Para serem classificadas e aprovadas por uma sociedade classificadora, todas as estruturas offshore são submetidas a análises baseadas em regras padrão; os critérios de estabilidade utilizados são baseados no código IMO MODU (Internacional Maritime Organization Mobile Offshore Drilling Units), que referencia quase todos os tipos de unidades flutuantes, como de superfície, semi-submersíveis, e auto elevatórias, entretanto, encontram-se problemas ao tentar enquadrar alguns conceitos inovadores a um desses tipos, devido às grandes diferenças entre o existente e os novos projetos. A fim de prever o comportamento de uma estrutura flutuante, são necessárias análises de estabilidade que predigam o comportamento da plataforma em operação intacta, e eventualmente em caso de avarias. Com o propósito de superar dificuldades e encontrar os critérios apropriados, foi realizado. em conjunto pelo Departamento de Engenharia Naval e Oceânica da USP e Petrobras, esse estudo para gerar análises que cerceiem o comportamento desses novos tipos de plataforma e adéqüem as regras existentes aos novos conceitos para certificações futuras. Pode se observar que unidades do tipo FPSO são as mais comuns em campos de produção brasileiros por apresentarem grande área de convés, capacidade de armazenamento e serem unidades cuja operação é muito conhecida, além de terem baixos custos de construção, seja ela inteiramente construída ou apenas convertida. Entretanto, esse tipo de unidade apresenta movimentos não adequados para a utilização de Steel Catenary Risers (SCRs), inviabilizando sua utilização em águas ultra-profundas. Analisando as condições brasileiras, nota-se que ao considerar ondas, corrente e vento, as relações dimensionais de um FPSO não teriam a melhor proporcionalidade possível, principalmente devido às interferências hidrodinâmicas proporcionadas pelo swell. Isso impeliu o desenvolvimento de um novo conceito que atendesse melhor a função especifica da unidade, batizado monocoluna. Para esse conceito, foram gerados inúmeros cascos, porém apenas alguns deles foram escolhidos como ideais para serem submetidos a mais minuciosas análises, e nessa dissertação se discutem os critérios de estabilidade que devem ser aplicados a monocoluna. Todas as análises foram conduzidas considerando métodos numéricos e as dimensões finais foram aplicadas a ensaios em tanques de provas para que se comprovasse a eficiência dos sistemas criados. / To be classified and approved by a classification society, all offshore structures shall be submitted and analyzed according to standard rules. The stability criteria are based on the IMO MODU (International Maritime Organization Mobile Offshore Drilling Units) Code which has reference to almost all types of floating units such as surface, column-stabilized and self elevating. Although it refers to a wide range of naval systems, problems were found when dealing with new concepts due to differences between these concepts and those presented by the rules. In order to predict the behavior of a floating structure, it is necessary to perform stability analyses that foresee how the platform will respond when in operation either intact or eventually damaged. With that in mind, this study that would analyze and evaluate the existing rules came up along with the Department of Naval and Ocean Engineering of the University of São Paulo and Petrobras, this study intends to check the applicability of the existing rules and propose more adequate rules for the monocolumn. It is possible to observe that FPSO units are more common at the Brazilian oil fields due to the presence of great deck area and storage capacity, their operation is well known, they have low constructions costs either if they are built from scratch or converted. Even so, this type of unit presents inadequate responses to the use of Steel Catenary Risers (SCRs), what doesnt allow its use in ultra deep water. Analyzing the Brazilian weather and sea condition, specially focusing on waves, sea strings and wind, the FPSO dimensions are not the best, especially due to the swell hydrodynamic responses. That forced the development of a new concept that better fulfill the units specific function, named monocolumn. Lots of units were defined as valid, but only some with the best responses were chosen for deeper analysis, therefore this study discusses the stability criteria that shall apply to this concept. All the analyses were conduced considering numerical methods and among all the possibilities, final dimensions were generated and prototypes were built and tested in test tanks to prove their efficiency.

Para serem classificadas e aprovadas por uma sociedade classificadora, todas as estruturas offshore são submetidas a análises baseadas em regras padrão; os critérios de estabilidade utilizados são baseados no código IMO MODU (Internacional Maritime Organization Mobile Offshore Drilling Units), que referencia quase todos os tipos de unidades flutuantes, como de superfície, semi-submersíveis, e auto elevatórias, entretanto, encontram-se problemas ao tentar enquadrar alguns conceitos inovadores a um desses tipos, devido às grandes diferenças entre o existente e os novos projetos. A fim de prever o comportamento de uma estrutura flutuante, são necessárias análises de estabilidade que predigam o comportamento da plataforma em operação intacta, e eventualmente em caso de avarias. Com o propósito de superar dificuldades e encontrar os critérios apropriados, foi realizado. em conjunto pelo Departamento de Engenharia Naval e Oceânica da USP e Petrobras, esse estudo para gerar análises que cerceiem o comportamento desses novos tipos de plataforma e adéqüem as regras existentes aos novos conceitos para certificações futuras. Pode se observar que unidades do tipo FPSO são as mais comuns em campos de produção brasileiros por apresentarem grande área de convés, capacidade de armazenamento e serem unidades cuja operação é muito conhecida, além de terem baixos custos de construção, seja ela inteiramente construída ou apenas convertida. Entretanto, esse tipo de unidade apresenta movimentos não adequados para a utilização de Steel Catenary Risers (SCRs), inviabilizando sua utilização em águas ultra-profundas. Analisando as condições brasileiras, nota-se que ao considerar ondas, corrente e vento, as relações dimensionais de um FPSO não teriam a melhor proporcionalidade possível, principalmente devido às interferências hidrodinâmicas proporcionadas pelo swell. Isso impeliu o desenvolvimento de um novo conceito que atendesse melhor a função especifica da unidade, batizado monocoluna. Para esse conceito, foram gerados inúmeros cascos, porém apenas alguns deles foram escolhidos como ideais para serem submetidos a mais minuciosas análises, e nessa dissertação se discutem os critérios de estabilidade que devem ser aplicados a monocoluna. Todas as análises foram conduzidas considerando métodos numéricos e as dimensões finais foram aplicadas a ensaios em tanques de provas para que se comprovasse a eficiência dos sistemas criados. / To be classified and approved by a classification society, all offshore structures shall be submitted and analyzed according to standard rules. The stability criteria are based on the IMO MODU (International Maritime Organization Mobile Offshore Drilling Units) Code which has reference to almost all types of floating units such as surface, column-stabilized and self elevating. Although it refers to a wide range of naval systems, problems were found when dealing with new concepts due to differences between these concepts and those presented by the rules. In order to predict the behavior of a floating structure, it is necessary to perform stability analyses that foresee how the platform will respond when in operation either intact or eventually damaged. With that in mind, this study that would analyze and evaluate the existing rules came up along with the Department of Naval and Ocean Engineering of the University of São Paulo and Petrobras, this study intends to check the applicability of the existing rules and propose more adequate rules for the monocolumn. It is possible to observe that FPSO units are more common at the Brazilian oil fields due to the presence of great deck area and storage capacity, their operation is well known, they have low constructions costs either if they are built from scratch or converted. Even so, this type of unit presents inadequate responses to the use of Steel Catenary Risers (SCRs), what doesnt allow its use in ultra deep water. Analyzing the Brazilian weather and sea condition, specially focusing on waves, sea strings and wind, the FPSO dimensions are not the best, especially due to the swell hydrodynamic responses. That forced the development of a new concept that better fulfill the units specific function, named monocolumn. Lots of units were defined as valid, but only some with the best responses were chosen for deeper analysis, therefore this study discusses the stability criteria that shall apply to this concept. All the analyses were conduced considering numerical methods and among all the possibilities, final dimensions were generated and prototypes were built and tested in test tanks to prove their efficiency.

Recentes descobertas de campos de petróleo e gás, a centenas de quilômetros da costa Sudeste do Brasil, em lâmina d\'água acima de 2.000m, demandam avanços científicos e tecnológicos para sua exploração segura. Entre os desafios para os engenheiros, a análise dinâmica de risers offshore é de extrema relevância devido à propensão à fadiga do material estrutural. Os movimentos de unidades flutuantes, que ocorrem devido às ondas de gravidade, impõem um tipo particular de carregamento dinâmico para os risers. Por uma questão de simplicidade, apenas o movimento de heave é considerado, embora pitch and roll também possam desempenhar um papel relevante na análise. De fato, o efeito de heave provoca a modulação de tensãoamplitude ao longo da estrutura tubular e flexível, o que pode conduzir à ressonância paramétrica como consequência da conhecida instabilidade de Mathieu. O riser vertical será o foco desse trabalho. A teoria bidimensional de vigas de Bernoulli-Euler é utilizada para se obter uma equação diferencial não linear de movimento para o riser submetido a uma carga axial e peso submerso. Modelos matemáticos - conhecidos como modelos de ordem reduzida (MORs) - com poucos graus de liberdade são adotados, mas com capacidade adequada para representar a resposta estrutural tanto qualitativa como quantitativamente. Utilizando os modos não lineares como funções de projeção no procedimento de Galerkin não linear, a interpretação física vem da igualdade dos trabalhos virtuais tanto no modelo de alta hierarquia quanto do MOR, com a consequente introdução de vínculos rígidos nos modos excluídos da análise. Aqui, a relação não linear entre as amplitudes modais e modos de vibração/frequências são levados em conta. Os resultados obtidos estão de acordo com os resultados dos testes experimentais de um modelo em escala reduzida realizado sob coordenação do LIFE&MO (Laboratório de Interação Fluido-Estrutura e Mecânica Offshore), fornecendo uma calibração do coeficiente de arrasto equivalente, para se levar em conta o sistema dissipativo que inclui tanto o amortecimento hidrodinâmico e estrutural. As respostas também são comparadas com as obtidas através do estudo de um modelo de elementos finitos, elaborado com o auxílio de um software comercial, o OrcaFlex®, e com funções clássicas de projecção, em particular, a função trigonométrica. Em seguida, variando-se os parâmetros de controle, as respostas do estado estacionário pós-crítica são mapeadas e plotadas em um diagrama policromático. / Recent discoveries of oil and gas fields, hundreds of kilometers off the Southeast coast of Brazil, in water depths above 2,000m, demand scientific and technological advances to support their safe exploitation. Among the challenges posed to engineers, the dynamic analysis of offshore risers is of utmost relevance, due to fatigue of the structural material. The motions of floating units, which occur due to gravity waves, impose a particular type of dynamic loading to the risers. As a matter of simplicity, only heave is considered herewith, although pitch and roll can also play a relevant role in the analysis. In fact, the effect of heave causes tension-amplitude modulation to the long and flexible tubular structure, which may drive parametric resonance as a consequence of the well-known Mathieus instability. The vertical riser will be the focus of this work. Bernoulli-Euler two-dimensional beam theory is used to obtain a nonlinear differential equation of motion for the riser subjected to an axial thrust and submerged weight. Mathematical models known as reduced-order models (ROMs) with few degrees of freedom are used, but with adequate capacity to represent the structural response both qualitatively and quantitatively. Using non-linear modes as projection functions within the non-linear Galerkins procedure, the physical interpretation of which being the identification of virtual works in both the high-hierarchy model and the ROM, with consequent introduction of rigid constraints in the modes excluded from the analysis. Here the non-linear relationship between modal amplitudes and mode shapes/frequencies are taken into account. The results obtained here agree well with those of experimental tests with a small-scale model carried out under coordination LIFE&MO (Laboratory of Fluid-Structure Interaction & Offshore Mechanics), provided calibration of the equivalent drag coefficient is carried out, to account for the overall system dissipation including both hydrodynamic and structural damping. The responses are also compared with those given by finite element models studied with the help of commercial software, the OrcaFlex® and with classical projection functions, in particular the trigonometric function. Then varying the control parameters, the responses of post-critical steady state are mapped and plotted in diagram polychromatic.

Recentes descobertas de campos de petróleo e gás, a centenas de quilômetros da costa Sudeste do Brasil, em lâmina d\'água acima de 2.000m, demandam avanços científicos e tecnológicos para sua exploração segura. Entre os desafios para os engenheiros, a análise dinâmica de risers offshore é de extrema relevância devido à propensão à fadiga do material estrutural. Os movimentos de unidades flutuantes, que ocorrem devido às ondas de gravidade, impõem um tipo particular de carregamento dinâmico para os risers. Por uma questão de simplicidade, apenas o movimento de heave é considerado, embora pitch and roll também possam desempenhar um papel relevante na análise. De fato, o efeito de heave provoca a modulação de tensãoamplitude ao longo da estrutura tubular e flexível, o que pode conduzir à ressonância paramétrica como consequência da conhecida instabilidade de Mathieu. O riser vertical será o foco desse trabalho. A teoria bidimensional de vigas de Bernoulli-Euler é utilizada para se obter uma equação diferencial não linear de movimento para o riser submetido a uma carga axial e peso submerso. Modelos matemáticos - conhecidos como modelos de ordem reduzida (MORs) - com poucos graus de liberdade são adotados, mas com capacidade adequada para representar a resposta estrutural tanto qualitativa como quantitativamente. Utilizando os modos não lineares como funções de projeção no procedimento de Galerkin não linear, a interpretação física vem da igualdade dos trabalhos virtuais tanto no modelo de alta hierarquia quanto do MOR, com a consequente introdução de vínculos rígidos nos modos excluídos da análise. Aqui, a relação não linear entre as amplitudes modais e modos de vibração/frequências são levados em conta. Os resultados obtidos estão de acordo com os resultados dos testes experimentais de um modelo em escala reduzida realizado sob coordenação do LIFE&MO (Laboratório de Interação Fluido-Estrutura e Mecânica Offshore), fornecendo uma calibração do coeficiente de arrasto equivalente, para se levar em conta o sistema dissipativo que inclui tanto o amortecimento hidrodinâmico e estrutural. As respostas também são comparadas com as obtidas através do estudo de um modelo de elementos finitos, elaborado com o auxílio de um software comercial, o OrcaFlex®, e com funções clássicas de projecção, em particular, a função trigonométrica. Em seguida, variando-se os parâmetros de controle, as respostas do estado estacionário pós-crítica são mapeadas e plotadas em um diagrama policromático. / Recent discoveries of oil and gas fields, hundreds of kilometers off the Southeast coast of Brazil, in water depths above 2,000m, demand scientific and technological advances to support their safe exploitation. Among the challenges posed to engineers, the dynamic analysis of offshore risers is of utmost relevance, due to fatigue of the structural material. The motions of floating units, which occur due to gravity waves, impose a particular type of dynamic loading to the risers. As a matter of simplicity, only heave is considered herewith, although pitch and roll can also play a relevant role in the analysis. In fact, the effect of heave causes tension-amplitude modulation to the long and flexible tubular structure, which may drive parametric resonance as a consequence of the well-known Mathieus instability. The vertical riser will be the focus of this work. Bernoulli-Euler two-dimensional beam theory is used to obtain a nonlinear differential equation of motion for the riser subjected to an axial thrust and submerged weight. Mathematical models known as reduced-order models (ROMs) with few degrees of freedom are used, but with adequate capacity to represent the structural response both qualitatively and quantitatively. Using non-linear modes as projection functions within the non-linear Galerkins procedure, the physical interpretation of which being the identification of virtual works in both the high-hierarchy model and the ROM, with consequent introduction of rigid constraints in the modes excluded from the analysis. Here the non-linear relationship between modal amplitudes and mode shapes/frequencies are taken into account. The results obtained here agree well with those of experimental tests with a small-scale model carried out under coordination LIFE&MO (Laboratory of Fluid-Structure Interaction & Offshore Mechanics), provided calibration of the equivalent drag coefficient is carried out, to account for the overall system dissipation including both hydrodynamic and structural damping. The responses are also compared with those given by finite element models studied with the help of commercial software, the OrcaFlex® and with classical projection functions, in particular the trigonometric function. Then varying the control parameters, the responses of post-critical steady state are mapped and plotted in diagram polychromatic.