AgÃncia Nacional do PetrÃleo / O objetivo geral deste projeto consiste em estudar a viabilidade da utilizaÃÃo de risers compÃsitos em catenÃria para Ãguas profundas e comparar esta alternativa com o uso de risers de aÃo (Steel Catenary Risers SCR). Como objetivos especÃficos podem ser citados: 1) Estudo da bibliografia existente sobre risers de materiais compÃsitos para identificaÃÃo detalhada das potencialidades e dificuldades existentes. 2) CaracterizaÃÃo do comportamento estrutural dos compÃsitos reforÃados por fibras de maneira a aplicar modelos analÃticos e/ou computacionais para simulaÃÃo do comportamento. SerÃo verificados efeitos nÃo-lineares e dependentes do tempo de elementos estruturais de materiais compÃsitos devido ao carregamento atuante e Ãs aÃÃes ambientais. 3) SimulaÃÃo do comportamento de um riser compÃsito sob condiÃÃes extremas e operacionais, incluindo a determinaÃÃo da vida Ãtil do riser. 4) ComparaÃÃo dos resultados obtidos com os resultados de risers de aÃo em catenÃria (SCR).. / The general objective of this project consists of studying the viability of the use of risers compÃsitos in catenary deep waters and to compare this alternative with the use of risers of steel (Steel Catenary Risers SCR). As objective specific they can be cited: 1) Existing study of the existing bibliography on risers of material compÃsitos for detailed identification of the potentialities and difficulties. 2) Characterization of the structural behavior of the compÃsitos strengthened for way staple fibres to apply analytical and/or computational models for simulation of the behavior. Nonlinear effect and dependents of the time of structural elements of material compÃsitos will be verified due to the operating shipment and the ambient actions. 3) Simulation of the behavior of riser compÃsito under extreme and operational conditions, including the determination of the useful life of riser. 4) Comparison of the results gotten with the results of risers of steel in catenary (SCR).

CoordenaÃÃo de AperfeÃoamento de Pessoal de NÃvel Superior / Materiais compÃsitos reforÃados por fibras tÃm sido cada vez mais empregados devido a suas altas relaÃÃes rigidez/peso e resistÃncia/peso, alÃm de outras vantagens, como alta resistÃncia à corrosÃo, bom isolamento tÃrmico, excelente amortecimento e resistÃncia à fadiga. Por isso, estes materiais tÃm sido aplicados na fabricaÃÃo de tubos para o transporte de fluidos em diversas indÃstrias, como por exemplo, a petroquÃmica. A exploraÃÃo e produÃÃo de petrÃleo e gÃs em Ãguas profundas tornam necessÃrio o uso de plataformas flutuantes conectadas ao poÃo por dutos (flowlines) e risers, que quando feitos de aÃo, se tornam menos atrativos devido ao seu elevado peso. Nessas condiÃÃes, requerem-se mecanismos capazes de suportar as altas tensÃes desenvolvidas no topo, sendo que tais mecanismos sà podem ser acomodados por plataformas maiores e mais caras. AlÃm disso, torna-se necessÃrio tambÃm o uso de mais flutuadores visando suportar o peso total do sistema, encarecendo tambÃm o projeto. Diante de tais fatos, tem-se estudado a viabilidade do emprego de risers de materiais compÃsitos na exploraÃÃo em Ãguas ultra-profundas. Devido ao grande nÃmero de parÃmetros envolvidos, tais como o nÃmero de camadas e o material, a espessura e o Ãngulo de orientaÃÃo das fibras de cada camada, o projeto de estruturas de compÃsitos laminados à mais complexo que o de aÃo. No caso dos risers, acrescentam-se ainda as vÃrias condiÃÃes de carregamento e ambientais que tornam o processo de projeto tradicional de tentativa e erro inadequado. Uma soluÃÃo apenas satisfatÃria nÃo explora, em geral, o potencial que os compÃsitos apresentam de se adaptarem Ãs solicitaÃÃes da forma mais eficiente possÃvel. Esse trabalho tem como objetivo desenvolver uma metodologia e ferramentas computacionais para o prÃ-dimensionamento de risers de material compÃsito via tÃcnicas de otimizaÃÃo. SÃo consideradas como vÃriaveis de projeto as espessuras, as orientaÃÃes das fibras e os materiais de cada lÃmina. Peso, custo e um fator de seguranÃa sÃo adotados como funÃÃo objetivo. RestriÃÃes de resistencia, estabilidade e fabricaÃÃo avaliadas. O riser à anÃlisado usando um modelo de catenÃria inextensÃvel. Um Algoritmo GenÃtico com operadores especÃficos para estruturas laminadas à empregado. / The depletion of oil and gas reserves has increasingly led to the search of deepwater fields. Most of recent oil and gas discoveries in Brazil occurred in deepwater fields. However, using steel risers for deepwater application is not always feasible, due to its high weight. In such enviroments, the traditional extraction and production risers made of steel tend to become expensive, due to increased top tension which overburdens the plataform. Fiber reinforced composite materials, being lighter, present interesting characteristics for offshore applications, such as high specific strength and stiffness, high corrosion resistance, good thermal insulation, high structural damping properties, and fatigue resistance. Thus, the application of composite risers is an interesting alternative to deepwater oil fields. The design of laminated composite risers is very difficult since the strength and stiffness of these components depend on the number of layers and the material, thickness, and orientation of each layer. Thus, the use of the conventional trial-and-error strategy is not adequate and it is necessary to apply optimization techniques. In this work, optimization techniques are applied to optimize composite catenary risers. the design variables are the thickness, the orientation and material of each layer. A multi-objective formulation is adopted to minimize the weight, cost and maximize the buckling safety factor of the composite riser. The optimization model includes strength and stability constraints and considers multiple load cases. The global analysis of the riser is carried out using the catenary equations and the stress computation in the critical locations is performed using the Classical Lamination Theory (CLT) and the theory of thin-walled tubes. It is important to note that, due to manufacture constraints, the design variables can only assume discrete values. Therefore, a genetic algorithm is used for optimization since it can easily handle discrete variables. In addition to classical genetic operators, as crossover and mutation, this algorithm also includes operators specially designed to handle laminate structures, such as layer swap and layer deletion. The proposed formulation is applied in the design optimization of composite catenary risers with different water depths and top angles. Numerical examples show that the proposed methodology is very robust.

CoordenaÃÃo de AperfeÃoamento de Pessoal de NÃvel Superior / Materiais compÃsitos vem sendo amplamente estudados devido aos seus inÃmeros benefÃcios em relaÃÃo aos materiais metÃlicos, principalmente a elevada razÃo resistÃncia/peso, bom iso-lamento tÃrmico e boa resistÃncia à fadiga. CompÃsitos laminados, foco do presente trabalho, sÃo produzidos pelo empilhamento de um conjunto delÃminas, cada uma composta de fibras unidirecionais ou bidirecionais imersas em uma matriz polimÃrica. As estruturas de materiais compÃsitos apresentam comportamento nÃo linear, tanto fÃsico quanto geomÃtrico. Devido à elevada resistÃncia, estruturas de material compÃsito tendem a ser bastante esbeltas, podendo apresentar grandes deslocamentos e problemas de estabilidade. Adicionalmente, a consideraÃÃo da nÃo linearidade fÃsica tambÃm à importante para a simulaÃÃo de falha de estruturas laminadas. Um dos modos de falha mais importantes destas estruturas à a delaminaÃÃo, que consiste no descolamento de duas lÃminas adjacentes. No projeto de estruturas laminadas, o MÃtodo dos Elementos Finitos à a ferramenta de anÃlise mais utilizada devido a sua robustez, precisÃo e relativa simplicidade. Afim de permitir a anÃlise nÃo linear de estruturas laminadas submetidas a grandes deslocamentos, foi desenvolvida neste trabalho uma formulaÃÃo de elementos finitos sÃlidos laminados baseados na abordagem Lagrangiana Total. A simulaÃÃo do inÃcio e propagaÃÃo da delaminaÃÃo foi realizada neste trabalho utilizando Modelos de Zona Coesiva. Para este fim, foi desenvolvida uma formulaÃÃo de elementos isoparamÃtricos de interface com espessura nula e utilizados diferentes modelos constitutivos para representar a relaÃÃo entre as tensÃes e os deslocamentos relativos das faces da trinca coesiva, incluindo tanto o caso de modo I puro quanto de modo misto. As formulaÃÃes desenvolvidas neste trabalho foram implementadas no software de cÃdigo aberto FAST utilizando afilosofiade ProgramaÃÃo Orientada a Objetos. Estas implementaÃÃes sÃo apresentadas utilizando as convenÃÃes da UML. VÃrios exemplos foram utilizados para verificar e validar as implementaÃÃes realizadas. Excelentes resultados foram obtidos utilizando elementos sÃlidos laminados na anÃlise de estruturas de casca, mesmo empregando malhas com apenas um elemento sÃlido na espessura. No que diz respeito à delaminaÃÃo, verificou-se que o uso de Modelos de Zona Coesiva requer muito cuidado na escolha dos parÃmetros utilizados na anÃlise, principalmente no que diz respeito à relaÃÃo tensÃo-deslocamento relativo, tamanho dos elementos e mÃtodo de integraÃÃo numÃrica. Contudo, utilizando-se a integraÃÃo de Newton-Cotes e elementos de interface de tamanho adequado, obteve-se uma concordÃncia muito boa com resultados teÃricos e experimentais disponÃveis na literatura. De forma geral,verificou-se que o modelo coesivo exponencial apresenta maior robustez e eficiÃncia computacional que o modelo bilinear. / Composite materials has been widely studied thought the years because of it benefits compared to metals (elevated resistance/weight ratio, good thermal isolation and good fatigue resistance). Laminate composites are the focus of this work. Produced by stacked layers of fibers embed- ded on polymeric matrices, structures of composite materials presents material and geometrical non-linear behavior. Because of it elevated resistance, composite materials allow designers to create very slender structures which might present large displacements and stability problems. Additionally, considering material non-linearity is also important for collapse simulation of la- minated structures. One of the most important failure modes on laminated structures is delami- nation. Delamination is the detachment of adjacent layers. On laminated structures simulation, the Finite Element Method is one of the most used analysis tool. It is a robust, precise and relative simple operating tool. Intending analyzing non-linear behavior of laminated structures subjected to large displacements, was developed on this work a laminated solid finite element formulation based on Full Lagrangian formulation. Simulation of delamination beginning and propagation was developed on this work using Cohesive Zone models. To achieve this goal, an isoparametric formulation of interface finite elements without thickness and many constitutive models to represent the relation tension à displacement jump (relative displacement between crack faces) were developed. These models consider pure mode I and mixed mode. The formu- lations developed on this work were implemented on the open source finite element code FAST using Oriented Object Programing philosophy. These implementations are presented on UML conventions. Many examples were tested for verifying and validating all the implementations. Excellent results were obtained using laminated solid elements on the analysis of a shell struc- ture, even using meshes with only one element though thickness. On the delamination analysis, was verified that Cohesive Zone Models are very sensible related to the parameters used on the analysis, mainly tension à displacement jump model, size of elements and numerical integra- tion. Spite of it, using Newton-Cotes integration and interface elements of appropriate size, good agreements were obtained compared with theoretical results obtained on literature. In general, was observed that cohesive exponential model presents greater robustness and compu- tational efficiency than bilinear model.

Conselho Nacional de Desenvolvimento CientÃfico e TecnolÃgico / A utilizaÃÃo de vigas laminadas de parede fina nas Engenharias AeronÃutica, Civil, MecÃnica e Naval tem crescido bastante nos Ãltimos anos, devido a suas elevadas relaÃÃes rigidez/peso e resistÃncia/peso. Esses elementos estruturais normalmente apresentam paredes finas devido à alta resistÃncia dos materiais compÃsitos. Outra caracterÃstica importante à que, mesmo sem apresentar grandes deformaÃÃes e sem que o limite elÃstico do material seja ultrapassado, estas vigas apresentam comportamento nÃo linear geomÃtrico devido à sua elevada esbeltez, acarretando em grandes deslocamentos e rotaÃÃes. Dependendo da laminaÃÃo utilizada, as vigas de materiais compÃsitos podem apresentar diversos acoplamentos entre esforÃos e deformaÃÃes, tornando a sua anÃlise bem mais complexa do que a anÃlise de vigas de material isotrÃpico. Neste trabalho, foram desenvolvidos dois elementos finitos de pÃrtico espacial para anÃlise nÃo linear geomÃtrica de vigas laminadas de parede fina. As propriedades seccionais da viga sÃo avaliadas atravÃs de teorias de vigas laminadas de parede fina apropriadas, em que desprezam-se os efeitos do empenamento e do cisalhamento transversal. Tais teorias de vigas laminadas conduzem a uma matriz constitutiva 4x4, onde diferentes nÃveis de acoplamento entre esforÃos e deformaÃÃes de viga sÃo considerados, por exemplo, pode-se obter uma matriz constitutiva diagonal ou cheia. A abordagem corrotacional independente do elemento à utilizada para o tratamento de grandes deslocamentos e rotaÃÃes de corpo rÃgido no espaÃo. No Ãmbito local, sÃo utilizados dois elementos, um baseado na teoria linear e outro na descriÃÃo Lagrangeana Total. O tratamento matemÃtico das grandes rotaÃÃes no espaÃo à realizado por meio do tensor das rotaÃÃes (fÃrmula de Rodrigues), juntamente com o conceito do pseudovetor. As implementaÃÃes dos elementos finitos propostos neste trabalho sÃo realizadas no software de cÃdigo aberto FAST. A metodologia de trabalho segue o roteiro clÃssico de mÃtodos computacionais, incluindo formulaÃÃo, implementaÃÃo, verificaÃÃo e validaÃÃo dos resultados. A verificaÃÃo à realizada atravÃs dos modelos tridimensionais de elementos finitos de casca e sÃlido desenvolvidos no software comercial ABAQUS. A validaÃÃo à realizada por meio da comparaÃÃo com resultados de ensaios experimentais encontrados na literatura. No que diz respeito à avaliaÃÃo das propriedades seccionais, pode-se verificar uma Ãtima concordÃncia entre as teorias de vigas laminadas adotadas neste trabalho e os resultados numÃricos e de ensaios experimentais, para todas as laminaÃÃes e carregamentos considerados. No caso dos elementos de pÃrtico espacial, verificou-se uma Ãtima concordÃncia entre os resultados dos elementos finitos propostos neste trabalho e os resultados analÃticos e computacionais disponÃveis na literatura. Observa-se tambÃm que o elemento baseado na descriÃÃo Lagrangeana à mais eficiente do que o elemento baseado na teoria linear no que tange à capacidade de apresentar uma resposta satisfatÃria com uma malha menos refinada. / The use of thin walled laminate beams in Aeronautical, Civil, Mechanical and Naval Enginee- ring is increasing in the last years. This is due to their high stiffness/weight and strength/weight ratios. Composite beams and other structural elements tend to have thin walls due to the elevated strength of the material. Other important aspect is that, even without reaching large strains and without overcoming the elastic limit of the material, such beams present geometric nonlinear behavior due to high their slenderness, leading to large displacements and rotations. Depen- ding on the composite layup, the beams of composite materials can present several couplings between generalized stresses and strains, requiring a more complex analysis procedure when compared to isotropic beams. In this work, two three-dimensional space frame finite elements that can be used to analyze composite thin-walled beams subjected to geometric non-linearity were developed. The cross-section properties of the beams are evaluated through suitable thin walled beam theories, where the effects of the warping and transverse shear are neglected. Such theories yield a 4x4 constitutive matrix for the laminate and different levels of coupling between generalized stresses and strains can be considered. Depending of such couplings, the constitu- tive matrix can either be full or diagonal. The element independent corotational approach was used in order to consider large displacaments and rigid body rotations in space. In the local coordinate system, two elements are used, one based on the linear strain theory and the other on the Total Lagrangian formulation. The mathematical treatment of the large rotations in the space is performed by means of the rotation tensor (Rodriguesâs formula) in conjunction with the concept of the pseudovector. The computational implementations of the two finite elements proposed in this work were done in the open source software FAST ( Finite Element Analysis Tool ). The methodology used follows the classical steps used in computational methods, in- cluding formulation, implementation, verification and validation of results. Such verification is accomplished through shell and solid three-dimensional finite element models developed in the ABAQUS commercial software. The validation is performed by means of comparison with the experimental results found in literature. Regarding the evaluation of cross-sectional properties, one can observe a good agreement between the laminated beam theories adopted in this work and numerical and experimental results for all composite layups and load conditions conside- red. In the case of space frame elements, a good agreement is obtained between the results of finite elements proposed in this work and the analytical and computational results available in the literature. It is also observed that the element based on the Lagrangian formulation is more efficient than the element based on the linear theory regarding the ability to provide a satisfatory response with a less refined mesh