A research report submitted to the Faculty of Engineering and the Built Environment, University of the Witwatersrand, Johannesburg, in partial fulfilment of the requirements for the degree of Master of Science in Engineering. Johannesburg 2017 / The present study investigates the possibility of designing a catenary barrel vault, which can be implemented in regions where extreme tropical storms are frequently experienced. It moreover investigated the effect of non-uniform wind loads on catenary barrel vaults, and how to solve for these load conditions efficiently. The effects of high, non-uniform wind loads were assessed, and possible solutions were explored to determine a structurally efficient solution in resisting the loads applied. Different analysis and design techniques were explored in this research. These techniques included the optimization of the geometry, in resisting the applied loads most efficiently, as well as the structural design of the section in ensuring a durable and safe structure. The study revealed that the geometry of the structure cannot be optimised to resist the applied loads in a catenary fashion without external aid. By draping the vault in a post-tensioned basalt geogrid mesh, axial compression can be increased in the section and geometry optimisation can be achieved in resisting the applied loads in a catenary fashion. Three post-tensioning techniques were investigated and discussed. / MT 2018

<p>The purpose of this thesis was to investigate the possibility of power flow control, on a section of a railway grid fed by rotary converters, using an extra feeding line. Two possible solutions for the power flow control were examined. The first using a series reactance in connection to each converter station and the second by changing the tap changer level of the transformer between the converter station and the feeding line.</p><p>In the two models a distance, comparable to the distance between Boden and Häggvik, in Stockholm, was used. The simulations were performed using the software SIMPOW.</p><p>The results from the performed simulations show that series reactances, under the stated conditions, can essentially improve the power flow. To implement this air coils with inductances in the approximate size of 10 to 45 mH could be used. Further, the tap changer levels of the transformer may be used, for individual converter stations, as a way to control the reactive power flow.</p>

The purpose of this thesis was to investigate the possibility of power flow control, on a section of a railway grid fed by rotary converters, using an extra feeding line. Two possible solutions for the power flow control were examined. The first using a series reactance in connection to each converter station and the second by changing the tap changer level of the transformer between the converter station and the feeding line. In the two models a distance, comparable to the distance between Boden and Häggvik, in Stockholm, was used. The simulations were performed using the software SIMPOW. The results from the performed simulations show that series reactances, under the stated conditions, can essentially improve the power flow. To implement this air coils with inductances in the approximate size of 10 to 45 mH could be used. Further, the tap changer levels of the transformer may be used, for individual converter stations, as a way to control the reactive power flow.

O desenvolvimento de pesquisas relativas ao comportamento das estruturas offshore são de fundamental importância para as atividades de exploração de petróleo a fim de permitir uma análise mais precisa do desempenho do sistema de ancoragem. Neste sentido, o presente trabalho tem como objetivo analisar o comportamento das linhas de ancoragem submetidas a esforços de tração bem como avaliar e quantificar a atenuação das cargas ao longo do trecho enterrado determinando assim as forças que efetivamente chegam à estaca torpedo. Inicialmente foram projetados e construídos os equipamentos, em modelo reduzido, para a realização dos ensaios experimentais de carregamento estático conduzidos na escala de 1:40. As argilas empregadas nos ensaios foram produzidas em laboratório com o objetivo de obter um solo com propriedades físicas similares à da argila típica do leito marinho, a partir da mistura caulim, bentonita e água, sendo definida a composição em massa seca de 85% de caulim, 15% de bentonita e teores de 100% de umidade para a mistura denominada como argila A, e 120% de umidade para a mistura referida como argila B. Após a caracterização geotécnica concluiu-se que a argila B se assemelha às condições de campo. A força que chega ao ponto de ancoragem, equivalente ao que seria o ponto de fixação da amarra ao torpedo, foi medida experimentalmente através de uma célula de carga para duas componentes (vertical e horizontal) instalada no piso do tanque. A catenária invertida formada pela amarra foi registrada em alguns pontos não visíveis através de um sensor por ultrassom. O carregamento da linha de ancoragem foi produzido para diferentes ângulos de incidência, em ciclos de carga e descarga. Os resultados mostram que, mesmo em uma abordagem estática, flutuações de carga na linha de ancoragem não são inteiramente transmitidas ao ponto de ancoragem (torpedo), sendo parcialmente absorvidas ao longo do trecho enterrado da amarra. A atenuação de carga na argila A foi de 24%, enquanto que a atenuação apresentada na argila B variou entre 14 %, 6% e tendendo a 0 nos ensaios realizados respectivamente nas alturas de solo de 72 cm, 48 cm e 24 cm. Verificou-se também que a qualidade dos critérios de similaridade inicialmente adotados foi satisfatória. / The research development on the behavior of offshore structures is fundamentaly important for the exploration of oil in order to allow a more precise analysis of the performance of offshore mooring systems. In this sense, the present work aims to analyze the behavior of embedded mooring lines subjected to tensile stresses and to evaluate and quantify the attenuation of loads along the stretch buried thus determining the forces that effectively reach the torpedo pile. Initially, the equipment were designed and built, in a reduced model, so the experimental tests of conducted static load on the scale of 1:40 could be conducted. The clays used in the tests were produced in the laboratory in order to obtain a soil with similar physical properties to the typical clay seabed, from mixing kaolin, bentonite and water, the composition being set on dry matter of 85% kaolin 15% bentonite content and 100% humidity for mixing clay called as A, and 120% humidity for mixing said clay as B. After geotechnical characterization, it was found that the clay B is similar to field conditions. The force that reaches the anchor point, equivalent to what would be the point of attachment of mooring the torpedo, was experimentally measured by a load cell for two components (vertical and horizontal) installed on the floor of the tank. The reverse catenary formed by the embedded mooring line was recorded in some not visible spots through an ultrasound sensor. The load of the anchor line has been produced for different incidence angles, in loading and unloading cycles. The results show that, even in a static approach, load fluctuations in the anchor line are not fully transmitted to the anchor point (torpedo). Partially absorbed along the stretch of mooring buried. The attenuation of the load on the clay A was 24%, while the attenuation shown in clay B ranged from 14%, 6% and approaches 0 in the tests performed respectively on the ground heights of 72 cm, 48 cm and 24 cm. It was also found that the quality of similarity criteria adopted initially was satisfactory.

A structure subjected to extreme load due to explosion or human error may lead to progressive collapse. One of the direct methods specified by design guidelines for assessing progressive collapse is the Alternate Load Path method which involves removal of a structural member and analysing the structure to assess its potential of bridging over the removed member without collapse. The use of this method in assessing progressive collapse therefore requires that the vertical load resistance function of the bridging beam assembly, which for a typical laterally restrained reinforced concrete (RC) beams include flexural, compressive arching action and catenary action, be accurately predicted. In this thesis, a comprehensive study on a reliable prediction of the resistance function for the bridging RC beam assemblies is conducted, with a particular focus on a) the arching effect, and b) the catenary effect considering strength degradations. A critical analysis of the effect of axial restraint, flexural reinforcement ratio and span-depth ratio on compressive arching action are evaluated in quantitative terms. A more detailed theoretical model for the prediction of load-displacement behaviour of RC beam assemblies within the compressive arching response regime is presented. The proposed model takes into account the compounding effect of bending and arching from both the deformation and force points of view. Comparisons with experimental results show good agreement. Following the compressive arching action, catenary action can develop at a much larger displacement regime, and this action could help address collapse. A complete resistance function should adequately account for the catenary action as well as the arching effect. To this end, a generic catenary model which takes into consideration the strength degradation due to local failure events (e.g. rupture of bottom rebar or fracture of a steel weld) and the eventual failure limit is proposed. The application of the model in predicting the resistance function in beam assemblies with strength degradations is discussed. The validity of the proposed model is checked against predictions from finite element model and experimental tests. The result indicate that strength degradation can be accurately captured by the model. Finally, the above developed model framework is employed in investigative studies to demonstrate the application of the resistance functions in a dynamic analysis procedure, as well as the significance of the compressive arching effect and the catenary action in the progressive collapse resistance in different designs. The importance of an accurate prediction of the arching effect and the limiting displacement for the catenary action is highlighted.

As reservas de petróleo e gás estão localizadas cada vez mais longe da costa e em águas profundas e ultra profundas, o que faz necessário a utilização de estruturas flutuantes, as quais estão sujeitas às forças impostas por condições ambientais, tais como vento, ondas e correntes marítimas. É portanto relevante o estudo de sistemas de ancoragem de estrutura flutuantes, sendo estes responsáveis pelo posicionamento da plataforma, garantindo segurança às operações realizada. Este é o objetivo do presente trabalho, que diz respeito a um estudo numérico do comportamento do trecho enterrado da linha de ancoragem de plataformas flutuantes de extração, produção e/ou armazenamento de petróleo. O sistema de ancoragem estudado é do tipo taut-leg, recomendado para lâminas de água superiores a 1000m. Este tipo de ancoragem pode ser dividido em três partes, um trecho suspenso que vai da plataforma até o leito marinho, um trecho apoiado sobre o leito marinho e um terceiro segmento que penetra no solo junto com a âncora, o qual adquire a forma de uma catenária invertida. Este tipo de sistema chega ao leito marinho com inclinações entre 30 e 45° e é capaz de resistir a esforços horizontais e verticais. O objetivo deste estudo é analisar os parâmetros envolvidos, as forças atuantes e a configuração do trecho em catenária invertida, através de análise numérica para os experimentos realizados em laboratório em escala reduzida. Os ensaios experimentais realizados por Rocha (2014) consistiram na aplicação de um conjunto de forças no trecho da linha de ancoragem que simula o encontro da corrente com o leito marinho, medindo-se as cargas no ponto que representa o olhal onde a corrente é fixada à âncora. A configuração da linha no trecho enterrado era obtida através de um ultrassom. Neste trabalho foi feita retro-análise numérica dos resultados obtidos experimentalmente a fim de se determinar os parâmetros que definem o equilíbrio do trecho enterrado da linha de ancoragem. Esses parâmetros foram validados para diferentes carregamentos, respeitando as configurações do solo e da corrente, através de um conjunto de equações diferenciais e do software DIGIN. Com base nas análises são quantificados a atenuação do sistema e os parâmetros de capacidade de carga e adesão que controlam o processo de transferência de cargas. / Oil and gas reserves are located offshore, in deep and ultra deep waters and for this reason the use of floating structures becomes necessary. Those structures are subject to forces imposed by environmental conditions such as wind, waves and sea currents. It is therefore relevant to study the anchoring of floating structure systems, as it is responsible for positioning the platform and ensuring security operations. This is the aim of the present research efforts, which describes a numerical study of the behavior of the embedded portion of systems designed to anchor the floating platform during extraction, production and/or storage of oil. The taut-leg mooring system is the one studied herein, which is recommended for water depth beyond 1000m. This type of mooring system can be divided in three parts, one part that runs from the suspended platform to the seabed, a slice resting on the seabed and a third segment that penetrates the soil together with the anchor, which takes the form of a inverse catenary. This type of mooring system reaches the seabed at angles of 30° to 45 ° and is able to resist horizontal and vertical forces. The objective of this study is to analyze the parameters involved in the anchor system, the forces acting at the inverse catenary and its configuration through numerical analysis of small-scale laboratory experiments. Experimental tests conducted by Rocha (2014) consisted of applying a set of forces on the a chain that simulates the embedded portion of the anchor line, from the seabed to the shank attachment point, using a load cell located at a point that represents the lug throw in which the chain is connected to the anchor. The configuration of the embedded portion of anchor line was obtained through an ultrasound. In this study the experimental results were numerically back analyzed in order to determine the parameters that define the equilibrium of the embedded slice of the anchor line. These parameters were validated for various loads in compliance with both soil resistance and the configuration of the chain through a set of differential equations and DIGIN software. Based on this analysis, the attenuation of the system is quantified and the parameters controlling of load capacity and adherence are obtained.

O desenvolvimento de pesquisas relativas ao comportamento das estruturas offshore são de fundamental importância para as atividades de exploração de petróleo a fim de permitir uma análise mais precisa do desempenho do sistema de ancoragem. Neste sentido, o presente trabalho tem como objetivo analisar o comportamento das linhas de ancoragem submetidas a esforços de tração bem como avaliar e quantificar a atenuação das cargas ao longo do trecho enterrado determinando assim as forças que efetivamente chegam à estaca torpedo. Inicialmente foram projetados e construídos os equipamentos, em modelo reduzido, para a realização dos ensaios experimentais de carregamento estático conduzidos na escala de 1:40. As argilas empregadas nos ensaios foram produzidas em laboratório com o objetivo de obter um solo com propriedades físicas similares à da argila típica do leito marinho, a partir da mistura caulim, bentonita e água, sendo definida a composição em massa seca de 85% de caulim, 15% de bentonita e teores de 100% de umidade para a mistura denominada como argila A, e 120% de umidade para a mistura referida como argila B. Após a caracterização geotécnica concluiu-se que a argila B se assemelha às condições de campo. A força que chega ao ponto de ancoragem, equivalente ao que seria o ponto de fixação da amarra ao torpedo, foi medida experimentalmente através de uma célula de carga para duas componentes (vertical e horizontal) instalada no piso do tanque. A catenária invertida formada pela amarra foi registrada em alguns pontos não visíveis através de um sensor por ultrassom. O carregamento da linha de ancoragem foi produzido para diferentes ângulos de incidência, em ciclos de carga e descarga. Os resultados mostram que, mesmo em uma abordagem estática, flutuações de carga na linha de ancoragem não são inteiramente transmitidas ao ponto de ancoragem (torpedo), sendo parcialmente absorvidas ao longo do trecho enterrado da amarra. A atenuação de carga na argila A foi de 24%, enquanto que a atenuação apresentada na argila B variou entre 14 %, 6% e tendendo a 0 nos ensaios realizados respectivamente nas alturas de solo de 72 cm, 48 cm e 24 cm. Verificou-se também que a qualidade dos critérios de similaridade inicialmente adotados foi satisfatória. / The research development on the behavior of offshore structures is fundamentaly important for the exploration of oil in order to allow a more precise analysis of the performance of offshore mooring systems. In this sense, the present work aims to analyze the behavior of embedded mooring lines subjected to tensile stresses and to evaluate and quantify the attenuation of loads along the stretch buried thus determining the forces that effectively reach the torpedo pile. Initially, the equipment were designed and built, in a reduced model, so the experimental tests of conducted static load on the scale of 1:40 could be conducted. The clays used in the tests were produced in the laboratory in order to obtain a soil with similar physical properties to the typical clay seabed, from mixing kaolin, bentonite and water, the composition being set on dry matter of 85% kaolin 15% bentonite content and 100% humidity for mixing clay called as A, and 120% humidity for mixing said clay as B. After geotechnical characterization, it was found that the clay B is similar to field conditions. The force that reaches the anchor point, equivalent to what would be the point of attachment of mooring the torpedo, was experimentally measured by a load cell for two components (vertical and horizontal) installed on the floor of the tank. The reverse catenary formed by the embedded mooring line was recorded in some not visible spots through an ultrasound sensor. The load of the anchor line has been produced for different incidence angles, in loading and unloading cycles. The results show that, even in a static approach, load fluctuations in the anchor line are not fully transmitted to the anchor point (torpedo). Partially absorbed along the stretch of mooring buried. The attenuation of the load on the clay A was 24%, while the attenuation shown in clay B ranged from 14%, 6% and approaches 0 in the tests performed respectively on the ground heights of 72 cm, 48 cm and 24 cm. It was also found that the quality of similarity criteria adopted initially was satisfactory.

Submitted by ANA KARLA PEREIRA RODRIGUES (anakarla_@hotmail.com) on 2017-08-29T15:12:58Z No. of bitstreams: 1 arquivototal.pdf: 1939955 bytes, checksum: f6ebf1c4db19321eabce5c175a32c2aa (MD5) / Approved for entry into archive by Viviane Lima da Cunha (viviane@biblioteca.ufpb.br) on 2017-08-29T15:43:41Z (GMT) No. of bitstreams: 1 arquivototal.pdf: 1939955 bytes, checksum: f6ebf1c4db19321eabce5c175a32c2aa (MD5) / Made available in DSpace on 2017-08-29T15:43:41Z (GMT). No. of bitstreams: 1 arquivototal.pdf: 1939955 bytes, checksum: f6ebf1c4db19321eabce5c175a32c2aa (MD5) Previous issue date: 2015-07-30 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPES / This work intends to show the hyperbolic functions, analyzing their similarities and contrasts with the circular trigonometric functions. To this, we start showing a short review about the circular trigonometry and hyperbole, describing their main elements and properties. Then, we made a study about hyperbolic functions, with the de nitions of sine, cosine and the other hyperbolic functions and their main properties. We nished this work with some applications of these functions on everyday. / Este trabalho tem como objetivo apresentar as funções hiperbólicas, analisando suas semelhanças e diferenças com as funções trigonométricas circulares. Para tanto, iniciamos apresentando uma breve revisão sobre a trigonometria circular e a hipérbole, descrevendo seus principais elementos e propriedades. Posteriormente, realizamos um estudo sobre as funções hiperbólicas, apresentando as de nições do seno, cosseno e das demais funções hiperbólicas e suas principais propriedades. Concluí- mos com algumas aplicações destas funções no cotidiano.

As reservas de petróleo e gás estão localizadas cada vez mais longe da costa e em águas profundas e ultra profundas, o que faz necessário a utilização de estruturas flutuantes, as quais estão sujeitas às forças impostas por condições ambientais, tais como vento, ondas e correntes marítimas. É portanto relevante o estudo de sistemas de ancoragem de estrutura flutuantes, sendo estes responsáveis pelo posicionamento da plataforma, garantindo segurança às operações realizada. Este é o objetivo do presente trabalho, que diz respeito a um estudo numérico do comportamento do trecho enterrado da linha de ancoragem de plataformas flutuantes de extração, produção e/ou armazenamento de petróleo. O sistema de ancoragem estudado é do tipo taut-leg, recomendado para lâminas de água superiores a 1000m. Este tipo de ancoragem pode ser dividido em três partes, um trecho suspenso que vai da plataforma até o leito marinho, um trecho apoiado sobre o leito marinho e um terceiro segmento que penetra no solo junto com a âncora, o qual adquire a forma de uma catenária invertida. Este tipo de sistema chega ao leito marinho com inclinações entre 30 e 45° e é capaz de resistir a esforços horizontais e verticais. O objetivo deste estudo é analisar os parâmetros envolvidos, as forças atuantes e a configuração do trecho em catenária invertida, através de análise numérica para os experimentos realizados em laboratório em escala reduzida. Os ensaios experimentais realizados por Rocha (2014) consistiram na aplicação de um conjunto de forças no trecho da linha de ancoragem que simula o encontro da corrente com o leito marinho, medindo-se as cargas no ponto que representa o olhal onde a corrente é fixada à âncora. A configuração da linha no trecho enterrado era obtida através de um ultrassom. Neste trabalho foi feita retro-análise numérica dos resultados obtidos experimentalmente a fim de se determinar os parâmetros que definem o equilíbrio do trecho enterrado da linha de ancoragem. Esses parâmetros foram validados para diferentes carregamentos, respeitando as configurações do solo e da corrente, através de um conjunto de equações diferenciais e do software DIGIN. Com base nas análises são quantificados a atenuação do sistema e os parâmetros de capacidade de carga e adesão que controlam o processo de transferência de cargas. / Oil and gas reserves are located offshore, in deep and ultra deep waters and for this reason the use of floating structures becomes necessary. Those structures are subject to forces imposed by environmental conditions such as wind, waves and sea currents. It is therefore relevant to study the anchoring of floating structure systems, as it is responsible for positioning the platform and ensuring security operations. This is the aim of the present research efforts, which describes a numerical study of the behavior of the embedded portion of systems designed to anchor the floating platform during extraction, production and/or storage of oil. The taut-leg mooring system is the one studied herein, which is recommended for water depth beyond 1000m. This type of mooring system can be divided in three parts, one part that runs from the suspended platform to the seabed, a slice resting on the seabed and a third segment that penetrates the soil together with the anchor, which takes the form of a inverse catenary. This type of mooring system reaches the seabed at angles of 30° to 45 ° and is able to resist horizontal and vertical forces. The objective of this study is to analyze the parameters involved in the anchor system, the forces acting at the inverse catenary and its configuration through numerical analysis of small-scale laboratory experiments. Experimental tests conducted by Rocha (2014) consisted of applying a set of forces on the a chain that simulates the embedded portion of the anchor line, from the seabed to the shank attachment point, using a load cell located at a point that represents the lug throw in which the chain is connected to the anchor. The configuration of the embedded portion of anchor line was obtained through an ultrasound. In this study the experimental results were numerically back analyzed in order to determine the parameters that define the equilibrium of the embedded slice of the anchor line. These parameters were validated for various loads in compliance with both soil resistance and the configuration of the chain through a set of differential equations and DIGIN software. Based on this analysis, the attenuation of the system is quantified and the parameters controlling of load capacity and adherence are obtained.

As reservas de petróleo e gás estão localizadas cada vez mais longe da costa e em águas profundas e ultra profundas, o que faz necessário a utilização de estruturas flutuantes, as quais estão sujeitas às forças impostas por condições ambientais, tais como vento, ondas e correntes marítimas. É portanto relevante o estudo de sistemas de ancoragem de estrutura flutuantes, sendo estes responsáveis pelo posicionamento da plataforma, garantindo segurança às operações realizada. Este é o objetivo do presente trabalho, que diz respeito a um estudo numérico do comportamento do trecho enterrado da linha de ancoragem de plataformas flutuantes de extração, produção e/ou armazenamento de petróleo. O sistema de ancoragem estudado é do tipo taut-leg, recomendado para lâminas de água superiores a 1000m. Este tipo de ancoragem pode ser dividido em três partes, um trecho suspenso que vai da plataforma até o leito marinho, um trecho apoiado sobre o leito marinho e um terceiro segmento que penetra no solo junto com a âncora, o qual adquire a forma de uma catenária invertida. Este tipo de sistema chega ao leito marinho com inclinações entre 30 e 45° e é capaz de resistir a esforços horizontais e verticais. O objetivo deste estudo é analisar os parâmetros envolvidos, as forças atuantes e a configuração do trecho em catenária invertida, através de análise numérica para os experimentos realizados em laboratório em escala reduzida. Os ensaios experimentais realizados por Rocha (2014) consistiram na aplicação de um conjunto de forças no trecho da linha de ancoragem que simula o encontro da corrente com o leito marinho, medindo-se as cargas no ponto que representa o olhal onde a corrente é fixada à âncora. A configuração da linha no trecho enterrado era obtida através de um ultrassom. Neste trabalho foi feita retro-análise numérica dos resultados obtidos experimentalmente a fim de se determinar os parâmetros que definem o equilíbrio do trecho enterrado da linha de ancoragem. Esses parâmetros foram validados para diferentes carregamentos, respeitando as configurações do solo e da corrente, através de um conjunto de equações diferenciais e do software DIGIN. Com base nas análises são quantificados a atenuação do sistema e os parâmetros de capacidade de carga e adesão que controlam o processo de transferência de cargas. / Oil and gas reserves are located offshore, in deep and ultra deep waters and for this reason the use of floating structures becomes necessary. Those structures are subject to forces imposed by environmental conditions such as wind, waves and sea currents. It is therefore relevant to study the anchoring of floating structure systems, as it is responsible for positioning the platform and ensuring security operations. This is the aim of the present research efforts, which describes a numerical study of the behavior of the embedded portion of systems designed to anchor the floating platform during extraction, production and/or storage of oil. The taut-leg mooring system is the one studied herein, which is recommended for water depth beyond 1000m. This type of mooring system can be divided in three parts, one part that runs from the suspended platform to the seabed, a slice resting on the seabed and a third segment that penetrates the soil together with the anchor, which takes the form of a inverse catenary. This type of mooring system reaches the seabed at angles of 30° to 45 ° and is able to resist horizontal and vertical forces. The objective of this study is to analyze the parameters involved in the anchor system, the forces acting at the inverse catenary and its configuration through numerical analysis of small-scale laboratory experiments. Experimental tests conducted by Rocha (2014) consisted of applying a set of forces on the a chain that simulates the embedded portion of the anchor line, from the seabed to the shank attachment point, using a load cell located at a point that represents the lug throw in which the chain is connected to the anchor. The configuration of the embedded portion of anchor line was obtained through an ultrasound. In this study the experimental results were numerically back analyzed in order to determine the parameters that define the equilibrium of the embedded slice of the anchor line. These parameters were validated for various loads in compliance with both soil resistance and the configuration of the chain through a set of differential equations and DIGIN software. Based on this analysis, the attenuation of the system is quantified and the parameters controlling of load capacity and adherence are obtained.