvu

⎪⎭

⎪⎬

⎪⎩

⎪⎨

⎧−

⎪⎭

⎪⎬

⎪⎩

⎪⎨

⎧=

⎪⎭

⎪⎬

⎪⎩

⎪⎨

∆∆∆

θθ2

1

(B.34)

ou:

{ } [ ] { }cTcsn dd ∆=∆ θ (B.35)

assim:

{ } [ ] [ ]{ } { }( )basetopoTcsn UUHd −=∆ θ (B.36)

ou:

{ } [ ] [ ]{ }UHd Tcsn ∆=∆ θ (B.37)

O vetor de deslocamentos relativos entre as superfícies topo e base do elemento de

interface no sistema global é dado por:

516

Page 530: CENTRO DE PESQUISAS E DESENVOLVIMENTO … para anÁlise e projeto de dutos submarinos submetidos a altas pressÕes e temperaturas via aplicaÇÃo do mÉtodo dos elementos finitos

{ } [ ] [ ] [ ] [ ][ ] [ ] [ ] [ ]

⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪

⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪

⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪

⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪

⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡−

−=∆

N

N

N

WVU

WVUWVU

IIII

U

M2

2

2

1

1

1

0000

(B.38)

ou:

{ } [ ]{ }UAU =∆ (B.39)

Em (B.38) e , são respectivamente a matriz identidade e nula de dimensão 8x8.

Utilizando (B.39) em (B.37) temos que:

[ ]I [ ]0

{ } [ ] [ ][ ]{ }UAHd Tcsn θ=∆ (B.40)

ou:

{ } [ ]{ }UBd Gcsn =∆ (B.41)

517

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ANEXO C - FLUXOGRAMAS DE ALGORITMOS NUMÉRICOS

Neste anexo são apresentados os fluxogramas numéricos para a correção das tensões

devido á não-linearidade física nos elementos de contínuo e contato do AEEPECD.

C.1 FLUXOGRAMA PARA CORREÇÃO DO TENSOR DE TENSÕES PELA TEORIA DA PLASTICIDADE NO ELEMENTO DE CONTÍNUO

Para a implementação numérica, da correção pela teoria da plasticidade do incremento

de tensões no passo de carga (t+∆t) da iteração (k), a expressão (D.1) é modificada,

realizando a correção pela teoria da plasticidade diretamente sobre os incrementos de

tensões e não de deformações como mostrado anteriormente. Deste modo temos:

(D.1)

ou

{ } ( ) [ ] { }( ) { } { }( )ko

kkke D 11 δεδεεσ θ

∆−∆−∆=∆

{ } { } { } { } k

o

k

eδδ 11 σσσσ

θε∆+∆+∆←∆ (D.2)

onde:

; { } [ ]{ }( )kD εεσ ∆=∆ { } [ ]{ }θεθ

σ ∆−=∆ D ; { } [ ]{ }θεσ ∆−=∆ Do (D.3)

Deste modo o Fluxograma do processo iterativo de correção do estado de tensões pela

teoria da plasticidade de iteração (k) qualquer de um incremento de carga (t+∆t), é

mostrado abaixo, para um ponto de integração do meio contínuo.

518

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519

Para cada ponto de integração dos elementos de contínuo

{ } { } )(ktto σσ 1−∆+←

{ } { } )(ktto εε 1−∆+←

{ } { }(k)tt εε ∆+← )(k

p

tt

po

1−∆+← εε

{ } rinicializa←∆θ

σ

{ } rinicializao←∆σ

{ } .0←∆θ

σ { } .0←∆

{ } { } { }oεεε −←∆ { } [ ]{ }εσ D ∆←∆ ε

{ } { } { } { } k

o

k

eδδ 11 σσσσ

θε∆+∆+∆←∆

{ } { } kc δ1

θθσσ ∆←∆

{ } { } k

oo

c δ1σσ ∆←∆

{ } { } { }eo σσσ ∆+←

{ }( )oo σff ←

{ }( )σff ←1

1

Condição

FALSO

VERDADEIRO

Page 533: CENTRO DE PESQUISAS E DESENVOLVIMENTO … para anÁlise e projeto de dutos submarinos submetidos a altas pressÕes e temperaturas via aplicaÇÃo do mÉtodo dos elementos finitos

520

1

01 >f

( )oo fffr −−← 1

{ } { } { } { } { }( )oo σσσrσ ∆+∆+∆+←

θεσ

{ } { } { }εrεε o ∆+←

{ } { } { }θθθσσσ ∆+∆←∆ r

{ } { } { }ooor σσσ ∆+∆←∆

{ }( ) TOLf >σ

1=IPEL

2←IPEL

{ } { }σσ o ← { } { }εε o ←

{ } ( ){ }εrε ∆−←∆ 1

{ } ( ){ }εε σrσ ∆−←∆ 1

{ } ( ){ }θθσσ ∆−←∆ r1

{ } ( ){ }oo r σσ ∆−←∆ 1

{ }( )σffo ←

{ } { }εrε ∆←∆ { } { }εε σrσ ∆←∆

{ } { }θθσσ ∆←∆ r

{ } { }oor σσ ∆←∆

{ }( )σff ←1

{ } { }oσ σ← { } { }oεε ←

{ } .0←∆θ

σ

{ } .0←∆o

σ

{ }( ) 0<σf

1←IPEL

2 3 3

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521

{ } { } { }εε −←∆ ε

{ } { } mεε ∆←δ

{ } [ ]{ }δεδσ ε D←

{ } { } { }( ) mc

θθθ σσδσ ∆−∆←

{ } { } { }( ) moo

co σσδσ ∆−∆←

{ } { }σσ ←)0(

pop εε ←)0(

[ ] [ ]{ }{ }{ }

{ } { } { } { } { } [ ] { } { } { }( )opmoii

Tpm

D

D

σσ

haaD

δσδσδσδσδσδσθεθε++−+++←

=

⎟⎠

⎞⎜⎝

)1()(

)1(

{ }{ }

{ } { } { }( )o

T

i

p

i

p h

aδσδσδσεε

θ−−+←

)1(

)1()(

{ }( ) TOLiσf >)(

{ } { }( ){ } { }( )

{ }

{ }{ } )(

)(

)(

i

i

T

i

aaa

σ

σδσ

−=

{ } { } { }δσσσ +←)()( ii

i = 1, m

32

{ } { }(i)(k)tt σσ ←∆+

)( i

p

(k)

p

tt εε ←∆+

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522

C.2 FLUXOGRAMA CORREÇÃO DA TENSÃO NORMAL NO ELEMENTO DE INTERFACE O Fluxograma implementado no código do AEEPECD para atualização da tensão

normal no elemento de interface, utilizando leis constitutivas elastoplástica-perfeita e

multilinear (capítulo 5), é mostrado abaixo. Por simplicidade foi omitido o incremento

de carga t + ∆t.

t

nσ ← o

CUTOFF == 1

)(~ kpnV∆ ← )1( −

∆kp

nV

)max(knσ ←

← +

)1max( −knσ

)(~ k

nσ o

nσ ( )knC Vn∆ + ( )1−kp

t

nσ ← ξ

)0(nlnV∆ ← inicializar com gap

← inicializar IPELCN ← inicializar com 1

)0max(nσ

Para cada ponto de integração dos elementos de contato

Inicializações para todos os pontos de integração dos

elementos de contato

t

nσ ← 0.

3=IPELCN

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523

0≠onσ

3&

0)(~

≠∆

IPELCN

kpnV

)( kp

nV∆ ← 0. )( kp

nV∆ ← nConσ−

0)(

≤∆k

nV

0~ )(≤

knσ

Quadrante - 1 Quadrante - 4 Quadrantes – 3 e 2

( )kpnσ∆ ←

Armazena ←

Armazena ←

Armazena ←

( )knσ -

( )knσ~

( )kpnσ

( )1−kpnσ +

( )kpnσ∆

( )knσ

( )kp

( )kp

nV∆

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524

Fluxograma para atualização da tensão normal nos quadrantes 1 e 5.

. . . . . . . . .

.

.

. tn

kn σσ ≥)(~

)(k

nσ ← ( ))(~)( kpnV

knVnC ∆−∆

IPEL ← 1

)(knσ ← 0.

IPEL ← 3 IPEL CN← 3

0~ )(≤

knσ

0)(

≤∆k

nV

)()( ~ kpn

kn VV ∆∆ >

)max()(~ kn

kn σσ <

)(knσ ←

IPEL ← 2

)max(k

)(knσ ← 0.

IPEL ← 3

IPELCN ← 3

)(knσ ←

IPEL ← 1

)(~ k

Quadrante - 1

Atualização de

para

Quadrante - 4

)max(k

)(

)max()(

~ kpn

nCkn

kn

V

V

>

− σ

)(kp

nV∆ ← nCkn

knV )max()(

σ−∆

)(k

nV∆

Page 538: CENTRO DE PESQUISAS E DESENVOLVIMENTO … para anÁlise e projeto de dutos submarinos submetidos a altas pressÕes e temperaturas via aplicaÇÃo do mÉtodo dos elementos finitos

525

Fluxograma para atualização da tensão normal nos quadrantes 2 e 3.

Descrição das variáveis utilizadas nos fluxogramas para lei constitutiva na direção

normal ao contato:

CUTOFF Variável de controle para escolha do critério para a ruptura na direção

normal no ponto de integração do elemento de interface.

IPELCN Variável de controle para o contato na direção normal do ponto de

integração do elemento de interface. IPELCN=1 indica contato com comportamento

elástico, IPELCN=3 indica que a tensão normal excedeu alguma vez a tensão de ruptura

no contato ( ), rompendo o contato permanentemente, devendo-se zerar a tensão de

ruptura no contato.

.

.

.

.

.

.

.

0)(

≤∆k

nV

. )(knσ ← 0.

IPEL ← 3

)(knσ ←

IPEL ← 1

)(~ k

IPELCN =3

)(knσ ← 0.

IPEL ← 3

IPELCN ← 3

tn

kn σσ ≥

)(~

Quadrantes – 2 e 3

tnσ

Page 539: CENTRO DE PESQUISAS E DESENVOLVIMENTO … para anÁlise e projeto de dutos submarinos submetidos a altas pressÕes e temperaturas via aplicaÇÃo do mÉtodo dos elementos finitos

IPEL Variável de controle para o contato na direção normal do ponto de inetgração

do elemento de interface semelhante a IPELCN, só que atualizada em cada abertura

(IPEL=3) e fechamento do contato (IPEL=1), para verificar se a tensão de cisalhamento

deve ser zerada caso o contato esteja aberto.

Tensão normal “linearizada” no ponto de integração do elemento de interface

no incremento (t+∆t) na iteração (k), desconsiderando a parcela referente a

“deformação” permanente na iteração (k).

)(~ knσ

)(~ kpnV∆ Deslocamento relativo permanente não recuperável no ponto de integração

do elemento de interface no incremento (t+∆t) na iteração (k-1).

Tensão normal atualizada no ponto de integração do elemento de interface no

incremento(t+∆t) na iteração (k).

)(knσ

)(kpnV∆ Deslocamento relativo permanente não recuperável no ponto de integração

do elemento de interface no incremento (t+∆t) atualizado na iteração (k).

Tensão normal geostática no ponto de integração do elemento de interface.

Tensão normal de ruptura por tração no ponto de integração do elemento de

interface.

Tensão normal máxima de compressão no ponto de integração do elemento

de interface atualizada para o deslocamento relativo

onσ

tnσ

)max(knσ

)(knV∆ seguindo a lei constitutiva

selecionada no incremento (t+∆t) para a iteração (k).

O fluxograma mostrado acima para a consideração da interação solo-duto não considera

o atrito desenvolvido durante o descarregamento do duto, conforme mostrado nas

Figuras 5.33 e 5.34.

526

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527

C.3 FLUXOGRAMA CORREÇÃO DA TENSÃO TANGENCIAL NO ELEMENTO DE INTERFACE

O Fluxograma implementado no código do AEEPECD para atualização da tensão

tangencial no elemento de interface, é mostrado abaixo. Por simplicidade foi omitido o

incremento de carga t + ∆t.

)(~ k

sσ ← + o

sσ ( )ksUCs ∆ +

( )1−kpsσ

UPDATE = 1

IPEL== 3

Quadrante - 3

ICR = 1

ICR = 2

LEI NAO

DISPONIVEL

oBk

skres

s)max()(

σσ ←

UPP ← sCos

ks )

)max(( σσ − ; URP← XM UPP

UPN ← -UPP-2 sCosσ ; URN ← -URP-2 sC

osσ

Quadrante - 2 Quadrante - 1 Quadrante - 4

)max(k

sσ ← ( ) )(11 rr tgnnec φσσ

+−

nσ ← )( k

)max(k

sσ ← )(φσ tgnc +

nσ ← o

0)(≤∆

ksU

)( k

sσ ← 0.

0)(~ ≥

ksσ 0

)(~ ≤k

( )kpsσ∆ ←

Armazena ←

Armazena ←

( )ksσ -

( )ksσ~

( )kp

sσ ( )1−kp

sσ +( )kp

sσ∆

( )ksσ

( )kp

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528

)(_)( kires

s

k

s σσ ←

)()( ~ k

s

k

s σσ ←

)(_)(~ kiress

ks σσ <

)()( ~ k

s

k

s σσ ←

)()( ~ k

s

k

s σσ ←

0)(~ ≤

ksσ

URNks

U ≤∆ )(UPNks

U ≤∆ )()()(~ kres

s

k

s σσ <

( )

))(

(*

*))()max((

)max()(_

UPNk

s

URPUPPkress

ks

k

s

kires

s

U −

−−+

+←

σσ

σσ

)()( kres

s

k

s σσ −←)()( ~ k

s

k

s σσ ←

)()(~kres

sk

s σσ <

)()(~ kres

s

k

s σσ <

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529

)(_)( kires

s

k

s σσ ← )()( ~ k

s

k

s σσ ←

)()(~ kres

s

k

s σσ −<

)()( ~ k

s

k

s σσ ←

URPk

sU ≤∆)(

UPPk

sU ≤∆)(

)()( ~ k

s

k

s σσ ←

)()(~kres

sk

s σσ <

0)(~ ≥

ksσ

)()( ~ k

s

k

s σσ ←

( )

))(

(*

*))()max((

)max()(_

UPPk

s

URPUPPkress

ks

k

s

kires

s

U −

−−+

+←

σσ

σσ

)(_)(~ kiress

ks σσ <

)()( kres

s

k

s σσ ←

)()(~ kres

s

ks σσ <

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Descrição das variáveis utilizadas nos fluxogramas para lei constitutiva na direção

tangencial ao contato:

IPEL Variável de controle para o contato na direção normal do ponto de integração

do elemento de interface atualizada em cada abertura (IPEL=3) e fechamento do contato

(IPEL=1), para verificar se a tensão de cisalhamento deve ser zerada caso o contato

esteja aberto.

)(~ k

sσ Tensão tangencial “linearizada” no ponto de integração do elemento de

interface no incremento (t+∆t) na iteração (k), desconsiderando a parcela referente a

“deformação” permanente na iteração (k).

Tensão tangencial atualizada no ponto de integração do elemento de interface

no incremento(t+∆t) na iteração (k).

)(ksσ

)(ksU∆ Deslocamento relativo na direção tangencial ao contato no ponto de

integração do elemento de interface no incremento (t+∆t) atualizado na iteração (k).

Tensão tangencial geostática no ponto de integração do elemento de interface.

Tensão tangencial máxima no ponto de integração do elemento de interface

atualizada para um determinado nível de tensão normal atuante no incremento (t+∆t)

para a iteração (k).

osσ

)max(ksσ

530

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ANEXO D (APLICAÇÃO DE FORMULAÇÕES ANALÍTICAS NO ESTUDO DE FLAMBAGEM GLOBAL DE DUTOS AQUECIDOS)

D.1 INTRODUÇÃO

O estudo de metodologias analíticas a serem empregadas em dutos aquecidos, tem como

principal objetivo obter uma melhor compreensão dos fenômenos que induzem um

comportamento instável nestes, quando submetidos a gradientes de temperatura e

pressão. Embora considerem uma série de hipóteses simplificadoras, além de não

representarem de forma precisa as condições de contorno e as geometrias complexas

geralmente encontradas no campo, as formulações analíticas permitem estudos

paramétricos rápidos envolvendo as principais variáveis envolvidas, permitindo

verificar quais são os parâmetros mais importantes no processo de flambagem de dutos

aquecidos.

Como será visto a instabilidade estrutural em dutos aquecidos é ocasionada pelos

esforços normais de compressão, induzidos pela variação de temperatura e pressão

interna. O duto sofre compressão devido à restrição imposta pela reação longitudinal do

solo aos deslocamentos axiais gerados pelo processo de expansão térmica. Para que

ocorra esta restrição é necessário que duto tenha comprimento suficiente, permitindo

que a reação longitudinal do solo iguale o esforço normal devido a variação de

temperatura. Em geral nos métodos analíticos a alça de deformação pós-flambagem é

considerada isolada, e o duto com comprimento suficiente para que a ancoragem ocorra

pela reação longitudinal do solo. O trecho compreendido entre o centro da alça de

deformação e os pontos a sua direita e esquerda com deslocamento axial nulo, definem

o comprimento de expansão térmica (“feed-in”). Os esforços normais de compressão

podem causar um comportamento não-linear aumentando os deslocamentos transversais

ao eixo do duto, podendo ocorrer a situação limite, onde ocorra a flambagem global do

duto, podendo inclusive dependendo da relação De/t (diâmetro/espessura), levar a

flambagem local da parede. É importante ressaltar que a majoração dos deslocamentos e

tensões em uma alça de deformação é iniciada por imperfeições iniciais na geometria do

duto, que sempre existem, podendo ser causadas durante o processo de lançamento

531

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deste e/ou por imperfeições do piso, que ocorrem principalmente no caso de dutos

submarinos.

O mecanismo de detonação da flambagem lateral ocorre quando o esforço normal de

compressão atinge um valor crítico gerando deslocamentos laterais num trecho do duto,

denominado de alça de deformação, permanecendo o restante do duto reto.

As formulações analíticas fornecem uma série de resultados preliminares, que podem

ser utilizadas na fase de projeto de dutos aquecidos, já que nesta fase as condicões de

projeto dadas pela geometria e enterramento do duto, podem ser definidas conforme a

necessidade do projetista, podendo mantê-las mais próximas das hipóteses

simplificadoras que são impostas aos modelos analíticos.

Na literatura técnica são encontrados vários modelos analíticos, que consideram as mais

variadas hipóteses simplificadoras. Num trabalho clássico desenvolvido originalmente

para a flambagem térmica de trilhos de trens, foi apresentado um modelo analítico

(KERR,1978) que permite obter a temperatura mínima de flambagem também

denominada de “safe temperature”, para vários modos de flambagem no plano

horizontal, que são compostas por diversas meias ondas em torno da configuração

original (Figura D.1). Posteriormente o modelo analítico desenvolvido por KERR

(1978), foi adaptado por HOBBS (1981,1984) para o estudo específico de flambagem

em dutos aquecidos. Nesta adaptação foi inserido o efeito da pressão interna, que pode

ser considerada como uma variação de temperatura equivalente.

Outros modelos analíticos para a flambagem de dutos aquecidos foram avaliados0,0,0,

inclusive modelos que consideram o efeito de imperfeições e tensões iniciais no cálculo

da temperatura mínima de flambagem. No entanto como a utilização de modelos

analíticos têm como objetivo apenas o estudo paramétrico das principais variáveis

envolvidas no processo de flambagem térmica de dutos aquecidos, o modelo

desenvolvidos por KERR (1978) e modificado por HOBBS (1981,1984), mostrou-se

mais adequado pela sua consistência e formato das equações obtidas, que permitem

visualizar de um modo simples os parâmetros mais relevantes.

532

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As hipóteses simplificadoras do modelo de KERR (1978) e adaptado por HOBBS

(1981,1984) são: seção transversal do duto não sofre processo de ovalização ou

qualquer perda na espessura da parede durante o processo de flexão, aço com

comportamento elástico, configuração inicial sem imperfeição geométrica, configuração

inicial livre de tensões residuais ou de lançamento, equação de equilíbrio desenvolvida

para a configuração pós-flambagem, penetração do duto constante no solo, solo rígido

plástico, ancoragem do duto na direção axial realizada pelo atrito axial com o solo e

atrito axial com o solo desprezado no trecho da alça de deformação.

Como pode ser visto acima as hipóteses simplificadoras são várias, limitando bastante o

uso das equações do método analítico proposto por KERR (1978) para casos reais.

Também é importante ressaltar que em casos reais, geralmente são desenvolvidas mais

de uma alça de deformação. Para os dutos estudados que possuem kilometros de

extensão, a ancoragem é definida por um complexo processo de divisão dos esforços

térmicos entre as alças, diferente da hipótese de ancoragem de uma alça isolada

fornecida pelo atrito axial com o solo. Estas observações servem apenas para deixar

bem claro que, modelos analíticos são extremamente úteis para a compreensão do

processo de flambagem de dutos aquecidos, porém para serem utilizados em casos reais,

onde a hipóteses simplificadoras geralmente não são obedecidas, pode-se obter

resultados não condizentes com a realidade levando a conclusões erradas.

533

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D.2 MÉTODO ANALÍTICO (KERR/HOBBS)

Conforme dito anteriormente, um duto aquecido pode sofrer uma flambagem lateral ou

vertical dependendo das condições de suporte do solo. Se o solo for capaz de conter o

duto para uma variação de temperatura, tanto lateralmente como verticalmente, este fica

submetido somente ao esforço normal de compressão devido a ancoragem

proporcionada pela reação longitudinal do solo, não sofrendo flexão. Porém se a

contenção lateral ou vertical, for vencida o esforço normal diminui no trecho fletido

(alça de deformação), devido a perda da restrição aos deslocamentos axiais, iniciando o

processo não-linear de flambagem.

O comportamento de dutos aquecidos é bem mais complexo, que o observado para o

caso tradicional de flambagem de colunas carregadas axialmente, já que estas possuem

condições de contorno onde os deslocamentos axial e transversal são nulos, definindo

de forma precisa o comprimento de flambagem. No caso de dutos aquecidos o

comprimento de flambagem e os pontos de ancoragem são incógnitas, devido à

interação com o solo, que responde de forma não-linear ao carregamento imposto pela

movimentação do duto.

O esforço normal efetivo de compressão (considerado positivo neste anexo) restringido

numa seção considerando a ação de uma variação de temperatura ∆θ e da pressão

interna pi, foi descrito no capítulo 7, sendo fornecido abaixo novamente:

(D.0)

A flambagem lateral ou vertical ocorre quando o esforço normal alcança um

determinado valor crítico Nc , para o qual os deslocamentos transversais ao eixo do duto

se iniciam de forma brusca, gerando um trecho fletido (alça de deformação). A

configuração deformada após a flambagem é denominada de modo de flambagem,

sendo constituída por uma ou mais meias ondas, conforme pode ser visto na Figura D.1

)21( νθα −+∆= iisoef ApEAN

oefN

534

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535

abaixo, que mostra os modos 1 a 4 de flambagem. Pode ser observado que o modo 1 é

constituído por uma meia onda, o modo dois por duas meias ondas, e assim por diante.

O comprimento LBb B é o comprimento da meia onda considerada como mais significativa

(Figura 1), sendo uma das incógnitas das equações do método analítico analisado

HOBBSP

P(1981).

Figura D.1 – Deformada após flambagem mostrando os modos 1 até 4

A experiência obtida na análise de dutos aquecidos, em conjunto com a verificação de

mapeamentos realizados para os dutos do sistema PETROBRAS, mostra que os modos

de flambagem comumente encontrados são o modo 1 para alças de deformação no plano

vertical, e o modo 3 para alças de deformação no plano horizontal.

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536

D.3 MÉTODO ANALÍTICO (KERR/HOBBS) – EQUAÇÕES PARA FLAMBAGEM VERTICAL (“UPHEAVAL BUCKLING”)

Conforme dito acima para a obtenção das equações para flambagem vertical, será

suposto que a configuração pós-flambagem do duto assuma o modo 1 (Figura D.1).

Embora comentários sobre as hipótese simplificadoras do método de KERR (1978)

adaptado por HOBBSP

P(1981,1984) já tenham sido feitas, algumas observações extras

importantes serão feitas.

Na obtenção das soluções analíticas para verificação de flambagem que serão mostradas

a seguir, é suposto que a reação máxima do solo devido à movimentação do duto é

mobilizada instantaneamente (modelo rígido plástico). Esta hipótese desconsidera o

efeito da forma (lei constitutiva) da curva força versus deslocamento, supondo que a

configuração pós-flambagem do duto é definida pela reação máxima do solo. Esta

hipótese foi estudada por MALTBY e CALLADINE (1995), que obtiveram uma relação

analítica mostrando que o esforço normal, que inicia o processo de flambagem

independe da lei constitutiva adotada, sendo diretamente dependente da reação máxima

desenvolvida pelo solo. Uma forma de compreender-se esta hipótese, decorre do fato

que a força máxima de reação do solo em todas a direções (axial, lateral e vertical), é

atingida para um deslocamento de pouco milímetros, enquanto a configuração do duto

após a flambagem geralmente possui deslocamentos da ordem de metros. Deste modo a

importância da força de reação máxima do solo é muito mais significativa, pois a sua

energia de deformação após a flambagem é significativamente maior que a

desenvolvida no trecho onde a curva força versus deslocamento ainda não alçançou seu

patamar.

A Figura D.2 - (i) mostra os esforços atuantes na configuração deformada segundo o

modo 1. Como pode ser observado na Figura D.2 – (ii), existe uma descontinuidade no

esforço axial na região de contato entre o duto e o solo, pois neste ponto existe uma

força vertical concentrada (WBs BLBb B/2) de reação ao peso próprio do duto. Para que ocorra o

equilíbrio utilizando a lei de atrito de Coloumb (FBaxiB=µBaxiBW Bs B), é necessário considerar

um esforço concentrado (µBaxiBW Bs BLBb B/2) na direção axial. O modelo utilizando a lei de

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537

atrito de Coulomb é indicado para materiais arenosos com comportamento drenado,

onde a reação axial independe da área de contato solo-duto. Já o diagrama de esforço

axial mostrado na Figura D.2 – (iii) não possui a descontinuidade anterior, pois é

considerado que a reação axial do solo é função da área de contato solo-duto, sendo

mais indicado para materiais argilosos com comportamento não-drenado.

O duto é considerado antes da ocorrência da flambagem como estando perfeitamente

reto. A consideração do efeito causado pela presença de imperfeições iniciais (curvatura

inicial), pode ser inserida em modelos analíticos, sendo objeto de vários estudos

(KYRIAKIDES,1988, PENDERSEN,1985, MALTBY E CALLADINE,1995). A

consideração que o duto possui uma configuração inicial com uma curvatura não nula,

afeta a ocorrência da flambagem, podendo até evitá-la se esta imperfeição for

suficientemente elevada, induzindo no duto um comportamento não-linear porém sem a

ocorrência do salto de instabilidade (“snap-through”) característico de uma flambagem.

Figura D.2 – Esforços atuantes na configuração deformada do duto (i), e distribuição de

esforços axiais considerando materiais arenosos (ii) e argilosos (iii), para flambagem

vertical segundo o modo 1

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538

Como pode ser observado na Figura D.2, na região fletida o único esforço atuante é o

peso submerso do duto W BsB, neste trecho é desprezado o atrito axial entre o duto e o solo.

O atrito axial na região fletida do duto pode ser desprezado, pois o comprimento LBb B é

muito inferior ao comprimento de ancoragem do duto na direção axial. No trecho fletido

caso o duto esteja completamente enterrado ou com uma cobertura de solo, deve-se

considerar o efeito da força de reação passiva vertical ascendente do solo (“uplift

reaction”), assim como do peso de solo. No modelo aqui considerado não é aconselhado

adicionar a reação passiva máxima vertical ascendente ao peso submerso do duto W BsB,

pois esta consideração é contra a segurança, já que ao movimentar-se verticalmente, o

duto pode romper as camadas de solo sobrejacentes aflorando na superfície do solo

(Figura D.3). Deste modo após a flambagem do duto, a força de reação vertical

ascendente no trecho de duto que aflorou torna-se praticamente nula, não podendo ser

considerada em modelos que só levam em conta a configuração final do duto. Para

considerar a perda de suporte vertical com a movimentação do duto é necessário

considerar os efeitos da curvatura inicial e da reação vertical ascendente em função do

deslocamento, como feito por PENDERSEN (1985). As Figuras D.3 e D.4 mostram

respectivamente a configuração fletida de um duto inicialmente com cobertura de solo

acima de sua geratriz superior com os esforços atuantes, e a curva reação vertical

ascendente versus deslocamento vertical associada.

Figura D.3 – Esforços atuantes na configuração deformada do duto, considerando

imperfeição inicial (δBi B) e variação da resistência vertical ascendente com o

deslocamento vertical

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539

Figura D.4 – Curvas idealizadas de reação vertical ascendente para materiais argilosos e

arenosos em função do deslocamento vertical para dutos totalmente enterrados

Para a obtenção das equações para a flambagem vertical de um duto aquecido,

considerado como perfeitamente reto na sua configuração inicial, é necessário resolver a

equação diferencial de equilíbrio abaixoP

P(KERR,1978).

0=+′′+ sefiv WvNEIv (D.1)

ou

02 =+′′+ EIWvkv siv (D.2)

Onde v é o deslocamento transversal ao eixo do duto.

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540

com:

EINk ef=2 (D.3)

Na equação (D.1) o único carregamento externo atuante sobre o duto é o seu peso

próprio, sendo desconsiderado o efeito do atrito axial no trecho fletido do duto. A

equação (D.1) é válida para dutos com enterramento até o nível da sua geratriz superior,

para enterramentos maiores é necessário considerar o efeito do peso de solo acima do

duto e a reação passiva vertical do soloP

Pcomo exposto anteriormente.

Em um duto inicialmente reto, o momento fletor é proporcional a curvatura, se for

considerada válida a hipótese de rotações moderadas |v’| < 0.1 , sendo dada por:

vEIM ′′= (D.4)

As condições de contorno a serem impostas, para se obter a solução de (D.1), são

(KERR,1978):

( ) max0 vv = (D.5)

( ) 02 =± bLv (D.6)

( ) 02 =±′ bLv (D.7)

( ) 02 =±′′ bLv (D.8)

A solução da equação (D.1) é dada por:

( ) ( ) ( ){ }2coscos281 22222 kLkxxkLkNEIWxv efs −−+= (D.9)

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541

A solução acima obedece as condições de contorno (D.5) a (D.7). Para satisfazer a

condição de contorno (D.8), é necessário obter a solução de:

( ) 22tan bb kLkL = (D.10)

A expressão (D.10) possui múltiplas soluções, porém o valor da raiz correspondente ao

mínimo valor de NBef B, é dado por:

...9868.8=bkL (D.11)

Utilizando (D.11) em (D.3), obtém-se o esforço normal no trecho fletido do duto,

conforme mostrado abaixo:

.76.80 2b

bef L

EIN = (D.12)

É interessante observar a semelhança da expressão (D.12), com a expressão clássica

para cálculo da carga crítica de flambagem em colunas, dada abaixo:

22

flfl L

EIN π= (D.13)

Onde LBflB é o comprimento de flambagem, que depende das condições de contorno

impostas as extremidades da coluna. A Figura D.4 abaixo mostra um exemplo para o

caso de uma coluna considerando comprimento de flambagem LBflB = L/3.

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542

Figura D.4 – Flambagem de coluna mostrando comprimento de flambagem

Se utilizarmos o valor do comprimento de flambagem da Figura D.4 (LBflB = L/3), na

equação (D.13), obtém-se:

.8.88 2LEIN fl ≅ (D.14)

Como pode ser observado acima o valor obtido através da fórmula clássica de

flambagem de colunas com LBflB = L/3, obteve um valor aproximadamente 10% maior

para o esforço normal no trecho fletido do duto que o obtido através da equação (D.12).

No caso da flambagem vertical ainda foi possível obter uma certa aproximação do

esforço normal no trecho fletido do duto, com a formulação clássica através da equação

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543

(D.13). No caso de flambagem com geometrias diferentes do modo 1, esta aproximação

não é mais possível, devendo-se estudar caso a caso com as condições de contorno

impostas pelo solo ao redor do duto, que responde de forma não-linear a solicitação

imposta. Isto ocorre devido ao desconhecimento do comprimento do vão de flambagem

que é uma das incógnitas do problema, variando com o carregamento imposto. Estes

casos serão abordados mais à frente no estudo dos modos de flambagem de dutos no

plano horizontal.

Para obter-se os valores máximos para o deslocamento, momento fletor e rotação no

trecho fletido do duto, utiliza-se a equação (D.11) em (D.9), que após algumas

transformações resulta em (HOBBS,1981):

EILW

v bs4

3max 10408.2 −⋅= (D.15)

2

max 06938.0 bs LWM = (D.16)

.10657.83

3max EI

LWv bs−⋅=′ (D.17)

Com o momento fletor máximo (equação D.16) é possível calcular a tensão axial

máxima no trecho fletido do duto de forma elástica, podendo-se verificar se esta

ultrapassou a tensão de escoamento do material. Para levar em conta o efeito da pressão

interna, deve-se calcula a tensão de von Mises e comparar com a tensão de escoamento

do aço do duto.

A equação (D.17) permite verificar a validade da hipótese de rotações moderadas

( |v’| < 0.1 ), para a qual são válidas as equações mostradas acima.

Para a determinação da variação de temperatura para o qual ocorre a flambagem vertical

do duto, é necessário relacionar o esforço normal no trecho ancorado do duto a variação

de temperatura (equação D.0).

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Para obter-se o esforço axial no trecho ancorado em função das variáveis relevantes ao

problema de flambagem em dutos aquecidos é necessário calcular o comprimento do

trecho fletido do duto (S), que é maior que o comprimento projetado no eixo axial

indeformado (L), conforme pode ser visto na Figura D.5.

Figura D.5 – Deformada após flambagem vertical, mostrando comprimento total e

projetado no trecho fletido do duto

Inicialmente será considerado um caso mais simples de ser analisado, que considera não

haver deslocamento axial nas vizinhanças do trecho fletido. Esta consideração pode ser

visualizada na Figura D.6 - (a), ou seja é considerado que o duto esta ancorado pelo solo

no trecho vizinho a alça de deformação formada pela flambagem vertical.

Assim a variação no comprimento do trecho fletido é dado por (HOBBS,1981) :

( ) ( )( )∫

=′=−=∆2

25.3

2322 6.755.0

L

Lbef

sNEIWdxvLSS (D.18)

Esta diferença no comprimento ocorre devido à diminuição do esforço axial no trecho

fletido do duto, sendo este trecho comprimido pelos trechos adjacentes a alça de

deformação. Cabe reforçar que a equação (D.18), é válida deste que seja obedecida a

hipótese de rotações moderadas, do mesmo modo que todas as equações obtidas

anteriormente.

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545

Observando a Figura D.6 - (a), observa-se que o esforço axial que comprime o trecho

fletido do duto é dado pela diferença entre os esforços axiais no trecho ancorado e

fletido ( )bef

oef NN − .

Deste modo temos que:

( )s

bbef

oef

EALNN

S−

=∆ (D.19)

Utilizando (D.18) em (D.19), e rearranjando seus termos, obtém-se:

( )2

626100.16

EILEA

WNN bss

bef

oef

−⋅+= (D.20)

Onde o esforço axial efetivo no trecho fletido do duto ( befN ), é fornecido pela equação

(D.12). Assim a equação (D.20), pode ser apresentada de forma mais direta como:

( )2

626

2 100.1676.80EI

LEAW

LEIN bs

sb

oef

−⋅+= (D.21)

A equação (D.21) é útil para verificação do esforço axial em dutos curtos, tendo

aplicação em modelos reduzidos em laboratório, onde são testados dutos com

comprimentos reduzidos devido a problemas de espaço. Também pode-se verificar

através da equação (D.21) o caso limite de duto ancorado imediatamente após o trecho

fletido, como será feito mais adiante na aplicação da formulação analítica em casos

específicos de dutos reais.

A equação (D.21) pode ser generalizada para o caso em que a região vizinha ao trecho

fletido, sofre deslocamentos axiais até que o duto seja ancorado pelo atrito axial com o

solo. A Figura D.6 – (b) mostra o diagrama de esforço axial ao longo do duto para o

contato solo-duto seguindo a lei de atrito de Coulomb, para uma variação de

temperatura aplicada. Neste caso a variação do comprimento obtido anteriormente

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546

(equação D.18) recebe a contribuição do deslocamento axial nas vizinhanças do trecho

fletido, sofrendo um aumento significativo. A variação do comprimento do trecho

fletido, como no caso anterior é proporcional à área em destaque na Figura D.6. Deste

modo o esforço axial no trecho ancorado do duto expresso no caso anterior pela equação

(D.21), pode ser generalizada para considerar o deslocamento axial no trecho vizinho a

alça de deformação vertical. Após uma série de manipulações com os termos da

equação resultante, temos que (HOBBS,1981):

( )

5.0

2

525

2 0.110391.65.076.80⎥⎥⎦

⎢⎢⎣

⎡−⋅+= −

EIFLEA

WLFLEIN

axi

bssbaxi

b

oef (D.22)

A equação (D.22), fornece o esforço axial no trecho ancorado do duto para solos

arenosos de forma mais genérica considerando o efeito do atrito axial com o solo, na

região vizinha ao trecho fletido, em função das principais variáveis envolvidas na

flambagem vertical segundo o modo 1.

Para solos argilosos Figura D.6 – (c) o diagrama de esforço axial ao longo do duto, para

uma variação de temperatura, não possui a descontinuidade considerada na obtenção da

equação (D.22). Deste modo após uma série de manipulações pode-se obter o esforço

axial no trecho ancorado(HOBBS,1981,1984).

( ) ⎥⎥⎦

⎢⎢⎣

⎡+⋅+−+= − 0.110391.615.076.80 2

525

2 EIFLEA

WLFLEIN

axi

bssbaxi

b

oef (D.23)

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547

Figura D.6 – Esforço axial ao longo do duto. Em (a) o trecho de duto em contato com o

solo é fixo a base não sendo permitido deslocamento axial. Em (b) e (c) nos trechos de

comprimento “a” ocorrem deslocamentos axiais até a ancoragem do duto pelo atrito no

contato solo-duto considerando materiais arenoso e argiloso respectivamente

Com as equações (D.22) e (D.23) é possível determinar a variação de temperatura

aplicado no duto, que leva a condição crítica de flambagem. Para tal é utilizada a

equação (D.0), que fornece o esforço axial em função da variação de temperatura.

αν

θs

iioef

EAApN )21( −−

=∆ (D.24)

No numerador da equação (D.24), utiliza-se a expressão (D.22) ou (D.23) para a

determinação da variação de temperatura mínima de flambagem (“safe temperature”).

Cabe observar que a equação (D.24) não fornece diretamente a variação de temperatura

mínima de flambagem, pois o comprimento do trecho fletido LBb B, é uma das incógnitas

do problema variando com a variação de temperatura aplicada. Deste modo é necessário

levantar a curva variação de temperatura versus comprimento de flambagem,

determinando a partir desta curva a variação de temperatura mínima para o qual o duto

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548

considerado inicialmente como perfeitamente reto, sofre o processo de flambagem

vertical.

É de grande interesse prático calcular o comprimento do trecho reto com deslocamentos

axiais (a), adjacente a região fletida do duto (Figura D.2). O comprimento “a” é a

distância teórica no trecho reto do duto que não sofre flambagem, necessária para que o

duto seja ancorado unicamente pelo atrito axial no contato solo-duto. O comprimento de

duto necessário para que o solo restrinja os deslocamentos axiais, será definido ao longo

deste trabalho como comprimento de expansão térmica do duto (CET), sendo de

fundamental importância no estudo de dutos aquecidos. Um duto com uma única alça de

deformação isolada, é ancorado somente pelo atrito axial no contato solo-duto. Porém

em casos onde a distância entre duas alças de deformação, seja menor que o

comprimento necessário para que a ancoragem seja dada somente pelo atrito axial com

o solo, ocorre um complexo fenômeno de distribuição do esforço térmico entre as alças.

O comprimento teórico “a” , pode ser obtido diretamente através da compatibilização

entre os esforços axiais no trecho fletido e ancorado do duto, conforme pode ser visto na

Figura D.2, deste modo temos:

baxi

bef

oef LF

NNa 5.0−

−= (D.25)

axi

bef

oef

FNN

a−

= (D.26)

Na equação (D.25) é considerado que a força axial no contato solo-duto segue a lei de

Coulomb (material arenoso com comportamento drenado), enquanto na equação (D.26)

a reação axial é dada pelo produto da resistência não-drenada pela área de contato solo-

duto (material argiloso com comportamento não-drenado).

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549

Para materiais arenosos (comportamento drenado):

saxiaxi WF µ= (D.27)

Para materiais argilosos (comportamento não-drenado):

latuaxi ASF = (D.28)

O comprimento de expansão térmico (CET) de uma alça vertical isolada, ancorada

somente pelo atrito axial com o solo (Figura D.6), é dado por :

bLaCET += 2 (D.29)

Cabe observar que a expressão (D.29), esta sujeita as hipóteses simplificadoras do

método analítico de KERR/HOBBS.

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550

D.4 MÉTODO ANALÍTICO (KERR/HOBBS) – EQUAÇÕES PARA FLAMBAGEM LATERAL (“LATERAL BUCKLING/ SNAKING”)

A obtenção das equações para flambagem lateral é mais trabalhosa que o da flambagem

vertical, pois existem diferentes modos de flambagem possíveis para a configuração

fletida do duto (HOBBS,1981) conforme pode ser visto na Figura D.7. Como feito

anteriormente, alguns comentários extras sobre as hipóteses simplificadoras do método

analítico desenvolvido por KERR (1978) e adaptado por HOBBS (1981,1984) serão

feitos de forma mais detalhada. Entre os modos de flambagem mostrados na Figura D.7,

o de maior interesse prático é o modo 3, podendo também ocorrer uma situação que leve

a um dos demais modos, dependendo da imperfeição inicial imposta ao duto.

Figura D.7 – Deformada após flambagem mostrando os modos 1,2,3 e 4

Para o caso de flambagem lateral (serpenteamento ou “snaking”)

Na obtenção das fórmulas analíticas para verificação de flambagem horizontal são

válidas as mesmas observações realizadas para o caso da flambagem no plano vertical

feitas anteriormente. Deste modo a reação máxima do solo devido a movimentação do

duto é mobilizada instantaneamente, constituindo um modelo rígido plástico, ou seja o

efeito da forma da lei constitutiva da curva força versus deslocamento é desconsiderada.

A Figura D.8 mostra os esforços atuantes na configuração deformada do duto no plano

horizontal segundo o modo 3, e o esforço axial ao longo do seu eixo. O duto é

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551

considerado perfeitamente reto antes da ocorrência da flambagem. A consideração do

efeito causado pela presença de imperfeições iniciais (curvatura inicial), pode ser

inserida em modelos analíticos .

Figura D.8 – Esforços atuantes na configuração deformada do duto, e distribuição de

esforços axiais para flambagem horizontal segundo o modo 3

Como pode ser observado na Figura D.8, na região fletida o único esforço atuante é o

esforço lateral FBlatB, neste trecho é desprezado o atrito axial entre o duto e o solo. O atrito

axial na região fletida do duto pode ser desprezado, pois seu comprimento (2LB2 B) é

sensivelmente inferior ao comprimento 2a que restringe o duto na direção axial (Figura

D.8), como será visto adiante.

A seguir serão mostrados os passos para a obtenção das equações para a flambagem

lateral de um duto aquecido segundo modo o 3. Os demais modos são obtidos de forma

semelhante (HOBBS,1981). A solução abordada neste trabalho foi proposta por KERR

(1978) para o problema de flambagem lateral de trilhos de trens, sendo posteriormente

adaptada por HOBBS para o problema de dutos aquecidos. A solução do problema é

obtida através de formulação variacional utilizando a teoria da elasticidade não-linear

para vigas. O duto na sua configuração deformada foi dividido em sete regiões, sendo

três na região fletida do duto (Figura D.9).

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552

Figura D.9 – Regiões do duto utilizadas para obtenção das equações de equilíbrio do

modo 3 de flambagem lateral

Utilizando-se a simetria da configuração deformada do duto obtém-se as equações não-

lineares diferenciais de equilíbrio, em cada trecho do duto, utilizando a expressão do

esforço axial efetivo mostrada no capítulo 7:

para 10 Lx ≤≤

lats

iis Fv

EAAp

EAvEI −=′

⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡′⎟⎟

⎞⎜⎜⎝

⎛ −−∆−−′′′′ 111

)21()(

νθαε (D.30)

0)21(

1 =′

⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ −−∆−

s

iis EA

ApEA

νθαε (D.31)

para 21 LxL ≤≤

lats

iis Fv

EAAp

EAvEI =′

⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡′⎟⎟

⎞⎜⎜⎝

⎛ −−∆−−′′′′ 222

)21()(

νθαε (D.32)

0)21(

2 =′

⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ −−∆−

s

iis EA

ApEA

νθαε (D.33)

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553

para 32 LxL ≤≤

axials

iis F

EAAp

EA −=′

⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ −−∆−

)21(3

νθαε (D.34)

Onde:

2

21

nnn vu ′+′=ε ; n = 1, 2, 3 (D.35)

Nas expressões acima o símbolo P

/ Prefere-se a diferenciação em relação a x.

As condições de contorno e de continuidade entre os trechos fletidos do duto, para

obter-se a solução do modo 3, são dadas por (KERR,1978):

0)0(1 =′v ; 0)0(1 =′′′v ; 0)0(1 =u (D.36)

)()( 1211 LvLv = ; )()( 1211 LvLv ′′=′′

)()( 1211 LvLv ′=′ ; )()( 1211 LvLv ′′′=′′′

)()( 1211 LuLu = ; )()( 1211 LuLu ′=′

0)( 11 =Lv ( portanto 0)( 12 =Lv )

(D.37)

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554

0)( 22 =Lv ; 0)( 22 =′ Lv ; 0)( 22 =′′ Lv

)()( 2322 LuLu = ; )()( 2322 LuLu ′=′

(D.38)

0)( 33 =Lu ; 0)( 33 =′ Lu (D.39)

As condições de contorno e continuidade mostradas acima permitem determinar as

constantes de integração, e os comprimentos LB1 B, LB2 B e LB3B.

Integrando as equações de (D.31) e (D.33), temos que:

11)21(

NconstEA

ApEA

s

iis −==⎟⎟

⎞⎜⎜⎝

⎛ −−∆−

νθαε ; para 10 Lx ≤≤ (D.40)

22)21(

NconstEA

ApEA

s

iis −==⎟⎟

⎞⎜⎜⎝

⎛ −−∆−

νθαε ; para 21 LxL ≤≤ (D.41)

Observando as condições de continuidade para u’ e v’ em (D.37), temos:

befNNN == 21 (D.42)

No modelo admite-se que o esforço axial efetivo é constante em todo o trecho fletido do

duto, independentemente do modo de flambagem que é analisado.

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555

O sinal negativo antes do esforço axial nas equações (D.40) e (D.41), se explica pois é

adotado nas deduções a seguir, que o esforço de compressão é considerado como

positivo, e dado pela expressão abaixo.

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ −−∆−−=

s

iisef EA

ApEAxN

)21()(

νθαε ; (∆θ > 0 ; N > 0 – compressão)

(D.43)

Utilizando o resultado da expressão (D.42), e considerando que EI = const., as equações

(D.30) e (D.32) são reduzidas a equações diferenciais lineares com coeficientes

constantes, conforme mostrado abaixo.

latefiv FvNEIv −=′′+ 11 ; para 10 Lx ≤≤ (D.44)

latefiv FvNEIv +=′′+ 22 ; para 21 LxL ≤≤ (D.45)

ou:

EIFvkv lativ −=′′+ 1

21 ; para 10 Lx ≤≤ (D.46)

EIFvkEIv lativ +=′′+ 2

22 ; para 21 LxL ≤≤ (D.47)

onde v é o deslocamento transversal ao eixo do duto

com:

EINk ef=2 (D. 48)

As equações (D.46) e (D.47) são praticamente iguais a equação (D.2) para flambagem

vertical, sendo o peso substituído pela reação lateral máxima do solo. Para obter-se as

equações finais do método analítico para dutos aquecidos, considerando os diferentes

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556

modos de flambagem, modificam-se as condições de contorno e continuidade dos

trechos de duto fletidos. A obtenção das equações para os demais modos não será

abordada aqui, sendo apresentado somente as equações finais. KERR (1978) em seu

trabalho clássico sobre flambagem de trilhos de trens aquecidos, trata em detalhe as

equações para cada modo de flambagem.

As soluções gerais das equações (D.46) e (D.47) são dadas por:

( ) ( ) ( ) 2243211 2

sincos xEIkF

AxAkxAkxAxv lat−+++= (D.49)

( ) ( ) ( ) 2287652 2

sincos xEIkF

AxAkxAkxAxv lat++++= (D.50)

Utilizando as condições de contorno e continuidade para v, conforme (D.36), (D.37) e

(D.38) as constantes de integração AB1 B a AB8 B , são obtidas:

( )( ))cos(

214

2

42

1 kLkLEI

LFA lat −= ψ ; 032 == AA

( )( ) ( ){ })cos()cos(4

2 112

142

42

4 kLkLkLkLEILF

A lat −−= ψ

( )ψ4

2

42

52

kLEILF

A lat= ; ( )

)sin(2

142

42

6 kLkLEI

LFA lat= ;

( ) 12

32

42

72

kLLkLEI

LFA lat−=

( )( )

⎭⎬⎫

⎩⎨⎧

−+−−=4

)sin()sin()cos(2 2

2211224

2

42

8kL

kLkLkLkLkLkLEI

LFA lat ψ

(D.51)

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557

Onde:

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ +−=

2)sin()cos(

)sin(2

1122

2 kLkLkLkLkL

Lψ (D.52)

As constantes de integração AB1 B a AB8 B estão em função dos comprimentos LB1B e LB2 B. Para

obter-se uma relação entre os comprimentos das meias ondas características do trecho

fletido do duto (LB1 B e LB2 B), utilizam-se as condições de contorno 0)( 12 =Lv e

0)( 22 =′′ Lv em (D.50), obtendo-se:

( ) ( ) ( )( )

02

sincos 22

21

42

8171615 =++++kLEIkLLF

ALAkLAkLA lat

( ) ( )( )

0sincos 42

42

2625 =−+kLEI

LFkLAkLA lat

(D.53)

Nas expressões em (D.53) as constantes de integração foram definidas em (D.51). As

menores raízes kLB1B e kLB2 B, que satisfazem simultaneamente as duas expressões acima

foram obtidas iterativamente, resultando em:

918.21 =kL ; 551.72 =kL (D.54)

Utilizando os valores das raízes kLB1B e kLB2 B obtidas acima, nas constantes de integração

(D.51), e verificando que LB2 B=2.59LB1 B=1.295L (ver Figura D.9), obtêm-se as soluções das

equações (D.49) e (D.50). Para a meia onda mais significativa do modo 3, temos a

solução para os deslocamentos transversais ao eixo do duto, conforme mostrado abaixo:

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558

( ) ( )EI

LFx

EIkF

kxEI

LFxv blatlatblat

432

2

43

1 10975.62

cos10375.3 −− ⋅+−⋅= (D.55)

Utilizando (D.48) na primeira expressão de (D.54), e lembrando que LB1 B=LBb B/2 (Figura

D.9), obtém-se o esforço normal no trecho fletido do duto em função do comprimento

da meia onda mais significativa, conforme mostrado abaixo:

.06.34 2b

bef L

EIN = (D.56)

Para obter-se os valores máximos para o deslocamento e momento fletor no trecho

fletido do duto (meia onda mais significativa ou central), utiliza-se a primeira equação

de (D.54) (lembrando que LB1 B=LBb B/2) em (D.55), que após algumas transformações

fornece:

EILF

v blat4

2max1 10032.1 −⋅= (D.57)

2max

1 1434.0 blat LFM = (D.58)

De (D.54) pode-se ainda definir a distância entre o trecho fletido e o ancorado somente

pelo atrito axial do solo (alça isolada), de um duto que sofre processo de flambagem

segundo o modo 3 (lembrando que LB2 B=2.59LB1 B=1.295L), do seguinte modo:

aLaLL +=+= 295.12exp (D.59)

onde o comprimento a, como será visto adiante é dado por:

axi

bef

oef

FNN

a−

= (D.60)

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559

O comprimento total de duto afetado pela flambagem térmica do duto (CET) é o dobro

do comprimento dado pela equação (D.59), ou seja:

( ) aLaLCET b 259.22 2 +=+= (D.61)

A expressão (D.61) é de grande interesse prático permitindo obter uma boa estimativa

para o comprimento a ser adotado numa simulação de elementos finitos, para uma alça

isolada. Na equação (D.61) é considerado que a força axial é mobilizada

instantaneamente (modelo rígido plástico).

O objetivo final a ser alcançado com a formulação analítica analisada (KERR/HOBBS),

é possibilitar a determinação da variação de temperatura para o qual ocorre a

flambagem lateral do duto. Para tal é necessário relacionar o esforço normal efetivo no

trecho ancorado do duto com a variação de temperatura (equação D.0).

Deste modo será determinada uma expressão que relacione os esforços axiais nos

trechos fletido e ancorado do duto, através da compatibilização entre os deslocamentos

axiais nos diferentes trechos do duto. Assim utilizando as equações (D.40) e (D.41)

observando (D.42) na equação (D.35), temos:

( ) ( )xvEAN

EAAp

xus

bef

s

ii 211 2

1)21( ′−⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−

−+∆=′ ν

θα para 10 Lx ≤≤ (D.62)

( ) ( )xvEAN

EAAp

xus

bef

s

ii 222 2

1)21( ′−⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−

−+∆=′ ν

θα para 21 LxL ≤≤ (D.63)

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560

Integrando (D.62) de 0 a x, utilizando a condição de contorno ( ) 001 =u , temos:

( ) dxvxEAN

EAAp

xux

s

bef

s

ii ∫ ′−⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−

−+∆=

0

211 2

1)21( νθα (D.64)

Integrando (D.63) de LB1 B a x, temos:

( ) ( ) ( ) dxvLxEAN

EAAp

Luxux

Ls

bef

s

ii ∫ ′−−⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−

−+∆+=

1

221122 2

1)21( νθα (D.65)

Onde a constante ( )12 Lu , é obtida da condição de continuidade ( ) ( )1211 LuLu = . Assim

através da equação (D.64), obtém-se:

( ) dxvLEAN

EAAp

LuL

s

bef

s

ii ∫ ′−⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−

−+∆=

1

0

21112 2

1)21( νθα (D.66)

Deste modo utilizando (D.66) em (D.65), chega-se a:

( ) dxvdxvxEAN

EAAp

xux

L

L

s

bef

s

ii ∫∫ ′−′−⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−

−+∆=

1

12

20

212 2

121)21( ν

θα (D.67)

Cabe observar que ( )xv1′ e ( )xv2′ , são conhecidos a partir das equações (D.49) e (D.50)

para a constantes de integração fornecidas em (D.51), utilizando os valores das raízes

kLB1 B e kLB2 B fornecidas em (D.54).

Utilizando a equação diferencial (D.34), e considerando que EABs B=const. e vB3B(x)=0,

obtém-se:

axis FxuEA −=′′ )(3 32 LxL ≤≤ (D.68)

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561

A solução genérica de (D.68), é dada por:

( ) 21

2

3 2BxBx

EAF

xus

axi +−⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−= (D.69)

Considerando a condição de contorno ( ) 033 =Lu , tem-se:

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−= 31

23

2 2LB

EALF

Bs

axi (D.70)

Retornando o valor da constante de integração BB2 B, obtida em (D.70) na expressão

(D.69), chega-se a:

( ) ( ) ( )3123

23 2

LxBLxEAF

xus

axi −+−−= (D.71)

Para obter a constante de integração BB1 B, utiliza-se a condição de continuidade

)()( 2322 LuLu ′=′ e a condição de contorno 0)( 22 =′ Lv . Deste modo a partir das

equações (D.63) e (D.71), com as condições mostradas resulta:

s

axi

s

bef

s

ii

EAF

EAN

EAAp

B −⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−

−+∆=

)21(1

νθα (D.72)

De (D.72) em (D.71), obtém-se a expressão para o deslocamento axial do trecho de duto

reto, conforme mostrado abaixo:

( ) ( ) ( )xLEAN

EAAp

LaxEAF

xus

bef

s

ii

s

axi −⎪⎭

⎪⎬⎫

⎪⎩

⎪⎨⎧

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−

−+∆−−+= 323

)21(2

νθα (D.73)

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562

Obtidas as expressões para os deslocamentos axiais em cada trecho do duto deformado

segundo o modo 3, pode-se relacionar os esforços axiais nos trechos fletidos e ancorado,

através da relação de continuidade )()( 2322 LuLu = . Deste modo a partir das equações

(D.67) e (D.73) com a condição de continuidade mostrada anteriormente, tem-se:

( )s

axiL

L

L

s

bef

s

ii

EAaF

dxvdxvaLEAN

EAAp

221

21)21( 2

22

0

212

2

1

1

=′−′−+⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−

−+∆ ∫∫

νθα (D.74)

Para eliminar a variável a, da equação acima utiliza-se a condição de contorno

0)( 23 =′ Lu , através da equação (D.73) e lembrando que )21( νθα −+∆= iisoef ApEAN ,

obtendo-se:

bef

oefaxi NNaF −= (D.75)

A equação (D.75) acima fornece a condição de equilíbrio para a região reta do duto

submetida somente a deslocamentos axiais (Figura D.10).

Figura D.10 – Interpretação mecânica para a equação (D.75)

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563

Utilizando a equação (D.75) em (D.74) obtém-se finalmente a expressão que relaciona

os esforços axiais nos trechos fletido e ancorado do duto, que após algumas

manipulações fornece.

( ) ( ) 022

1

12

20

212

2=⎟

⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛′+′−−+− ∫∫ dxvdxvFEANNFLNN

L

L

L

axisbef

oefaxi

bef

oef (D.76)

Resolvendo a equação (D.76), obtém-se:

⎪⎭

⎪⎬⎫

⎪⎩

⎪⎨⎧

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛′+′++−+= ∫∫ dxvdxv

FLEA

FLNNL

L

L

axi

saxi

bef

oef

2

1

12

20

212

22 11 (D.77)

As integrais que possuem os termos ( )xv1′ e ( )xv2′ , são calculadas a partir das equações

(D.49) e (D.50) para a constantes de integração fornecidas em (D.51), utilizando os

valores das raízes kLB1 B e kLB2B fornecidas em (D.54). Também é utilizado o fato que

LB2 B=2.59LB1 B=1.295L para o modo 3, resultando:

EILF

dxv blatL 7

4

0

21 10414.2

1−⋅=′∫

EILF

dxv blatL

L

752

2 10817.32

1

−⋅=′∫

(D.78)

Assim utilizando (D.78) em (D.77), e colocando a expressão final em termos do

comprimento da meia onda mais significativa (LBb B), tem-se:

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564

( ) ⎪⎭

⎪⎬⎫

⎪⎩

⎪⎨⎧

⋅++−+= −2

52410668.111295.1

EIFLFEA

FLNNaxi

blatsaxib

bef

oef (D.79)

Onde o esforço axial no trecho fletido do duto ( befN ), é fornecido pela equação (D.56)

A equação (D.79) é a expressão final para o modo 3 de flambagem lateral, permitindo

determinar a variação de temperatura aplicado no duto, que leva a condição crítica de

flambagem. Utilizando a expressão (D.0), obtém-se a seguinte expressão para a variação

de temperatura.

α

νθ

s

iioef

EAApN )21( −−

=∆ (D.80)

ou

( )α

ν

θs

iiaxi

blatsaxib

bef

EA

ApEIF

LFEAFLN )21(10668.111295.1 2

524 −−

⎪⎭

⎪⎬⎫

⎪⎩

⎪⎨⎧

⋅++−+

=∆

(D.81)

A expressão (D.81) permite determinar a variação de temperatura mínima de

flambagem (“safe temperature”). Cabe observar que a equação (D.81) não fornece

diretamente o gradiente mínimo de flambagem, pois o comprimento do trecho fletido L,

é uma das incógnitas do problema variando com a variação de temperatura aplicado,

sendo necessário levantar a curva variação de temperatura versus comprimento de

flambagem, determinando a partir desta curva o gradiente mínimo para o qual o duto

considerado inicialmente como perfeitamente reto, sofre o processo de flambagem

lateral segundo o modo 3.

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565

As expressões obtidas acima são para o modo 3 de flambagem, obtidas do trabalho

clássico para a determinação da temperatura de flambagem em trilhos de trens

desenvolvido por KERR (1978). Neste mesmo trabalho também foram tratados em

detalhes os modos 1,2 e 4 (Figura D.7). A seguir são fornecidos os resultados finais que

são obtidos seguindo o mesmo roteiro adotado para o modo 3, mudando-se apenas as

condições de contorno e continuidade para cada modo analisado.

Deste modo as principais equações obtidas para o modo 3, são apresentadas de uma

forma mais genérica para todos os demais modos, conforme mostrado abaixo:

.21b

bef L

EIkN = (D.82)

( ) ⎪⎭

⎪⎬⎫

⎪⎩

⎪⎨⎧

++−+= 2

52

23 11EIF

LFEAkFLkNN

axi

blatsaxib

bef

oef (D.83)

EILF

kv blat4

4max= (D.84)

2

5max blat LFkM = (D.85)

( )aLkCET b += 62 (D.86)

Sendo o comprimento “a” fornecido pela expressão (D.75).

O acréscimo de temperatura ∆θ, para cada um dos modos de flambagem estudados por

KERR e HOBBS, necessário para levar o duto a flambagem térmica, é dado por :

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( )α

ν

θs

iiaxi

blatsaxib

bef

EA

ApEIF

LFEAkFLkN )21(11 2

52

43 −−⎪⎭

⎪⎬⎫

⎪⎩

⎪⎨⎧

++−+

=∆ (D.87)

A equação (D.87) é a forma mais genérica da equação (D.81), podendo ser aplicada

para os modos 1 a 4 de flambagem lateral.

O acréscimo de temperatura crítico que leva o duto a flambagem é função do

comprimento de flambagem da meia onda mais significativa (LBbB) assumida pela

configuração deformada, devendo ser obtido de forma iterativa.

Os fatores kB1 B, kB2 B, kB3 B, kB4 B, k B5B e kB6 B são constantes que dependem do modo de flambagem

assumido pelo duto, e são fornecidos na tabela D.1 abaixo.

Tabela D.1 – Constantes para os diferentes modos de flambagem

Modo k B1B k B2 B(10P

-5P) k B3B k B4 B(10P

-3P) k B5B k B6B

1 80.76 6.391 0.5 2.407 0.06938 0.5

2 39.48 17.430 1.0 5.532 0.1088 1.0

3 34.06 16.680 1.294 10.320 0.1434 1.294

4 28.20 21.440 1.608 10.470 0.1483 1.608

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567

D.5 MÉTODO ANALÍTICO (KERR/HOBBS) – EQUAÇÕES PARA

FLAMBAGENS LATERAL E VERTICAL PARA DUTOS PRÓXIMOS À

RESTRIÇÕES

Nos itens 2.1 e 2.2 foram obtidas as expressões para determinação da temperatura

crítica de flambagem nos planos vertical e horizontal, considerando o duto com

enterramento constante restringido longitudinalmente somente pelo efeito da resistência

axial do solo.

Neste item serão consideradas duas variações importantes nas hipóteses de restrição

axial do solo (HOBBS,1989). Na primeira será analisado o caso, onde o duto repousa

sobre um solo com dois enterramentos distintos ao longo do seu comprimento, como

pode ser visto na Figura D.11. Na segunda será verificada a condição, onde o duto

encontra-se com suas extremidades fixas, sendo que esta restrição ocorre para um

comprimento menor, que o comprimento de ancoragem devido à reação axial do solo,

conforme mostrado na Figura D.12.

Figura D.11 – Esforço axial ao longo do duto (modo 3), considerando dois

enterramentos distintos ao longo do seu comprimento

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Figura D.12 – Esforço axial ao longo do duto (modo 3), considerando as extremidades

fixas num comprimento menor que o de ancoragem devido à reação axial do solo

As duas variações descritas acima são de grande interesse prático, visto que um duto em

condições reais no campo apresenta enterramento variado ao longo do seu

comprimento, podendo existir também alças de deformações concorrentes que

redistribuem o comprimento de expansão térmica, fazendo este menor que o

comprimento de ancoragem dado pela resistência axial do solo.

A obtenção de equações analíticas que permitam a consideração de dois enterramentos

distintos e comprimentos de expansão térmica menores que os de ancoragem pelo solo,

são um avanço apresentado por (HOBBS,1989), em relação às equações obtidas nos

itens 2.1 e .2.2.

Serão apresentados a seguir as equações (HOBBS,1989) para o esforço axial ao longo

do duto, para as duas hipóteses descritas acima. As demais equações obtidas nos itens

2.1 e 2.2 são as mesmas (deslocamento, momento fletor, etD..) não sofrendo quaisquer

modificações.

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569

Para a obtenção das equações de esforço axial ao longo do duto, para os modos de

flambagem laterais, considerando dois enterramentos diferenciados, obtém-se a partir da

Figura D.11, que:

2aFraFNN axiaxibef

oef ++= (D.88)

O deslocamento axial que o duto sofre, é dado por:

( )s

axiaxiaxi

EAaaFaFraFr

L5.05.0 2

22 ++

=∆ (D.89)

Eliminando aB2 B da equação (D.89), através de (D.88), e utilizando condições de

compatibilidadeP

0P, obtém-se:

( )[ ]

( )( ) ( )[ ]22

322

2

726

3

425.0

25.0

baxiaxiaxiblataxis

axibaxibef

oef

LkDFrFDFrEI

LFFrEAk

DFrLkDFNN

−−++

+−−+=

(D.90)

Onde:

D = CET

2236 kkk = (D.91)

A equação (D.91), fornece o esforço axial no trecho restringido do duto, considerando a

presença de dois enterramentos distintos ao longo do duto.

A obtenção do esforço axial oefN , para o caso com extremidades fixas (Figura D.12), é

feita de forma semelhante a feita para duto possuindo dois enterramentos distintos,

obtendo-se:

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570

( )( )

DLkDF

DEILFEAk

NN baxiblatsBef

oef 4

2 23

2

726 −

++= (D.92)

As equações (D.90) e (D.92), são aplicáveis à flambagem lateral de dutos aquecidos.

Para a flambagem vertical em solos com argilosos com comportamento não-drenado,

basta trocar os termos em (D.90) e (D.92), correspondentes ao esforço lateral máximo

pelo peso submerso do duto.

Para o caso de solos com comportamento drenado, basta considerar a descontinuidade

no esforço axial na fronteira entre o trecho fletido e reto do duto (Figura D.6), gerado

pela utilização da lei de atrito de CoulomD. Deste modo seguindo-se os mesmos passos

utilizados na obtenção das equações para o esforço axial no caso da flambagem lateral,

obtém-se:

Para solos (com comportamento drenado) com dois enterramentos distintos:

( )( )

( ) ( )[ ]2222

726 25.05.0 baxiaxiaxi

bsaxisaxiaxi

bef

oef LDFrFDFr

EILWFrEAk

FrFDNN +−++−+=

(D.93)

Para solos (com comportamento drenado) com extremidades fixas:

( )( )

DDLF

DEILWEAk

NN baxibssbef

oef 4

22

2

726 −

−+= (D.94)