Esta dissertação de mestrado tem como objetivo a validação do modelo numérico de manobras para navios utilizado pelo simulador chamado SMH - Simulador Marítimo Hidroviário, que foi desenvolvido no laboratório Tanque de Provas Numérico. Para tanto foram realizados ensaios experimentais de manobras com um modelo em escala reduzida da embarcação Alpha Crucis com o objetivo de criar dados de manobra que serviram como referência para validação do modelo numérico. Foram selecionados diversos tipos de manobras com o propósito de criar uma caracterização da manobrabilidade da embarcação em baixas velocidades e regime transitório, permitindo a medição de diversas características, que permitem quantificar as capacidades de manobra da embarcação. Através de experimentos numéricos foram, então, realizadas as mesmas manobras executadas pelo modelo físico em escala reduzida, de forma a reproduzir as mesmas condições iniciais e os mesmos comandos, procurando reproduzir as manobras para validação do modelo implementado no SMH. Os resultados obtidos apresentam a aderência das características de manobras do modelo implementado no SMH, através da comparação das características de manobra obtidas pelo modelo físico em escala reduzida e das obtidas pelo modelo numérico. A dissertação apresenta ainda um estudo de sensibilidade que mostra o efeito dos principais fatores utilizados no laboratório Tanque de Provas Numérico para a calibração dos modelos de embarcações, mostrando que para as manobras consideradas neste trabalho alguns dos efeitos possuem pouca influência nos resultados. Por fim o trabalho conclui que o modelo matemático utilizado pelo SMH representa a capacidade de manobra da embarcação de forma consistente para diversos tipos de manobra, e com um grau de aderência satisfatório. / This research aims to present a validation for the ship maneuvering simulator named SMH, anachronym in Portuguese for Maritime and Waterway Simulator, developed on Tanque de Provas Numérico laboratory. For this propose small scale tests were performed with a model of Alpha Crucis ship aiming to create maneuver data that was used as reference for the numerical model validation. Several types of maneuver where selected to create a characterization of the maneuverability of the ship at low speeds and transient regime, and the parameters that quantify the maneuverability were measured. Then were performed numerical experiments recreating the same maneuver executed with the experimental model, with the same initial conditions and propulsion/rudder controls, trying to reproduce the maneuvers to validate the model implemented on the SMH. The results showed that the maneuvering characteristics predicted by the SMH simulator are similar to measured values in the experiment. The dissertation also presents a sensitivity study that shows the effect of the main parameters used in the laboratory Tanque de Provas Numérico for the vessel model calibration, This study showed that for some maneuvers, the tuning parameters have less influence on the results. Finally, the work concludes that the mathematical model used by the SMH represents the ability of the vessel to maneuver consistently for several types of maneuvers, and with a satisfactory degree of accuracy.

Esta dissertação de mestrado tem como objetivo a validação do modelo numérico de manobras para navios utilizado pelo simulador chamado SMH - Simulador Marítimo Hidroviário, que foi desenvolvido no laboratório Tanque de Provas Numérico. Para tanto foram realizados ensaios experimentais de manobras com um modelo em escala reduzida da embarcação Alpha Crucis com o objetivo de criar dados de manobra que serviram como referência para validação do modelo numérico. Foram selecionados diversos tipos de manobras com o propósito de criar uma caracterização da manobrabilidade da embarcação em baixas velocidades e regime transitório, permitindo a medição de diversas características, que permitem quantificar as capacidades de manobra da embarcação. Através de experimentos numéricos foram, então, realizadas as mesmas manobras executadas pelo modelo físico em escala reduzida, de forma a reproduzir as mesmas condições iniciais e os mesmos comandos, procurando reproduzir as manobras para validação do modelo implementado no SMH. Os resultados obtidos apresentam a aderência das características de manobras do modelo implementado no SMH, através da comparação das características de manobra obtidas pelo modelo físico em escala reduzida e das obtidas pelo modelo numérico. A dissertação apresenta ainda um estudo de sensibilidade que mostra o efeito dos principais fatores utilizados no laboratório Tanque de Provas Numérico para a calibração dos modelos de embarcações, mostrando que para as manobras consideradas neste trabalho alguns dos efeitos possuem pouca influência nos resultados. Por fim o trabalho conclui que o modelo matemático utilizado pelo SMH representa a capacidade de manobra da embarcação de forma consistente para diversos tipos de manobra, e com um grau de aderência satisfatório. / This research aims to present a validation for the ship maneuvering simulator named SMH, anachronym in Portuguese for Maritime and Waterway Simulator, developed on Tanque de Provas Numérico laboratory. For this propose small scale tests were performed with a model of Alpha Crucis ship aiming to create maneuver data that was used as reference for the numerical model validation. Several types of maneuver where selected to create a characterization of the maneuverability of the ship at low speeds and transient regime, and the parameters that quantify the maneuverability were measured. Then were performed numerical experiments recreating the same maneuver executed with the experimental model, with the same initial conditions and propulsion/rudder controls, trying to reproduce the maneuvers to validate the model implemented on the SMH. The results showed that the maneuvering characteristics predicted by the SMH simulator are similar to measured values in the experiment. The dissertation also presents a sensitivity study that shows the effect of the main parameters used in the laboratory Tanque de Provas Numérico for the vessel model calibration, This study showed that for some maneuvers, the tuning parameters have less influence on the results. Finally, the work concludes that the mathematical model used by the SMH represents the ability of the vessel to maneuver consistently for several types of maneuvers, and with a satisfactory degree of accuracy.

Esta dissertação de mestrado tem como objetivo fundamental a apresentação de análises e comparações, que visam fazer parte do processo de aprimoramento constante do método numérico de simulação de unidades flutuantes produtoras de petróleo, chamado TPN Tanque de Provas Numérico. Para tanto, foram executados ensaios com modelo em escala reduzida, cujos resultados foram comparados com o modelo numérico do TPN. A unidade padrão utilizada nos ensaios foi a plataforma semi-submersível ITTC-SR192, escala 1:105, ensaios estes realizados no tanque de provas do IPT Instituto de Pesquisas Tecnológicas do Estado de São Paulo. Por meio de comparação com os resultados dos ensaios, foram verificadas as habilidades do TPN em reproduzir os movimentos do casco, a tração no topo das linhas de produção e o amortecimento induzido pelas mesmas. Importante destacar que os parâmetros verificados tiveram a finalidade adicional de confrontar os resultados numérico-experimentais com foco na investigação da influência das linhas de produção na própria dinâmica do sistema flutuante. Tendo em vista esse objetivo complementar, todos os ensaios foram realizados com e sem a presença de linhas de produção, no texto referenciadas apenas por risers, modeladas como um grupo de estruturas bastante flexíveis e de grande diâmetro, a fim de prover um aumento significativo no amortecimento do sistema. Sendo assim, o comportamento dinâmico dos casos com e sem risers foram comparados buscando observar as diferenças nos movimentos do sistema em ondas e correnteza. Além disso, utilizando o método recomendado pela API, referência [3] , doravante denominado apenas por método Near and Far, a tração de topo de um dos risers foi simulada numericamente com a imposição de movimentos obtidos nos experimentos, dando assim meios para comparação dos critérios de projeto, considerando a influência das linhas conectadas nas plataformas de petróleo. / This research aims to present analysis and comparisons, intended to make part of the constant improvement of the oil platform analysis software, called Numerical Offshore Tank (Tanque de Provas Numérico - TPN). For this purpose, small-scale model tests were performed, and the results compared with the numerical model in TPN. The standard unit used in these model tests was the semisubmersible ITTC-SR192, at scale 1:105, and the tests were performed at IPT (State of São Paulo Institute for Technological Research) towing tank. By means of the model tests results comparisons, the ability of the TPN in reproduce the hull motions, the risers top tensions and damping induced by these lines was evaluated. Importantly, these parameters were verified with the further purpose of comparing the numerical and the experimental results, focusing on the influence of the production lines in the dynamics of the floating system. Taking into account this additional objective, all the model tests were performed with and without production lines, i.e. risers, modeled as a group of highly flexible and large diameter structures, in order to provide a significant increment in the damping of the system. Thus, the dynamic behaviors of the cases with and without risers were compared, giving means to observe motion differences in waves and current. Moreover, using the method recommend by API, reference [3], hereinafter called Near and Far, the top tension of one riser was numerically simulated with the imposition of the motions obtained in the experiments, giving means to compare the riser design criteria, considering the influence of lines attached to the oil platforms.

A produção de petróleo e gás em campos brasileiros é cada vez mais proveniente de regiões com águas profundas e situadas longe da costa, chegando a distâncias de mais de 100 km, como, por exemplo, na Bacia de Campos ou de Santos. Devido à falta de infra-estrutura e às características do petróleo desses campos, a cadeia de abastecimento e o sistema de exportação da produção possuem grande importância para a indústria offshore. Uma maneira usual para a exportação da produção é através de dutos submarinos, onde o óleo e/ou a gás flui das plataformas diretamente para o continente. Com esta infra-estrutura é possível a utilização de sistemas de produção sem capacidade de armazenamento e, conseqüentemente, torna-se desnecessário o uso de navios para o alívio da produção. No entanto, devido à qualidade do óleo e às distâncias entre os poços e a costa em alguns campos brasileiros, a utilização dos oleodutos mostra-se uma solução pouco viável. Por este motivo, é bastante comum o uso de FPSOs ou semi-submersíveis conectadas a sistemas auxiliares, como o FSO (Floating Storage and Offloading). Nas plataformas, outra característica importante e desejada é tornar viável o uso de um sistema de completação seca (árvore de Natal acima da linha dágua) com o objetivo de diminuir, significativamente, os custos operacionais envolvidos. Esse tipo de completação é utilizado, com excelência, por unidade do tipo TLWP ou Spar, devido ao baixo nível dos movimentos e acelerações observadas nestas plataformas. Entretanto, as condições ambientais severas amplificam as dificuldades para encontrar um sistema com grande capacidade de armazenamento e que permita o uso de completação seca. Neste contexto, pesquisadores e engenheiros estão sendo obrigados a desenvolver novos conceitos capazes de atender a essa demanda. Desta forma, uma nova solução, considerando um FPSO e uma TLWP operando a uma curta distância e trabalhando de forma acoplada com a conexão garantida por cabos sintéticos vem sendo estudada. Essencialmente, o grande atrativo deste conceito é o fato de que toda a produção e o armazenamento são concentrados no FPSO e a TLWP é responsável pela perfuração e extração dos hidrocarbonetos através de risers verticais. Assim o sistema trabalhando de forma conjunta possui capacidade de armazenamento e permite o uso da completação seca. Nesta dissertação, foi realizado um estudo sobre a evolução deste novo conceito, dividido em três fases. A primeira focada no dimensionamento do sistema de conexão e ancoragem das unidades e em uma investigação da interação hidrodinâmica entre as unidades de forma a mostrar a viabilidade do sistema. A segunda fase, focada na validação dos resultados por meio da comparação com os testes realizados no modelo em escala do NMRI (National Maritime Research Institute - Japão). Finalmente, a terceira fase, com foco no redimensionamento do sistema de amarração e no sistema de conexão, com base nos resultados obtidos na segunda fase. / The oil and gas production in Brazilian fields are commonly found in deep water and situated far away from the coast, reaching distances of more than 100 km as, for example, in the Campos Basin or Santos Basin. Due to the heavy oil and lack of pipeline infrastructure found in these fields, not only subsea equipments that must support high pressure but also logistics problems such as supply chain and production exportation system play an important role for the offshore industry. A usual way to export the production is to concentrate it in hubs of submarine pipelines which flows the oil or gas from the platforms to the continent. This infrastructure makes possible the use of no storage production systems and, consequently, releases the use of the shuttle tanks employment. However, due to the quality of the oil and the distances between the wells and the coast, some Brazilian fields do not allow the use of the pipelines to export their production. For this reason, is quite common to use FPSO and semi-submersible aided by auxiliary systems such as the FSO (Floating Storage and Offloading) units. Another important and desired characteristic of production platforms is to make it feasible to install a dry Christmas tree system aiming to decrease, significantly, operational costs involved. This feature is performed, with excellence, by TLWP and Spar units due to the low level of motions and accelerations observed in these platforms. Harsh environmental conditions can bring difficulties to find a solution of a system with both storage and dry tree system capability. In this context, researchers and engineers are being forced to develop new technological systems capable to support this demand. In this way, a new solution considering a FPSO and a TLWP coupled in a short distance by synthetic ropes has being studied. Essentially, the attractive feature of this concept is the fact that the production is performed by the FPSO whereas the TLWP is responsible to support the risers and drilling facilities turning the system coupled, equipped with a dry Christmas tree and with the possibility to storage the production. By now, the concept evolution has been divided in three phases. The first phase concerned about an advanced research focusing on the connection and mooring system development and the hydrodynamic interaction between the units and having in mind the verification of the concept feasibility. The second phase, concerned about the results validation by a comparison with scale model tests performed in the NMRI (National Maritime Research Institute Japan). Finally, the third phase, has the focus in the mooring and connection system resizing based on the results obtained on second phase.

A produção de petróleo e gás em campos brasileiros é cada vez mais proveniente de regiões com águas profundas e situadas longe da costa, chegando a distâncias de mais de 100 km, como, por exemplo, na Bacia de Campos ou de Santos. Devido à falta de infra-estrutura e às características do petróleo desses campos, a cadeia de abastecimento e o sistema de exportação da produção possuem grande importância para a indústria offshore. Uma maneira usual para a exportação da produção é através de dutos submarinos, onde o óleo e/ou a gás flui das plataformas diretamente para o continente. Com esta infra-estrutura é possível a utilização de sistemas de produção sem capacidade de armazenamento e, conseqüentemente, torna-se desnecessário o uso de navios para o alívio da produção. No entanto, devido à qualidade do óleo e às distâncias entre os poços e a costa em alguns campos brasileiros, a utilização dos oleodutos mostra-se uma solução pouco viável. Por este motivo, é bastante comum o uso de FPSOs ou semi-submersíveis conectadas a sistemas auxiliares, como o FSO (Floating Storage and Offloading). Nas plataformas, outra característica importante e desejada é tornar viável o uso de um sistema de completação seca (árvore de Natal acima da linha dágua) com o objetivo de diminuir, significativamente, os custos operacionais envolvidos. Esse tipo de completação é utilizado, com excelência, por unidade do tipo TLWP ou Spar, devido ao baixo nível dos movimentos e acelerações observadas nestas plataformas. Entretanto, as condições ambientais severas amplificam as dificuldades para encontrar um sistema com grande capacidade de armazenamento e que permita o uso de completação seca. Neste contexto, pesquisadores e engenheiros estão sendo obrigados a desenvolver novos conceitos capazes de atender a essa demanda. Desta forma, uma nova solução, considerando um FPSO e uma TLWP operando a uma curta distância e trabalhando de forma acoplada com a conexão garantida por cabos sintéticos vem sendo estudada. Essencialmente, o grande atrativo deste conceito é o fato de que toda a produção e o armazenamento são concentrados no FPSO e a TLWP é responsável pela perfuração e extração dos hidrocarbonetos através de risers verticais. Assim o sistema trabalhando de forma conjunta possui capacidade de armazenamento e permite o uso da completação seca. Nesta dissertação, foi realizado um estudo sobre a evolução deste novo conceito, dividido em três fases. A primeira focada no dimensionamento do sistema de conexão e ancoragem das unidades e em uma investigação da interação hidrodinâmica entre as unidades de forma a mostrar a viabilidade do sistema. A segunda fase, focada na validação dos resultados por meio da comparação com os testes realizados no modelo em escala do NMRI (National Maritime Research Institute - Japão). Finalmente, a terceira fase, com foco no redimensionamento do sistema de amarração e no sistema de conexão, com base nos resultados obtidos na segunda fase. / The oil and gas production in Brazilian fields are commonly found in deep water and situated far away from the coast, reaching distances of more than 100 km as, for example, in the Campos Basin or Santos Basin. Due to the heavy oil and lack of pipeline infrastructure found in these fields, not only subsea equipments that must support high pressure but also logistics problems such as supply chain and production exportation system play an important role for the offshore industry. A usual way to export the production is to concentrate it in hubs of submarine pipelines which flows the oil or gas from the platforms to the continent. This infrastructure makes possible the use of no storage production systems and, consequently, releases the use of the shuttle tanks employment. However, due to the quality of the oil and the distances between the wells and the coast, some Brazilian fields do not allow the use of the pipelines to export their production. For this reason, is quite common to use FPSO and semi-submersible aided by auxiliary systems such as the FSO (Floating Storage and Offloading) units. Another important and desired characteristic of production platforms is to make it feasible to install a dry Christmas tree system aiming to decrease, significantly, operational costs involved. This feature is performed, with excellence, by TLWP and Spar units due to the low level of motions and accelerations observed in these platforms. Harsh environmental conditions can bring difficulties to find a solution of a system with both storage and dry tree system capability. In this context, researchers and engineers are being forced to develop new technological systems capable to support this demand. In this way, a new solution considering a FPSO and a TLWP coupled in a short distance by synthetic ropes has being studied. Essentially, the attractive feature of this concept is the fact that the production is performed by the FPSO whereas the TLWP is responsible to support the risers and drilling facilities turning the system coupled, equipped with a dry Christmas tree and with the possibility to storage the production. By now, the concept evolution has been divided in three phases. The first phase concerned about an advanced research focusing on the connection and mooring system development and the hydrodynamic interaction between the units and having in mind the verification of the concept feasibility. The second phase, concerned about the results validation by a comparison with scale model tests performed in the NMRI (National Maritime Research Institute Japan). Finally, the third phase, has the focus in the mooring and connection system resizing based on the results obtained on second phase.

Esta dissertação de mestrado tem como objetivo fundamental a apresentação de análises e comparações, que visam fazer parte do processo de aprimoramento constante do método numérico de simulação de unidades flutuantes produtoras de petróleo, chamado TPN Tanque de Provas Numérico. Para tanto, foram executados ensaios com modelo em escala reduzida, cujos resultados foram comparados com o modelo numérico do TPN. A unidade padrão utilizada nos ensaios foi a plataforma semi-submersível ITTC-SR192, escala 1:105, ensaios estes realizados no tanque de provas do IPT Instituto de Pesquisas Tecnológicas do Estado de São Paulo. Por meio de comparação com os resultados dos ensaios, foram verificadas as habilidades do TPN em reproduzir os movimentos do casco, a tração no topo das linhas de produção e o amortecimento induzido pelas mesmas. Importante destacar que os parâmetros verificados tiveram a finalidade adicional de confrontar os resultados numérico-experimentais com foco na investigação da influência das linhas de produção na própria dinâmica do sistema flutuante. Tendo em vista esse objetivo complementar, todos os ensaios foram realizados com e sem a presença de linhas de produção, no texto referenciadas apenas por risers, modeladas como um grupo de estruturas bastante flexíveis e de grande diâmetro, a fim de prover um aumento significativo no amortecimento do sistema. Sendo assim, o comportamento dinâmico dos casos com e sem risers foram comparados buscando observar as diferenças nos movimentos do sistema em ondas e correnteza. Além disso, utilizando o método recomendado pela API, referência [3] , doravante denominado apenas por método Near and Far, a tração de topo de um dos risers foi simulada numericamente com a imposição de movimentos obtidos nos experimentos, dando assim meios para comparação dos critérios de projeto, considerando a influência das linhas conectadas nas plataformas de petróleo. / This research aims to present analysis and comparisons, intended to make part of the constant improvement of the oil platform analysis software, called Numerical Offshore Tank (Tanque de Provas Numérico - TPN). For this purpose, small-scale model tests were performed, and the results compared with the numerical model in TPN. The standard unit used in these model tests was the semisubmersible ITTC-SR192, at scale 1:105, and the tests were performed at IPT (State of São Paulo Institute for Technological Research) towing tank. By means of the model tests results comparisons, the ability of the TPN in reproduce the hull motions, the risers top tensions and damping induced by these lines was evaluated. Importantly, these parameters were verified with the further purpose of comparing the numerical and the experimental results, focusing on the influence of the production lines in the dynamics of the floating system. Taking into account this additional objective, all the model tests were performed with and without production lines, i.e. risers, modeled as a group of highly flexible and large diameter structures, in order to provide a significant increment in the damping of the system. Thus, the dynamic behaviors of the cases with and without risers were compared, giving means to observe motion differences in waves and current. Moreover, using the method recommend by API, reference [3], hereinafter called Near and Far, the top tension of one riser was numerically simulated with the imposition of the motions obtained in the experiments, giving means to compare the riser design criteria, considering the influence of lines attached to the oil platforms.