Tese de mestrado. Estruturas de Engenharia Civil. 2006. Faculdade de Engenharia. Universidade do Porto

Tese de doutoramento. Engenharia Civil. Faculdade de Engenharia. Universidade do Porto. 2010

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Um projeto portuário adequado deve garantir a segurança dos navios atracados e a eficiência das atividades de carga e descarga. Para isso, é preciso boa combinação entre condições de abrigo (natural ou artificial), e sistemas de amarração e defensas. Em geral, os problemas mais sérios de atracação estão relacionados a efeitos de ressonância. Nesse contexto, as obras de abrigo são pouco eficazes porque elas não alteram significativamente os períodos dos fenômenos hidrodinâmicos, e a restrição dos movimentos dos navios atracados depende principalmente dos sistemas de linhas de amarração e de defensas. Analisar um sistema de amarrações e defensas implica estudar a dinâmica do sistema de um navio atracado (navio/amarração/defensas), as ações aplicadas (principalmente as ações ambientais), e as características dos componentes desse sistema. Propõe-se, dessa forma, um estudo para elaboração de modelos que ajudem na compreensão do comportamento dinâmico desse sistema e uma comparação dos resultados obtidos nos modelos com as exigências de documentos técnicos. Partido de análises de modelos estáticos simples até a introdução de não linearidades geométricas e de perda de contato, esta dissertação discute, inicialmente, métodos convencionais de obtenção de esforços de amarração. Em seguida, o sistema é avaliado por meio de modelos dinâmicos que permitem uma compreensão maior sobre o comportamento de um navio amarrado. / An appropriate harbour project should ensure the safety of moored ships and the efficiency of loading and unloading activities. For these reasons, a good combination of (natural or artificial) shelter conditions, mooring systems and fenders is necessary. In general, the most serious mooring problems are related to resonance effects. In this context, shelter structures are not very effective because they do not significantly alter the periods of hydrodynamic phenomena, and the restriction of the moored ships\' movements depends mainly on mooring lines and fenders. Analysing a system of mooring lines and fenders involves studying the dynamics of a moored ship\'s system (ship / mooring / fenders), the actions applied (mainly environmental actions) and the characteristics of the components of that mooring system. Therefore, this study carries out models that help in the understanding of the dynamic behaviour of this system; and makes a comparison of the results obtained in the models with the requirements of technical documents. From the analysis of simple static models to an introduction of geometric nonlinearities and contact loss, this dissertation discusses, initially, conventional methods of obtaining mooring efforts. Then, the system is evaluated by dynamic models that allow a greater understanding of the behaviour of a moored ship.

As embarcações projetadas na atualidade possuem dimensões muito superiores às empregadas no passado recente do transporte marítimo, tanto para os navios de carga, quanto para os navios de cruzeiro. Esta realidade tem suas vantagens, permitindo o transporte de maior volume de cargas e passageiros, reduzindo os custos agregados às mercadorias e pessoas transportadas, mas, em contrapartida, traz desvantagens, pois essas embarcações possuem maior área exposta às ações ambientais, como ventos e correntes. Além disso, existe a demanda de amplos espaços náuticos, particularmente lâminas d\'água, e auxílio de rebocadores para acesso e atracação destas embarcações. Para reduzir os custos com as operações de dragagem, mais terminais portuários são construídos em áreas expostas a condições ambientais mais severas. Todas estas condições implicam diretamente no comportamento das embarcações atracadas, pois estas poderão estar sujeitas a movimentos de grande amplitude, suscetíveis de reduzir a eficiência e a segurança com que as operações de movimentação de carga são realizadas, podendo obrigar a sua interrupção e, nos casos mais críticos, provocar a ruptura das linhas de amarração e/ou danos nas defensas, podendo causar danos na estrutura de acostagem e na própria embarcação eventualmente, ocasionando vítimas. Levando em conta todos estes fatores, existem métodos pelos quais é possível o desenvolvimento de planos de amarração para conter os movimentos da embarcação durante a movimentação da carga e passageiros, buscando sempre obter o máximo de segurança nas operações no cais. Ainda para a verificação da eficácia e otimização dos planos de amarração, antes da sua implantação no terminal, existem métodos de análise, em que é possível estimar as forças exercidas nos cabos das linhas de amarração. Desta forma, este trabalho propôs-se a realizar uma pesquisa comparativa do emprego dos métodos analítico e de modelagem física. Assim, obteve-se uma avaliação crítica quanto à estimativa de esforços nos cabos das linhas de amarração de embarcações atracadas sob a ação de correntes. / Currently designed vessels have dimensions much higher than those used in the recent past of shipping, both for cargo ships and for cruise ships. This reality has its advantages, allowing the transportation of a larger volume of cargo and passengers, reducing the aggregate costs to the goods and people transported, but, on the other hand, it has disadvantages, since these vessels have greater area exposed to environmental actions, such as winds and currents. In addition, there is a demand for large nautical spaces, particularly water slides, and assistance of tugs for access and mooring of these vessels. To reduce costs with dredging operations, more port terminals are built in areas exposed to more severe environmental conditions. All these conditions directly imply the behavior of moored vessels, as these may be subject to large-scale movements, which may reduce the efficiency and safety with which the cargo handling operations are carried out, and may cause them to be interrupted and in the worst-case scenario,, damage the fenders and the berthing structure the vessel itself possibly causing casualties. Taking into account all these factors, there are methods by which it is possible to develop mooring plans to contain the movements of the vessel during the movement of the cargo and passengers, always seeking to obtain maximum safety on the dockside operations. In order to verify the efficacy and optimization of the mooring plans, prior to their implementation in the terminal, there are methods of analysis, in which it is possible to estimate the forces exerted on the ropes of the mooring lines. In this way, this work proposes to carry out a comparative research of the use of analytical and physical modeling methods. Thus, a critical evaluation was obtained regarding the estimation of efforts in the cables of the mooring lines of vessels moored under the action of currents.

O presente trabalho vem propor um estudo numérico qualitativo de um modelo hidro-elástico para simulação das vibrações induzidas por vórtices (VIV) em cabos submersos. O modelo é composto de um sistema acoplado de equações que descrevem tanto a estrutura quanto o fluido. A estrutura é modelada através de um oscilador elástico clássico e discretizada através de um método de massas concentradas. O fluido é considerado através de osciladores discretos baseados em modelos fenomenológicos com equação de Van der Pol ou Ginzburg-Landau. O acoplamento entre os dois ocorre na direção transversal ao escoamento local através da força de sustentação. O estudo foi feito para verificar quais tipos de comportamentos de resposta podem ser obtidos através do uso dos modelos fenomenológicos e, também, avaliar o potencial de tais modelos no ciclo de projeto na indústria atual, com foco na indústria petrolífera. Esta adequabilidade ao uso em projeto leva em conta, em primeiro lugar, a qualidade das respostas, mas também leva em conta a viabilidade da execução de simulações numéricas em tempo apropriado. Assim, um modelo numérico foi desenvolvido para permitir a integração, no domínio do tempo, deste sistema hidro- elástico. Esta integração é feita através de um método explícito de Euler e permite tratar não-linearidades dos osciladores elástico e fluido. Um conjunto de situações foi simulado numericamente, incluindo configurações verticais e também configurações em catenária. As simulações indicam alto grau de acoplamento entre os osciladores, o que leva a ressonância entre ambos na maior parte dos casos. Com relação ao comportamento do oscilador estrutural em si, foi possível observar fenômenos interessantes tais como lock-in e travelling waves, além do terceiro harmônico da vibração transversal detectado em alguns experimentos reportados em literatura. Com relação à adequabilidade do uso do modelo em projeto, considera-se que isto seja possível dada a relativa rapidez das simulações e aos resultados promissores que ainda podem ser melhorados. / The present work proposes a qualitative numerical study of a hydro-elastic model in order to simulate vortex-induced vibrations in submerged cables. The model is composed of a coupled system of equations describing the structure and the fluid. The structure is modeled through a classical elastic oscillator and discretized using a lumped mass approach. The fluid is modeled through discrete oscillators based on phenomenological models using Van der Pol or Ginzburg- Landau type equations. The coupling between these two oscillators is carried by the lift force. The study was carried in order to verify which response behavior can be obtained by using such phenomenological models and also, to evaluate their potential to be used in the offshore industry. In order to accomplish that, the model must provide reliable answers and must allow fast responses when it comes to simulation time. In this sense, a numerical model was developed to allow the time domain integration of this hydro-elastic model. The numerical integration is performed by a simple explicit Euler algorithm and allows dealing with non-linearities of both oscillators, elastic and fluid. A set of conditions was numerically simulated, including top tensioned risers and catenary. Simulations indicate a high level of coupling between the two oscillators and thus resonance is achieved in most part of the cases. With respect to the structural oscillator analysis, it was possible to observe interesting phenomena such as lock-in, travelling waves and also the third harmonic observed in some experiments and reported in the literature. Regarding the feasibility of the model usage in the daily offshore industry life, it seems possible once the model generally runs fast and some promising results were achieved.

O presente trabalho vem propor um estudo numérico qualitativo de um modelo hidro-elástico para simulação das vibrações induzidas por vórtices (VIV) em cabos submersos. O modelo é composto de um sistema acoplado de equações que descrevem tanto a estrutura quanto o fluido. A estrutura é modelada através de um oscilador elástico clássico e discretizada através de um método de massas concentradas. O fluido é considerado através de osciladores discretos baseados em modelos fenomenológicos com equação de Van der Pol ou Ginzburg-Landau. O acoplamento entre os dois ocorre na direção transversal ao escoamento local através da força de sustentação. O estudo foi feito para verificar quais tipos de comportamentos de resposta podem ser obtidos através do uso dos modelos fenomenológicos e, também, avaliar o potencial de tais modelos no ciclo de projeto na indústria atual, com foco na indústria petrolífera. Esta adequabilidade ao uso em projeto leva em conta, em primeiro lugar, a qualidade das respostas, mas também leva em conta a viabilidade da execução de simulações numéricas em tempo apropriado. Assim, um modelo numérico foi desenvolvido para permitir a integração, no domínio do tempo, deste sistema hidro- elástico. Esta integração é feita através de um método explícito de Euler e permite tratar não-linearidades dos osciladores elástico e fluido. Um conjunto de situações foi simulado numericamente, incluindo configurações verticais e também configurações em catenária. As simulações indicam alto grau de acoplamento entre os osciladores, o que leva a ressonância entre ambos na maior parte dos casos. Com relação ao comportamento do oscilador estrutural em si, foi possível observar fenômenos interessantes tais como lock-in e travelling waves, além do terceiro harmônico da vibração transversal detectado em alguns experimentos reportados em literatura. Com relação à adequabilidade do uso do modelo em projeto, considera-se que isto seja possível dada a relativa rapidez das simulações e aos resultados promissores que ainda podem ser melhorados. / The present work proposes a qualitative numerical study of a hydro-elastic model in order to simulate vortex-induced vibrations in submerged cables. The model is composed of a coupled system of equations describing the structure and the fluid. The structure is modeled through a classical elastic oscillator and discretized using a lumped mass approach. The fluid is modeled through discrete oscillators based on phenomenological models using Van der Pol or Ginzburg- Landau type equations. The coupling between these two oscillators is carried by the lift force. The study was carried in order to verify which response behavior can be obtained by using such phenomenological models and also, to evaluate their potential to be used in the offshore industry. In order to accomplish that, the model must provide reliable answers and must allow fast responses when it comes to simulation time. In this sense, a numerical model was developed to allow the time domain integration of this hydro-elastic model. The numerical integration is performed by a simple explicit Euler algorithm and allows dealing with non-linearities of both oscillators, elastic and fluid. A set of conditions was numerically simulated, including top tensioned risers and catenary. Simulations indicate a high level of coupling between the two oscillators and thus resonance is achieved in most part of the cases. With respect to the structural oscillator analysis, it was possible to observe interesting phenomena such as lock-in, travelling waves and also the third harmonic observed in some experiments and reported in the literature. Regarding the feasibility of the model usage in the daily offshore industry life, it seems possible once the model generally runs fast and some promising results were achieved.

A vibração induzida por vórtices - VIV é um assunto muito estudado na engenharia oceânica, tendo seu nome adaptado para VIM por ocasião de observação semelhante em plataformas do tipo Spar no Golfo do México. Com o início da utilização de plataformas monocolunas, especificamente com a instalação da Sevan Piranema no Nordeste Brasileiro, em 2007, questionou-se sobre a ocorrência deste fenômeno nestas unidades de seção cilíndricas, aplicando cargas não previstas aos sistemas de ancoragem, e eventualmente tornando estes subdimensionados. Em um primeiro momento, foi realizado estudo detalhado sobre os trabalhos já realizados na área, e tendo sido encontrado material insuficiente sobre o VIM em plataformas monocolunas, buscou-se a sua caracterização em termos de amplitudes e períodos de oscilação a partir de ensaios em tanques de prova, estratégia justificada pela dificuldade em se obter tais resultados de forma confiável via uma abordagem analítica e/ou numérica. Posteriormente, com o objetivo de se verificar o impacto do VIM nas cargas extremas, e principalmente na fadiga do sistema de ancoragem, foram realizadas análises com dois métodos distintos encontrados na literatura. Em linhas gerais, o primeiro método é descrito como aquele que considera a aplicação do VIM via movimentos equivalentes aos identificados experimentalmente e o segundo, por sua vez, via a consideração apenas das respectivas forças. Para esses estudos foi analisado o sistema de amarração em um cenário típico, sob condições ambientais de vento, onda e correnteza. Finalmente, dada a sua importância observada nos resultados, foram discutidas as relações entre o VIM e alguns fatores externos, tais como: a razão de aspecto da plataforma; a presença concomitante de ondas e o amortecimento viscoso atuante nas linhas de ancoragem, sendo apresentados para este último uma comparação dos resultados obtidos numericamente com aqueles experimentais. / The vortex induced vibration VIV is a main subject studied in the offshore engineering, having its name adapted to VIM by the occurrence in Spar platforms in the Gulf of México. As the first monocolumn unit, the Sevan Piranema, was in Northeast Brazil in 2007, VIM occurrence in cylindrical units like this was questioned, having the mooring lines design dimensioned without this load. Firstly a detailed study about the works developed in this field was performed, and not being found enough publications about VIM in monocolumns, its characterization was aimed in terms of oscillation amplitude and period through model tests, due to the difficulty to obtain reliable results by means of analytical or numerical approaches. Later, with the objective of verifying the impact of VIM in extreme loads and, mainly, in fatigue damage, analyses with two different methods found in the literature were performed. The first consider the application of VIM as a motion in the numerical model, based on the experimental results, and the second applies the observed forces. For these studies the mooring system for a typical scenario was analyzed, under the wave, wind and current environmental force. At last, due to the importance observed from the results, there were discussed the relation of VIM with some external factors, like span wise relation, presence of waves and viscous damping, being presented for this last a comparison of the numerical model results with the experimental is presented.

A vibração induzida por vórtices - VIV é um assunto muito estudado na engenharia oceânica, tendo seu nome adaptado para VIM por ocasião de observação semelhante em plataformas do tipo Spar no Golfo do México. Com o início da utilização de plataformas monocolunas, especificamente com a instalação da Sevan Piranema no Nordeste Brasileiro, em 2007, questionou-se sobre a ocorrência deste fenômeno nestas unidades de seção cilíndricas, aplicando cargas não previstas aos sistemas de ancoragem, e eventualmente tornando estes subdimensionados. Em um primeiro momento, foi realizado estudo detalhado sobre os trabalhos já realizados na área, e tendo sido encontrado material insuficiente sobre o VIM em plataformas monocolunas, buscou-se a sua caracterização em termos de amplitudes e períodos de oscilação a partir de ensaios em tanques de prova, estratégia justificada pela dificuldade em se obter tais resultados de forma confiável via uma abordagem analítica e/ou numérica. Posteriormente, com o objetivo de se verificar o impacto do VIM nas cargas extremas, e principalmente na fadiga do sistema de ancoragem, foram realizadas análises com dois métodos distintos encontrados na literatura. Em linhas gerais, o primeiro método é descrito como aquele que considera a aplicação do VIM via movimentos equivalentes aos identificados experimentalmente e o segundo, por sua vez, via a consideração apenas das respectivas forças. Para esses estudos foi analisado o sistema de amarração em um cenário típico, sob condições ambientais de vento, onda e correnteza. Finalmente, dada a sua importância observada nos resultados, foram discutidas as relações entre o VIM e alguns fatores externos, tais como: a razão de aspecto da plataforma; a presença concomitante de ondas e o amortecimento viscoso atuante nas linhas de ancoragem, sendo apresentados para este último uma comparação dos resultados obtidos numericamente com aqueles experimentais. / The vortex induced vibration VIV is a main subject studied in the offshore engineering, having its name adapted to VIM by the occurrence in Spar platforms in the Gulf of México. As the first monocolumn unit, the Sevan Piranema, was in Northeast Brazil in 2007, VIM occurrence in cylindrical units like this was questioned, having the mooring lines design dimensioned without this load. Firstly a detailed study about the works developed in this field was performed, and not being found enough publications about VIM in monocolumns, its characterization was aimed in terms of oscillation amplitude and period through model tests, due to the difficulty to obtain reliable results by means of analytical or numerical approaches. Later, with the objective of verifying the impact of VIM in extreme loads and, mainly, in fatigue damage, analyses with two different methods found in the literature were performed. The first consider the application of VIM as a motion in the numerical model, based on the experimental results, and the second applies the observed forces. For these studies the mooring system for a typical scenario was analyzed, under the wave, wind and current environmental force. At last, due to the importance observed from the results, there were discussed the relation of VIM with some external factors, like span wise relation, presence of waves and viscous damping, being presented for this last a comparison of the numerical model results with the experimental is presented.