O presente trabalho foi realizado por meio de uma abordagem tríplice do problema de compressão dinâmica em risers, fundamentado em ensaios em um Calibrador Hidrodinâmico, com posterior confrontação dos resultados com formulações analíticas e o uso de programas comerciais dedicados ao estudo da estática e dinâmica de linhas flexíveis. O principal objetivo foi a determinação acurada, a partir de uma instrumentação pouco invasiva, dos comprimentos das ondas de flexão geradas no TDP, durante a compressão dinâmica. Esse objetivo, de per si, encerra o caráter de ineditismo da presente tese. Os ensaios consistiram na realização de movimentos circulares no topo de um modelo flexível lançado em catenária, sob diversas configurações, totalizando um total de 72 experimentos: foram utilizados três frequências de movimento, três amplitudes, quatro ângulos de topo e dois sentidos de rotação. Um sistema de monitoramento óptico foi utilizado como principal instrumentação. Além desse equipamento, foi utilizada uma célula de carga, posicionada entre o equipamento que prescrevia os movimentos ao modelo flexível e uma rótula, que permitia que a célula de cargas e movimentasse solidariamente ao sistema. Rotinas numérica próprias foram utilizadas para o pós-processamento dos dados obtidos. Os resultados foram, então, comparados com formulações analíticas constantes da literatura, bem como a adaptação da equação para a carga crítica de flambagem de vigas curvas, para as condições de contorno dos ensaios realizados. Como resultado principal, é possível citar a confirmação experimental da suposição corrente com relação ao número de onda associado às ondas de flexão geradas na compressão dinâmica, até então assumida como uma hipótese ad hoc. Além disso, o procedimento adotado, embasado teoricamente, foi utilizado desde o estabelecimento do material com que o modelo foi construído, passando pela elaboração racional da matriz de ensaios e finalizando com as análises realizadas, quando os resultados experimentais foram confrontados com as previsões analíticas. / This work was carried out through a threefold approach to dynamic compression in risers, based on tests in a Hydrodynamic Calibrator, with subsequent comparison of results with analytical formulations and the use of commercial softwares dedicated to the study of static and dynamic flexible lines. The main aim was an accurate determination, from a minimally invasive instrumentation, the lengths of flexural waves generated in the TDP, during dynamic compression. This goal, in itself, is the novelty of this thesis. The tests consisted in performing circular motion on top of a flexible catenary model launched under several conditions, amounting to a total of 72 experiments: three motion frequencies, three imposed amplitudes , four top angles and clockwise and counter-clockwise rotation. A tracking monitoring system was used as main instrumentation. In such equipment, a load cell was used, positioned between rotor used to prescribe top movements at the top of a flexible model, allowing the load cell jointly move around a bar conected to the shaft motor. Numerical routines, made by author, were used for data post-processing. The results were then confronted with analytical formulations from specialized literature, as well as the adaptation of the equation for the buckling critical load for curved beams under the boundary conditions of the tests. As a main result, it is possible to mention the experimental confirmation of the current assumption with respect to the wave number associated with bending waves generated during the dynamic compression, hitherto assumed as an ad hoc hypothesis. In addition, the procedure adopted, based in analytical theories, was used since the establishment of the material with which the model is built, through the rational development of the test matrix and ending with the analyzes carried out when the experimental results were compared with analytical predictions.

O presente trabalho foi realizado por meio de uma abordagem tríplice do problema de compressão dinâmica em risers, fundamentado em ensaios em um Calibrador Hidrodinâmico, com posterior confrontação dos resultados com formulações analíticas e o uso de programas comerciais dedicados ao estudo da estática e dinâmica de linhas flexíveis. O principal objetivo foi a determinação acurada, a partir de uma instrumentação pouco invasiva, dos comprimentos das ondas de flexão geradas no TDP, durante a compressão dinâmica. Esse objetivo, de per si, encerra o caráter de ineditismo da presente tese. Os ensaios consistiram na realização de movimentos circulares no topo de um modelo flexível lançado em catenária, sob diversas configurações, totalizando um total de 72 experimentos: foram utilizados três frequências de movimento, três amplitudes, quatro ângulos de topo e dois sentidos de rotação. Um sistema de monitoramento óptico foi utilizado como principal instrumentação. Além desse equipamento, foi utilizada uma célula de carga, posicionada entre o equipamento que prescrevia os movimentos ao modelo flexível e uma rótula, que permitia que a célula de cargas e movimentasse solidariamente ao sistema. Rotinas numérica próprias foram utilizadas para o pós-processamento dos dados obtidos. Os resultados foram, então, comparados com formulações analíticas constantes da literatura, bem como a adaptação da equação para a carga crítica de flambagem de vigas curvas, para as condições de contorno dos ensaios realizados. Como resultado principal, é possível citar a confirmação experimental da suposição corrente com relação ao número de onda associado às ondas de flexão geradas na compressão dinâmica, até então assumida como uma hipótese ad hoc. Além disso, o procedimento adotado, embasado teoricamente, foi utilizado desde o estabelecimento do material com que o modelo foi construído, passando pela elaboração racional da matriz de ensaios e finalizando com as análises realizadas, quando os resultados experimentais foram confrontados com as previsões analíticas. / This work was carried out through a threefold approach to dynamic compression in risers, based on tests in a Hydrodynamic Calibrator, with subsequent comparison of results with analytical formulations and the use of commercial softwares dedicated to the study of static and dynamic flexible lines. The main aim was an accurate determination, from a minimally invasive instrumentation, the lengths of flexural waves generated in the TDP, during dynamic compression. This goal, in itself, is the novelty of this thesis. The tests consisted in performing circular motion on top of a flexible catenary model launched under several conditions, amounting to a total of 72 experiments: three motion frequencies, three imposed amplitudes , four top angles and clockwise and counter-clockwise rotation. A tracking monitoring system was used as main instrumentation. In such equipment, a load cell was used, positioned between rotor used to prescribe top movements at the top of a flexible model, allowing the load cell jointly move around a bar conected to the shaft motor. Numerical routines, made by author, were used for data post-processing. The results were then confronted with analytical formulations from specialized literature, as well as the adaptation of the equation for the buckling critical load for curved beams under the boundary conditions of the tests. As a main result, it is possible to mention the experimental confirmation of the current assumption with respect to the wave number associated with bending waves generated during the dynamic compression, hitherto assumed as an ad hoc hypothesis. In addition, the procedure adopted, based in analytical theories, was used since the establishment of the material with which the model is built, through the rational development of the test matrix and ending with the analyzes carried out when the experimental results were compared with analytical predictions.

Orientador: Juan Pablo Julca Avila / Dissertação (mestrado) - Universidade Federal do ABC. Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica, 2013

L'utilisation de composites et nano composites est une tendance croissante dans des industries telles que l'aérospatiale, l'automobile et l'énergie. Pour de nombreuses applications, l'adhésion entre des structures pour bien transférer les efforts est un problème difficile à résoudre. Dans l’industrie pétrolière, par exemple, une technique utilisée pour ancrer les armures de traction d’une conduite flexible est à travers un époxy intégré car elle fournit une bonne résistance mécanique et chimique. Cependant, des fissures et des défauts peuvent apparaître dans le bloc époxy pendant les opérations ou le montage lors de l'étape de cuisson de l'époxy, et ces fissures pourraient affecter les performances d'ancrage, en particulier pour les armures composites en fibre de carbone (CFAs). Dans ce contexte, ce travail propose le renforcement de l'époxy pour l'ancrage du CFA, focalisé sur les propriétés mécaniques et d'adhérence. Un modèle analytique est développé pour le mécanisme d'ancrage du CFA et vérifié par analyse numérique pour évaluer la sensibilité du système aux caractéristiques de l’époxy. Ainsi, l'augmentation de ces propriétés est proposée par l'ajout de nanotubes de carbone multi-feuilles (MWCNTs) et des essaies sont réalisées avec le époxy pur et renforcés pour caractériser l’augmentation des propriétés mécaniques et adhésives. Ensuite, la morphologie des nanotubes et l'homogénéité de la matrice sont investiguées pour corréler avec des résultats mécaniques. La recherche a confirmé une amélioration de la résistance à l'ancrage en renforçant la matrice époxy avec des MWCNTs. / The use of composite and nanocomposites is a growing trend in many industries such as aerospace, automotive and energy. For many applications, the adhesion between structures for efficiently transferring loads is a difficult problem to solve. In oil and gas segment, for instance, a common technique used for anchoring the tensile armors of flexible riser within the end fitting is through an embedded epoxy since it provides good mechanical and chemical resistance. Even though, cracks and defects can arise in the epoxy block during operations or mounting at epoxy curing step, and such cracks could affect the anchoring performance, in particular for carbon fiber composite armors (CFA). In this context, this work proposes the improvement of the epoxy for anchoring the CFA, with a focus on the mechanical and adhesion properties. An analytical model is developed for CFA anchoring mechanism and verified by numerical analysis to evaluate the sensitivity of the system to the epoxy characteristics. Thus, the increase of these properties is proposed by adding multi-walled Carbon Nanotubes (MWCNTs) and some experiments are carried out with neat and toughened epoxies to characterize the gain of mechanical and adhesive properties. Then, nanotubes morphology and the matrix homogeneity are expertized to correlate with mechanical results. The research confirmed an improvement of anchoring resistance by toughening the epoxy matrix with MWCNTs. / O uso de compósitos e nano compósitos é uma tendência crescente em muitas indústrias, como aeroespacial, automotivo e energia. Para muitas aplicações, a adesão entre estruturas para transferência eficiente dos esforços é um problema de difícil solução. No segmento de óleo e gás, por exemplo, uma técnica comum utilizada para ancorar as armaduras de tração do tubo flexível dentro do conector é através de um epóxi embebido, pois proporciona boa resistência mecânica e química. No entanto, trincas e defeitos podem surgir no bloco de epóxi durante as operações ou montagem, na etapa de cura do epóxi, e tais defeitos podem afetar a performance de ancoragem, em particular para armaduras de compósito de fibra de carbono (CFA). Neste contexto, este trabalho propõe a melhoria do epóxi para ancorar o CFA, com foco nas propriedades mecânicas e adesivas. Um modelo analítico é desenvolvido para o mecanismo de ancoragem do CFA e verificado por análise numérica para avaliar a sensibilidade do sistema às características do epóxi. Assim, o aumento dessas propriedades é proposto pela adição de nano-tubos de carbono de múltiplas paredes (MWCNTs) e alguns experimentos são realizados com os epóxis puro e modificado para caracterizar o ganho de propriedades mecânicas e adesivas. Em seguida, a morfologia dos nano-tubos e a homogeneidade da matriz são investigadas para correlacionar com os resultados mecânicos. A pesquisa confirmou uma melhoria da resistência à ancoragem ao tenacificar a matriz de epóxi com MWCNTs.