Daniel Lyrio Carneiro

Título

A Time-Dependent Axial Pipe-Soil Interaction Model For Global Analyses Of Subsea Pipelines


Orientador(es)

Gilberto Bruno Ellwanger
Fernando Artur Brasil Danziger


Resumo

Este trabalho tem como foco a interação duto-solo no projeto de dutos submarinos sujeitos a deslocamentos axiais cíclicos, em particular os sujeito ao fenômeno pelo qual o deslocamento axial se acumula, conhecido como pipeline walking. O recente salto no entendimento dos aspectos geotécnicos da complexa interação duto-solo (que envolve drenagem parcial e ciclos de deformações plásticas) não foi acompanhado pelas ferramentas disponíveis para análise global de dutos. Esta tese apresenta um modelo novo, com o intuito de preencher esta lacuna. Este consiste de um elemento finito formulado especificamente para esta aplicação, permitindo capturar alguns dos principais aspectos do comportamento do solo, embora sendo simples o suficiente para ser incluído em modelos globais de dutos (de maneira similar a molas não-lineares). Dado o reduzido número de graus de liberdade, espera-se que este modelo possa ser implementado com baixo custo computacional, apresentando assim tempos de análise compatíveis com a prática de projeto. Durante o desenvolvimento da tese, foram elaborados modelos em elementos finitos do comportamento local do solo. Estes modelos não só foram úteis na validação do novo modelo proposto, como também permitiram a observação de aspectos relevantes relacionados à bidimensionalidade do adensamento e à redistribuição de poro-pressão durante carregamentos parcialmente drenados. Tais aspectos são também apresentados e discutidos.


Abstract

This work is concerned with the pipe-soil interaction in the design of subsea pipelines subjected to cyclic axial displacements, in particular those subjected to the ratcheting process known as pipeline walking. Significant recent industry-led research effort has improved the understanding of the complex soil response (involving partial drainage and cyclic plasticity). The available pipeline analysis tools, however, are lagging behind this evolution. The large scale difference between the local soil response and the global pipeline behaviour hampers the direct cross-application of the latest knowledge and models from both fields. This thesis presents a novel approach to model the time-dependent pipe-soil interaction, which intends to bridge this gap. It consists of bespoke finite elements which capture key aspects of the complex soil response, whilst being simplified enough that they can be included in global pipeline FE models (similar to non-linear springs). Given the small number of degrees of freedom required, it is expected that this model can be implemented with low computational cost, thus permitting global analyses within timeframes that are compatible with design practice. In the development of the thesis, local soil FE models were developed, which not only served for validation of the proposed model, but also provided useful insight into particular aspects of the soil response. Relevant observations concerning the twodimensionality of the consolidation process and the pore pressure migration under partially drained loading are also presented and discussed.


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