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A exploração de petróleo em alto mar traz consigo desafios crescentes com o aumento da lâmina d’água e do grau de agressividade dos contaminantes presentes no fluido produzido. Sendo a produção no País majoritariamente escoada do poço para as unidades de produção por dutos flexíveis, faz-se necessária a realização de estudos aprofundados da influência destas condições na vida em fadiga destes equipamentos. Tais condições quando associadas ao alagamento da região anular dos dutos flexíveis, pode favorecer a corrosão das armaduras de tração, responsáveis por conferir resistência axial ao duto. Este fato compromete a integridade da estrutura, levando a operação à uma condição não segura. Com o intuito de elevar o grau de conhecimento sobre estes mecanismos de degradação, o presente estudo tem por objetivo estabelecer uma relação entre os parâmetros construtivos e operacionais destes dutos, com o seu desempenho em campo frente a carregamentos cíclicos e na condição de anular alagado Para tal, tendo como base a literatura disponível no tema, foram selecionados parâmetros de estudo para, a partir destes, determinar fatores de redução de vida em fadiga (FRVFs). Estes fatores foram quantificados e estudados através de correlações numéricas e experimentais, sendo validadas através da realização de um ensaio em escala real de um duto flexível com anular alagado com água do mar sintética saturada com dióxido de carbono. Como resultados foram obtidos fatores de redução de vida em fadiga para as condições estudadas. Ainda, foi estabelecida uma metodologia para a determinação destes e sua utilização para o cálculo do dano acumulado de fadiga nestes dutos. / Offshore oil exploration involves growing challenges as water depth increases and aggressive oil contaminants are present in production fluid. As Brazilian production is conducted from the well to the production units mostly through flexible pipes, studies regarding the influence of this conditions on fatigue life of these structures are necessary. When the annulus is flooded with seawater the above conditions turns the environment corrosive for tensile armor wires, that are responsible to provide axial strength to the pipe. This fact compromises the integrity of the structure as a whole turning the operation unsafe. To increase the knowledge regarding these degradation mechanisms this study aims to stablish a relationship between constructive and operational parameters with field performance considering dynamic loadings and flooded annulus conditions. For such, using the literature data available it was selected some relevant parameters and from these it was determined fatigue life reduction factors (FRVFs). The FRVF was quantified and studied using numeric and experimental relations and validated through a full scale fatigue test in flooded annulus condition with synthetic seawater saturated with CO2. As a result, it was obtained the FRFV to explored conditions. Even more, it was stablished a methodology for its determination and applicability for calculation of cumulative fatigue damage in flexible pipes.

Tubos flexíveis e cabos umbilicais têm sido bastante utilizados pela indústria petrolífera em aplicações offshore nos últimos anos. Os primeiros consistem num tipo de tubulação usada para o transporte de vários tipos de fluidos, geralmente trabalhando a alta pressão. Já os cabos umbilicais são usados para permitir o controle e a comunicação entre equipamentos submersos e de superfície. Quanto à concepção estrutural, os dois tipos de produto são muito semelhantes, apresentando diversas camadas metálicas combinadas com camadas plásticas concêntricas de modo a formar uma estrutura com grande rigidez axial e torcional, porém baixa rigidez flexional. O escopo deste trabalho é o estudo de modelos analíticos para a previsão do comportamento estrutural de tubos flexíveis e cabos umbilicais. Inicialmente são propostos modelos para a análise local destas estruturas, sob a ação de carregamentos de tração, torção, pressão interna, externa e flexão, agindo isoladamente ou combinados. São propostos modelos analíticos consistentes para cada camada, resultando num sistema de equações algébricas que, ao ser resolvido, fornece os valores de tensões e deformações nas diversas camadas, bem como os valores de rigidez equivalente axial, flexional e torcional do tubo/cabo. São feitas várias comparações entre os resultados obtidos analiticamente e resultados experimentais obtidos na literatura para diversos tubos e cabos. A importância dos modelos desenvolvidos fica evidente numa análise do comportamento global para a previsão de instabilidade de linhas sob carregamento combinado de torção e compressão dinâmica. Através de uma análise consistente, mostra-se que a clássica equação de Greenhill também pode ser utilizada para a determinação das cargas críticas de flambagem em barras curvas de grande comprimento, sendo o comprimento de flambagem da barra estimado a partir da relação de dispersão de onda flexional numa viga reta. Vários exemplos de determinação da carga crítica de flambagem são abordados, envolvendo tanto risers rígidos quanto flexíveis. Uma atenção especial ao estabelecimento e discussão de hipóteses é dada em todos os modelos propostos. / Flexible pipes and umbilical cables have been largely used by the oil industry in offshore applications in these last years. The former are a kind of pipeline structure used for conducting several fluids, often working at high pressure, while the latter are cables used to provide control and communication links between seafloor and surface equipments. Regarding their structural design, both flexible pipes and umbilicals are quite similar, presenting a number of steel armour layers combined with polymeric layers disposed in such a way to form a structure which is stiff under torsion and traction, but compliant under bending. The aim of this work is the study of analytical models to predict the structural behaviour of flexible pipes and umbilicals. At first, local analysis of such structures is undertaken, considering combined loadings of traction, torsion, internal and external pressures and bending. Consistent analytical models, proposed for each layer, are then combined to result in a system of algebraic equations that is solved for the stresses and deformations in the layers. Equivalent axial, torsional and flexural stiffness values for the pipe/umbilical are also obtained. Several comparisons between analytical results and experimental results obtained in the literature are also made, involving both flexible pipes and umbilicals. The importance of the developed models is highlighted in an analysis of the global structural behaviour made to predict the instability condition of flexible lines under the action of dynamic compression and twisting moment. Through a consistent analysis, it is shown that the classical Greenhill formula can also be used to determine critical buckling loads for long curved rods. In this case, an estimate for the buckling lenght is given by the flexural wave dispersion relation of a straight beam. Several examples, involving both SCRs and flexible pipes, illustrate the method of critical buckling load determination. Emphasis is also given in the establishment and discussion of hypotheses for all proposed models.

A exploração de petróleo em alto mar traz consigo desafios crescentes com o aumento da lâmina d’água e do grau de agressividade dos contaminantes presentes no fluido produzido. Sendo a produção no País majoritariamente escoada do poço para as unidades de produção por dutos flexíveis, faz-se necessária a realização de estudos aprofundados da influência destas condições na vida em fadiga destes equipamentos. Tais condições quando associadas ao alagamento da região anular dos dutos flexíveis, pode favorecer a corrosão das armaduras de tração, responsáveis por conferir resistência axial ao duto. Este fato compromete a integridade da estrutura, levando a operação à uma condição não segura. Com o intuito de elevar o grau de conhecimento sobre estes mecanismos de degradação, o presente estudo tem por objetivo estabelecer uma relação entre os parâmetros construtivos e operacionais destes dutos, com o seu desempenho em campo frente a carregamentos cíclicos e na condição de anular alagado Para tal, tendo como base a literatura disponível no tema, foram selecionados parâmetros de estudo para, a partir destes, determinar fatores de redução de vida em fadiga (FRVFs). Estes fatores foram quantificados e estudados através de correlações numéricas e experimentais, sendo validadas através da realização de um ensaio em escala real de um duto flexível com anular alagado com água do mar sintética saturada com dióxido de carbono. Como resultados foram obtidos fatores de redução de vida em fadiga para as condições estudadas. Ainda, foi estabelecida uma metodologia para a determinação destes e sua utilização para o cálculo do dano acumulado de fadiga nestes dutos. / Offshore oil exploration involves growing challenges as water depth increases and aggressive oil contaminants are present in production fluid. As Brazilian production is conducted from the well to the production units mostly through flexible pipes, studies regarding the influence of this conditions on fatigue life of these structures are necessary. When the annulus is flooded with seawater the above conditions turns the environment corrosive for tensile armor wires, that are responsible to provide axial strength to the pipe. This fact compromises the integrity of the structure as a whole turning the operation unsafe. To increase the knowledge regarding these degradation mechanisms this study aims to stablish a relationship between constructive and operational parameters with field performance considering dynamic loadings and flooded annulus conditions. For such, using the literature data available it was selected some relevant parameters and from these it was determined fatigue life reduction factors (FRVFs). The FRVF was quantified and studied using numeric and experimental relations and validated through a full scale fatigue test in flooded annulus condition with synthetic seawater saturated with CO2. As a result, it was obtained the FRFV to explored conditions. Even more, it was stablished a methodology for its determination and applicability for calculation of cumulative fatigue damage in flexible pipes.

A exploração de petróleo em alto mar traz consigo desafios crescentes com o aumento da lâmina d’água e do grau de agressividade dos contaminantes presentes no fluido produzido. Sendo a produção no País majoritariamente escoada do poço para as unidades de produção por dutos flexíveis, faz-se necessária a realização de estudos aprofundados da influência destas condições na vida em fadiga destes equipamentos. Tais condições quando associadas ao alagamento da região anular dos dutos flexíveis, pode favorecer a corrosão das armaduras de tração, responsáveis por conferir resistência axial ao duto. Este fato compromete a integridade da estrutura, levando a operação à uma condição não segura. Com o intuito de elevar o grau de conhecimento sobre estes mecanismos de degradação, o presente estudo tem por objetivo estabelecer uma relação entre os parâmetros construtivos e operacionais destes dutos, com o seu desempenho em campo frente a carregamentos cíclicos e na condição de anular alagado Para tal, tendo como base a literatura disponível no tema, foram selecionados parâmetros de estudo para, a partir destes, determinar fatores de redução de vida em fadiga (FRVFs). Estes fatores foram quantificados e estudados através de correlações numéricas e experimentais, sendo validadas através da realização de um ensaio em escala real de um duto flexível com anular alagado com água do mar sintética saturada com dióxido de carbono. Como resultados foram obtidos fatores de redução de vida em fadiga para as condições estudadas. Ainda, foi estabelecida uma metodologia para a determinação destes e sua utilização para o cálculo do dano acumulado de fadiga nestes dutos. / Offshore oil exploration involves growing challenges as water depth increases and aggressive oil contaminants are present in production fluid. As Brazilian production is conducted from the well to the production units mostly through flexible pipes, studies regarding the influence of this conditions on fatigue life of these structures are necessary. When the annulus is flooded with seawater the above conditions turns the environment corrosive for tensile armor wires, that are responsible to provide axial strength to the pipe. This fact compromises the integrity of the structure as a whole turning the operation unsafe. To increase the knowledge regarding these degradation mechanisms this study aims to stablish a relationship between constructive and operational parameters with field performance considering dynamic loadings and flooded annulus conditions. For such, using the literature data available it was selected some relevant parameters and from these it was determined fatigue life reduction factors (FRVFs). The FRVF was quantified and studied using numeric and experimental relations and validated through a full scale fatigue test in flooded annulus condition with synthetic seawater saturated with CO2. As a result, it was obtained the FRFV to explored conditions. Even more, it was stablished a methodology for its determination and applicability for calculation of cumulative fatigue damage in flexible pipes.

[pt] Um dos principais mecanismos de falha em risers flexíveis é o rompimento de arames da armadura de tração. A experiência tem mostrado que esta classe de dano tende a surgir primariamente na parte emersa do riser, próximo à sua terminação. A ruptura dos arames ocorre de forma progressiva, podendo ser causada por diferentes processos, tais como corrosão pelo ingresso de fluido no espaço anular entre capa e armadura, desgaste excessivo associado com o contato e atrito entre arames adjacentes ou entre as diferentes camadas metálicas da armadura, ou mesmo a presença de níveis elevados de tensões produzidas pelos carregamentos mecânicos aos quais o riser é submetido durante a operação. O deterioramento progressivo pode dar origem a defeitos localizados que agem como concentradores de tensão e levam o arame à ruptura através de um processo de fadiga. O duto flexível é capaz de manter-se em operação mesmo com alguns dos arames de suas armaduras rompidos, porém uma sequencia de rupturas pode levar à ocorrência de vazamentos ou mesmo a falhas catastróficas. O monitoramento contínuo em tempo real é uma das principais alternativas para evitar que o dano progressivo nas armaduras do riser resulte em acidentes com severas consequências econômicas e ambientais. As técnicas de monitoramento da integridade de risers flexíveis podem ser classificadas como diretas, onde é possível identificar diretamente a existência de um dano/falha, ou indiretas, em que o sistema de sensoriamento registra indicações secundárias, possivelmente consequência da falha. Esta dissertação relata o desenvolvimento de um sistema de monitoramento baseado em vibrações. Trata-se de uma técnica indireta baseada em eventos, onde no momento da ruptura do arame um sinal de vibração, distinto tanto na frequência quanto na amplitude, é detectado por acelerômetros instalados na capa polimérica externa do riser. No trabalho, são apresentados resultados de quatro ensaios em escala real que demonstraram a viabilidade do sistema para um primeiro teste de campo. Estratégias de instrumentação dos dutos e as variações dos sinais detectados são apresentadas e discutidas. Os resultados mostraram que a resposta vibratória do sinal de ruptura apresenta características específicas, garantindo uma boa confiabilidade na detecção. Porém, em se tratando de uma técnica indireta, verifica-se que quando dois sistemas de monitoramento de naturezas complementares são empregados em conjunto, as probabilidades de detecção dos eventos de rupturas aumentam significativamente. / [en] The main failure in flexible risers is the disruption of the wires from the tensile armor layer. Experience has shown that this class of damage occurs primarily near to the top riser connector. The breaking of the wires occurs gradually and may be caused by different processes as corrosion by inflow of fluid in the annular space, excessive wear associated with the contact and friction between adjacent wires or between different riser layers. The progressive deterioration can lead to localized defects that act as stress concentrators and may break the wire from the tensile armor layer through a fatigue process. The flexible pipe is able to remain in operation even with some broken wires, but a sequence of ruptures can conduce to a catastrophic failure. Real time continuous monitoring is one of the main alternatives to prevent progressive wire damage results in an accident with severe economic and environmental consequences. This thesis describes the development of a monitoring system based on vibrations. This is an indirect technique based on events, where in the moment of the wire break, one vibration signal is registered. This signal can be distinguished both in frequency and amplitude and detected by accelerometers installed on the polymeric outer layer of the riser. We present results of four tests in real scale that demonstrated the viability of the system for an initial field test. Instrumentation strategies in riser and the variations of the signals detected are presented and discussed. The results showed that the vibrational signal has specific characteristics ensuring good detection reliability.

Tubos flexíveis e cabos umbilicais têm sido bastante utilizados pela indústria petrolífera em aplicações offshore nos últimos anos. Os primeiros consistem num tipo de tubulação usada para o transporte de vários tipos de fluidos, geralmente trabalhando a alta pressão. Já os cabos umbilicais são usados para permitir o controle e a comunicação entre equipamentos submersos e de superfície. Quanto à concepção estrutural, os dois tipos de produto são muito semelhantes, apresentando diversas camadas metálicas combinadas com camadas plásticas concêntricas de modo a formar uma estrutura com grande rigidez axial e torcional, porém baixa rigidez flexional. O escopo deste trabalho é o estudo de modelos analíticos para a previsão do comportamento estrutural de tubos flexíveis e cabos umbilicais. Inicialmente são propostos modelos para a análise local destas estruturas, sob a ação de carregamentos de tração, torção, pressão interna, externa e flexão, agindo isoladamente ou combinados. São propostos modelos analíticos consistentes para cada camada, resultando num sistema de equações algébricas que, ao ser resolvido, fornece os valores de tensões e deformações nas diversas camadas, bem como os valores de rigidez equivalente axial, flexional e torcional do tubo/cabo. São feitas várias comparações entre os resultados obtidos analiticamente e resultados experimentais obtidos na literatura para diversos tubos e cabos. A importância dos modelos desenvolvidos fica evidente numa análise do comportamento global para a previsão de instabilidade de linhas sob carregamento combinado de torção e compressão dinâmica. Através de uma análise consistente, mostra-se que a clássica equação de Greenhill também pode ser utilizada para a determinação das cargas críticas de flambagem em barras curvas de grande comprimento, sendo o comprimento de flambagem da barra estimado a partir da relação de dispersão de onda flexional numa viga reta. Vários exemplos de determinação da carga crítica de flambagem são abordados, envolvendo tanto risers rígidos quanto flexíveis. Uma atenção especial ao estabelecimento e discussão de hipóteses é dada em todos os modelos propostos. / Flexible pipes and umbilical cables have been largely used by the oil industry in offshore applications in these last years. The former are a kind of pipeline structure used for conducting several fluids, often working at high pressure, while the latter are cables used to provide control and communication links between seafloor and surface equipments. Regarding their structural design, both flexible pipes and umbilicals are quite similar, presenting a number of steel armour layers combined with polymeric layers disposed in such a way to form a structure which is stiff under torsion and traction, but compliant under bending. The aim of this work is the study of analytical models to predict the structural behaviour of flexible pipes and umbilicals. At first, local analysis of such structures is undertaken, considering combined loadings of traction, torsion, internal and external pressures and bending. Consistent analytical models, proposed for each layer, are then combined to result in a system of algebraic equations that is solved for the stresses and deformations in the layers. Equivalent axial, torsional and flexural stiffness values for the pipe/umbilical are also obtained. Several comparisons between analytical results and experimental results obtained in the literature are also made, involving both flexible pipes and umbilicals. The importance of the developed models is highlighted in an analysis of the global structural behaviour made to predict the instability condition of flexible lines under the action of dynamic compression and twisting moment. Through a consistent analysis, it is shown that the classical Greenhill formula can also be used to determine critical buckling loads for long curved rods. In this case, an estimate for the buckling lenght is given by the flexural wave dispersion relation of a straight beam. Several examples, involving both SCRs and flexible pipes, illustrate the method of critical buckling load determination. Emphasis is also given in the establishment and discussion of hypotheses for all proposed models.

Oil and gas exploitation in deep waters has become more than just a profit business to be a daily necessity, since the world energy matrix is based on fossil components. Risers are offshore structures that are intimately linked with oil and gas exploitation and those are subjected to a great variety of effects in field, e.g., marine currents, Vortex Induced Vibration (VIV), heave motion caused by gravitational waves, non-linear contact with the sea floor, and many others. Riser dynamics is essentially non-linear and experimental tests in real scale are almost impossible due to a great variety of control parameters acting concomitantly. Small-scale models are a better experimental approach. Nevertheless, there are many structural and hydrodynamical parameters to be evaluated. Considering only vertical risers in the present work, Galerkin\'s modal decomposition is used in order to reduce the dynamics of a vertical flexible cylinder to a few linear modes in which the majority of energy and information are contained. From the modal analysis, added mass and structural parameters damping of a vertical flexible cylinder using data obtained from free-decay tests performed both in water and in air are evaluated. Finally, a modal Mathieu-Hill oscillator with non-linear damping is constructed and, based on aStrutt diagram, modal stability under parametric resonance is discussed. / Exploração de óleo e gás em bacias de águas profundas tem-se tornado mais do que apenas uma economia lucrativa, para ser uma necessidade diária, já que a matriz energética mundial está baseada em componentes fósseis. Risers são estruturas offshore ligadas intimamente com a exploração de óleo e gás e essas estão sujeitas a uma grande variedade de efeitos na operação, e.g., correntes marítimas, Vibrações Induzidas por Vórtices (VIV), movimento de heave causado por ondas gravitacionais, contato não-linear com o solo marinho, entre outros. Dinâmica de risers é essencialmente não-linear e testes experimentais em escala real são praticamente impossíveis devido a uma enorme variedade de parâmetros de controle agindo concomitantemente. Modelos em escala reduzida são uma abordagem experimental mais conveniente. Não obstante, há muitos parâmetros estruturais e hidrodinâmicos a serem determinados. Considerando apenas risers verticais no trabalho presente, a decomposição modal de Galerkin é usada a fim de reduzir a dinâmica de um cilindro fléxivel vertical a alguns modos lineares em que a maior parte da energia e informação estão contidos. A partir da análise modal, parâmetros de massa adicional e amortecimento estrutural de um cilindro flexível vertical são obtidos usando testes de decaimento livre conduzidos na água e no ar. Finalmente, um oscilador modal de Mathieu-Hill com amortecimento não-linear é proposto e, baseado em um diagrama de Strutt, a estabilidade modal sob excitação de ressonânica paramétrica é discutida.

Flexible pipes are used in the offshore oil production to transport fluid and gas from the sea bead to the floating stations, and vice versa. These pipes have several concentric layers, of different materials, geometries and structural functions, since they are exposed to adverse operating environments, subjected to high internal and external pressures, high axial stresses and a series of dynamic loads. The local analysis is an important stage of a flexible pipe design and it consists on determining the stresses and strains distributions along the layers of the pipe. Multipurpose finite element packages are commonly used in the local analysis of flexible pipes, but they possess many limitations due to its generic nature, varying from the absence of specific tools for model creation to heavy restrictions of the number of degrees-of-freedom to make computational processing feasible. At the Polytechnic School of the University of São Paulo, within a research line in progress, several finite macroelements were formulated specifically for structural analysis of flexible pipes, taking into account their particularities, such as geometric patterns and layers assemblage. However, the numerical tools that implement these elements present very high memory and processing consumptions, limiting its usage for large-scale models. Therefore, this work has been motivated by memory and processing limitations of finite element structural analysis of flexible pipes for offshore applications. In this context, the Element-by-Element method, which does not require the global stiffness matrix, was chosen for its potential in memory reduction and processing capabilities, given its scalability and ease of parallelization. After an extensive literature review on numerical methods regarding the EBE method, it was chosen the Element-by-Element Diagonal Preconditioned Conjugate Gradient Method (EBE-PCG) algorithm. Aiming higher computational performance, the finite macroelements formulated by (PROVASI, 2013) were converted to the C++ language, implemented and parallelized in a new analysis tool, named as PipeFEM. The diagonal preconditioned EBE-PCG algorithm was implemented and parallelized with OpenMP. The scalability of the PCG algorithm is directly influenced by the efficiency of the matrix-vector product, an operation that, in the element-by-element method, is computed in a local basis with the blocks that comprise the model, and that requires synchronization techniques when performed in parallel. Four different synchronization strategies were developed, being the one based on geometric- and mesh- based mappings the most efficient of them. Numerical experiments showed a reduction of almost 92% in the EBE-PCG solution time of the parallelized version in comparison to the sequential one. In order to compare the efficiency of PipeFEM with the well-established finite element package ANSYS, a simplified flexible pipe was modeled in both software. PipeFEM was approximately 82 times faster than ANSYS to solve the problem, spending 24.27 seconds against 33 minutes and 18 seconds. In addition to this, PipeFEM required much less memory, 61.8MB against 6.8GB in ANSYS. In comparison to the dense version of MacroFEM, a reduction of more than three orders of magnitude was achieved in memory consumption. Despite the low the rate of convergence presented by the diagonal preconditioner, the implementation is very efficient in computational terms. Therefore, the objectives of this work were fulfilled with the development and application of the EBE method, allowing a reduction of memory and simulation costs. / Tubos flexíveis são utilizados na produção offshore de petróleo para o transporte de fluidos e gás natural das estruturas submersas até as estações flutuantes, e vice-versa. Estes tubos possuem diversas camadas concêntricas, de diferentes materiais, geometrias e funções estruturais, pois são expostos a ambientes adversos de operação, nos quais são submetidos à elevadas pressões internas e externas, elevados carregamentos e tensões axiais, além de uma série de carregamentos dinâmicos. A análise local é uma etapa importante do dimensionamento de um tubo flexível e consiste em determinar as distribuições de tensões e deformações ao longo das camadas do tubo. Pacotes multiuso de elementos finitos são comumente utilizados na análise local de tubos flexíveis, mas, devido as suas naturezas genéricas, possuem limitações que variam desde a ausência de ferramentas específicas para a criação de modelos até restrições pesadas no número total de graus de liberdade para tornar exequível o processo computacional. Na Escola Politécnica da Universidade de São Paulo, dentro de uma linha de pesquisa em andamento, diversos macroelementos finitos foram formulados especificamente para a análise estrutural de tubos flexíveis, levando em consideração as suas particularidades, como por exemplo padrões de geometrias e de montagem de camadas. Entretanto, a ferramenta numérica que implementa esses elementos apresenta elevado consumo de memória e de processamento, o que limita o seu uso para modelos de grande escala. Portanto, este trabalho foi motivado por limitações de memória e processamento em análises estruturais com o método dos elementos finitos para tubos flexíveis de aplicações offshore. Neste contexto, o método elemento-a-elemento, caracterizado pela eliminação da matriz global de rigidez, foi escolhido devido ao seu potencial de redução de consumo de memória e às suas capacidades de processamento, dada a sua escalabilidade e facilidade de paralelização. Após uma extensa revisão bibliográfica em métodos numéricos a respeito do método EBE, foi escolhido a versão diagonalmente precondicionada do método do gradiente conjugado (EBE-PCG). Com o intuito de se obter maior performance computacional, os macroelementos finitos formulados por (PROVASI, 2013) foram convertidos para a linguagem C++, paralelizados e implementado em uma nova ferramenta de análise chamada de PipeFEM, totalmente escrita em C++ e que explora paralelismo em todos as etapas. O algoritmo EBE-PCG foi implementado e paralelizado com OpenMP. A escalabilidade do algoritmo PCG é diretamente influenciada pela eficiência do produto entre matriz e vetor, uma operação que no método elemento-a-elemento é calculada na base local com os blocos que compõem o modelo, o que requer técnicas de sincronização quando realizada de modo paralelo. Quatro diferentes estratégias de sincronização foram desenvolvidas, sendo a mais eficiente delas a que utilizada mapeamentos baseados em características da geometria e malha. Experimentos numéricos mostraram uma redução de quase 92% no tempo de simulação do algoritmo PCG da versão paralelizada em relação à sequencial. De modo a comparar a eficiência do PipeFEM com o pacote bem estabelecido de elementos finitos, ANSYS, um tubo simplificado foi modelado em ambos os programas. PipeFEM foi aproximadamente 82 vezes mais rápido do que o ANSYS, gastando 24.27 segundos contra 33 minutos e 18 segundos. Além disso, PipeFEM consumiu muito menos memória, 61.8MB contra 6.8GB in ANSYS. Em comparação com a versão densa do MacroFEM, uma redução superior a três ordens de grandeza no consum e de memória foi obtida. Assim, apesar da baixa taxa de convergência apresentada pelo precondicionador diagonal, a implementação está muito eficiente em termos computacionais. Portanto, os objetivos deste trabalho foram alcançados com o desenvolvimento e aplicação do método EBE, o que permitiu uma redução considerável dos custos de simulação e memória.

Risers em configuração de catenária podem apresentar nível de tração muito baixo próximos ao fundo do mar. Isso pode ocorrer em algumas condições de lançamento, em que sua estrutura pode se configurar de forma quase vertical. Quando se trata de tubos flexíveis ou cabos umbilicais, a composição interna do riser contém armaduras helicoidais de tração. Essas podem induzir a ocorrência de giro axial quando o tubo é solicitado à tração. Se esse movimento não for permitido, surgirá um momento de torção na estrutura. O baixo nível de tração da configuração de catenária combinado com o momento de torção surgido durante o lançamento do riser pode levar a uma forma de instabilidade estrutural que culmina na formação de um laço. Isso é indesejável uma vez que, se existe o laço, dependendo dos esforços submetidos à linha, é possível que o laço se transforme em uma dobra, danificando a estrutura. O presente trabalho analisa as condições de formação de laços em configurações de catenária. Para isso, foram utilizados critérios de estabilidade aplicados a um modelo de elementos finitos, que leva em conta as não linearidades geométrica e de contato entre o riser e o solo. Foi utilizada uma formulação cinematicamente exata de elemento de viga através de uma descrição lagrangiana atualizada, que pode tratar de forma correta as grandes rotações que são impostas ao riser para induzir o surgimento do momento de torção. É mostrado que uma expressão analítica baseada na Fórmula de Greenhill pode prever o fenômeno com boa concordância com os resultados numéricos, mesmo considerando-se fenômenos como contato unilateral com atrito e correntezas marítimas. Além disso, foi feita uma análise paramétrica para prever a formação do laço para diversas geometrias de catenária, procurando generalizar as conclusões obtidas. / Catenary risers can show a very low tension level close to the seabed. This can occur in some launching conditions, in which the structure can be almost vertical. When dealing with flexible pipes or umbilical cables, their internal composition includes the helical tension armors. These can induce an axial rotation to the riser when it is tensioned. If this movement is constrained, a torsion moment will act upon the structure. The low tension level present in the catenary configuration combined with the torsion moment that occurs during the riser launching can lead to a structural instability, resulting in a loop formation. This is undesirable since, if the loop is present, depending on the loads applied to the riser it is possible that it turns into a kink, causing damage. The present work analyzes the loop formation conditions in catenary riser. For that, stability criteria were applied to a finite element model that takes into account the geometric nonlinearities and also the contact between the riser and the seabed. A kinematically-exact beam formulation was adopted, dealing correctly with the large rotations that are imposed to the riser, in order to induce the torsion moment. It is showed that an analytical expression based on Greenhills formula can predict the phenomenon with a good agreement with numerical results, even including phenomena as frictional unilateral contact and sea currents. Furthermore, a parametric analysis was done to predict the loop formation to some catenary geometries, in order to generalize the obtained conclusions.