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4. FORMULAÇÃO DE SOLUÇÕES COM MÓDULOS ELÁSTICOS CONSTANTES

Após a definição do modelo simplificado de bacia sedimentar, o objetivo é obter soluções que descrevam o comportamento mecânico do material que forma a bacia sedimentar. A primeira etapa desta tarefa é realizada para a situação onde os efeitos do adensamento sobre os módu- los elásticos do material sedimentar são desconsiderados.

Inicialmente é feita uma descrição da formulação mecânica do problema, onde são estabeleci- dos as fases e os domínios de comportamento do material. Nessa descrição, são definidos os tempos que delimitam cada fase, bem como as posições das fronteiras entre os domínios. As leis de endurecimento (65) e (68) apresentam módulos de endurecimento, definidos em (66) e (69), que são funções da componente irreversível do jacobiano da transformação. Essa característica dificulta ou impossibilita o desenvolvimento de soluções analíticas para os sis- temas não-lineares de equações diferenciais parciais (sistemas não-lineares EDP) que descre- vem o comportamento mecânico do material, nas respectivas fases de comportamento. Assim, as respostas são obtidas numericamente.

Com o objetivo de obter soluções analíticas, são propostas leis de endurecimento plástico e viscoplástico adicionais, que simplificam a formulação. Essas leis referem a materiais com endurecimento linear ou que variam linearmente com a dilatação volumétrica irreversível. Elas apresentam módulos de endurecimento constantes, definidos no contexto do acoplamento plástico-viscoplástico, como: constante c p ir ir p h J J ∂ = − = ∂ (82) constante vp vp ir ir p h J J ∂ = − = ∂ (83)

Assim, as leis de endurecimento resultam em:

0

( ) ln

c ir c p ir

0

( ) ln

vp ir vp vp ir

p J = ph J (85)

Dessa forma, a formulação consiste em um sistema linear EDP.

Assim como as observações apresentadas no capítulo 3 acerca dos parâmetros das leis de en- durecimento plástica e viscoplástica, as seguintes condições devem ser observadas:

0 0 vp c p vp p p h h >   >  (86)

Na Figura 17, apresenta-se uma comparação entre as variações das pressões de consolidação plástica e viscoplástica para as leis (84) e (85), para pc0 =1.0 MPa, pvp0 =4.0 MPa, hp =8.0 e

vp

h =5.0. Adicionalmente, apresenta-se o limite J para ircr φ0 =0.65.

Figura 17: comparação entre as variações das pressões de consolidação plástica e viscoplástica.

A característica marcante das leis de endurecimento plástico e viscoplástico propostas em (84) e (85) é verificada na figura anterior. Diferente das leis (65) e (68), verifica-se que elas estão definidas para valores inferiores ao limite físico da componente irreversível do jacobiano. Ou seja, elas não fornecem endurecimento suficiente ao material e, assim, não há um comporta-

Jircr=0.35 pc pvp 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 Jir 0 5 10 15 20 25 30 35

mento assintótico na vizinhança de cr ir

J . Como consequência, há a ocorrência de porosidade

euleriana negativa, conforme Figura 18.

Figura 18: variação da porosidade euleriana, para φ =0 0.65.

Na sequência de desenvolvimento, cada fase de comportamento é colocada de forma que as respostas analíticas sejam primeiro apresentadas e sirvam como referência para as respostas obtidas numericamente. Quando necessário, as respostas obtidas para as leis de endurecimen- to (84) e (85) serão identificadas como “M1”. Já as respostas obtidas para as leis de endure- cimento (65) e (68) serão identificadas como “M2”.

Após a formulação de cada fase, são apresentadas as comparações entre os modelos. Para a análise proposta, a interpretação das respostas será feita em dois cenários: no primeiro, cha- mado de análise global, serão comparados os perfis de respostas em um determinado tempo da análise, que caracterizam o comportamento global da bacia sedimentar; no segundo, cha- mado de análise local, será analisado a evolução dos campos mecânicos ligados às partículas de sedimentos localizadas em x3 =0, ou seja, as partículas depositadas diretamente no subs- trato rígido. Essas partículas são depositadas no início do processo de acreção, em t=0, e o estado mecânico delas está associado ao mais alto nível de deformação e tensão ao longo do

Jircr=0.35 -1 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 Jir

4.1 FORMULAÇÃO MECÂNICA DO PROBLEMA

A evolução temporal da sedimentação e da compactação é dividida em cinco fases consecuti- vas (Figura 19), distintas entre si pelos domínios de comportamento das partículas da bacia sedimentar. A ocorrência de cada fase está condicionada às características mecânicas e tempo- rais da análise.

Referenciando à Figura 19, as quatro primeiras fases compõem o período de deposição sedi- mentar, enquanto a última está referida ao período não-deposicional:

1. Fase elástica: essa fase marca o início do período de deposição do sedimento, quando todas as partículas assentadas se comportam de forma elástica. O domínio temporal compreende o intervalo [0, ]e

tT e o domínio espacial se estende por x3∈[0, ( )]H t .

Essa fase termina quando o estado de tensão das partículas em x3=0 conduz à condi-

ção

( ,

0

) 0

p c

f

σ

p

=

no tempo e

t T= . Nesse tempo, o maciço tem a altura ( )e e H T =H ;

2. Fase elástica-plástica: nessa fase, a parte superior das partículas se comporta de for- ma elástica e o restante apresenta o comportamento elastoplástico. O domínio tempo- ral compreende o intervalo [ e, p]

tT T . O comportamento elástico se desenvolve no

domínio espacial 3 [ ( ) , ( )]

e

xH tH H t , enquanto o comportamento elastoplástico se

desenvolve no domínio espacial 3 [0, ( ) e]

xH tH . Essa fase termina quando o esta-

do de tensão das partículas em x3 =0 conduz à condição

f

vp

( ,σ

p

vp

) 0=

no tempo p

t=T . Nesse tempo, o maciço tem a altura ( p) p; H T =H

3. Fase elástica-plástica-viscoplástica: começando pelo topo da bacia sedimentar e mo- vendo-se para baixo, a bacia exibe nesta fase três camadas distintas: uma camada elás- tica seguida por uma camada elastoplástica, enquanto as partículas na camada inferior sofrem deformações elastoplásticas-viscoplásticas. O domínio temporal compreende o intervalo [ p, vp]

tT T . O comportamento elástico se desenvolve no mesmo domínio

espacial da fase precedente 3 [ ( ) e, ( )]

xH tH H t . O comportamento elastoplástico se

desenvolve em 3 [ ( ) , ( ) ]

p e

xH tH H tH , e o comportamento elastoplástico-

viscoplástico se desenvolve para 3 [0, ( ) p]

tículas em x3=0 apresentam dp =0 (

χ

ɺ =0) no tempo t =Tvp. Nesse tempo, o ma- ciço tem a altura ( vp) vp

H T =H ;

4. Fase elástica-viscoplástica no período de deposição sedimentar: em adição às três camadas formadas na fase anterior, uma parte das partículas assentadas desenvolve o comportamento elasto-viscoplástico. O domínio temporal compreende o intervalo

[ vp, s]

tT T . Os comportamentos elástico e elastoplástico se desenvolvem nos mes-

mos domínios espaciais da fase precedente, 3 [ ( ) e, ( )] xH tH H t e

3 [ ( ) , ( ) ]

p e

xH tH H tH . O comportamento elastoplástico-viscoplástico se desen- volve em 3 [ ( ) vp, ( ) p]

xH tH H tH , e o comportamento elasto-viscoplástico se desenvolve em 3 [0, ( ) vp]

xH tH . Essa fase termina ao final do período de deposi- ção sedimentar no tempo s

t T= . Nesse tempo, o maciço tem a altura ( )s s H T =H ;

5. Fase elástica-viscoplástica no período pós-deposição sedimentar: essa fase marca o início do período não-deposicional da bacia sedimentar. O domínio temporal compre- ende à s

tT . Os comportamentos elástico e elastoplástico não evoluem e, assim, apresentam os mesmos domínios espaciais da fase precedente. O comportamento elas- to-viscoplástico se desenvolve para 3 [0, ( ) p]

xH tH . Essa fase termina no tempo final de análise f

t=T , quando a bacia tem a altura ( f) f H T =H .

Algumas condições foram subentendidas na descrição das fases de comportamento das partí- culas. Com a finalidade de apresentar o tema de forma clara, elas são evidenciadas:

e p vp s f e p vp s T T T T T H H H H  ≤ ≤ ≤  (87)

Figura 19: lei de compactação gravitacional e representação esquemática da evolu- ção da bacia sedimentar.

É necessário ressaltar que as alturas e

H

e

H

p são constantes ao longo do tempo. Geometri-

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