Este trabalho desenvolve e apresenta um modelo tridimensional em elementos finitos de um cabo umbilical do tipo STU (Steel Tube Umbilical) utilizado na extração offshore de petróleo. Tal modelo é utilizado para estudar o carregamento de crushing, que é imposto ao cabo umbilical pelas sapatas do tensionador durante o seu lançamento, de modo a obter de forma detalhada a distribuição de tensões nos componentes do núcleo, com foco nos tubos de aço utilizados para o transporte de fluidos. A metodologia empregada no desenvolvimento do modelo é descrita detalhadamente ao longo do trabalho, de forma que possa vir a ser utilizada no estudo de outras configurações de cabos umbilicais. O modelo elaborado é utilizado (i) como paradigma para a validação de um modelo bidimensional, que visa analisar o mesmo problema de forma mais simples e rápida, e (ii) para o estudo do comportamento das tensões nos tubos de aço na região de transição de entrada/saída da sapata. Na comparação entre os modelos bi e tridimensional, o trabalho conclui pela validade do modelo bidimensional na avaliação das tensões nos tubos de aço resultantes do carregamento de crushing, na região central do cabo. O estudo realizado na região de transição de entrada/saída da sapata permitiu verificar que ocorre um aumento dos níveis de tensão nos tubos de aço nessas regiões de transição, com redistribuição do campo de tensões após plastificação. / This project proposes a three-dimensional finite element model of a Steel Tube Umbilical Cable used in the offshore oil extraction. This model is used to study the crushing load imposed to the cable by the shoes of the tensioner during its installation, in order to obtain a detailed distribution of stresses in the components of the core, focusing on the steel tubes used for fluid transportation. The methodology employed in the development of the model will be fully described throughout the study, allowing to reproduce it in the analysis of different umbilical configurations. The developed model is used (i) as a paradigm for the validation of a two-dimensional model, which aims to analyze the same problem in an easier and faster manner, and (ii) to study the behavior of the stresses in the steel tubes in the entry/exit transition region of the shoe. Comparison between the two and three-dimensional models allows to conclude for the validity of the two-dimensional in evaluating the stresses in the steel tube resulting from the crushing load, in the central region of the cable. The study performed in the entry/exit transition region of the shoe has enabled do verify that there is an increase of the stress levels in the steel tubes in these transition regions, with field stress redistribution after plastification.

Este trabalho objetiva o estudo específico, teórico e numérico, da determinação dos diferentes modos de colapso, elásticos e elastoplásticos, de uma estrutura tubular sujeita a esforços: pressão externa, flexão e flexo-pressurização. Entre os mais importantes elementos estruturais básicos, analisaremos inicialmente o modelo de um anel comprimido por uma carga radial. Isso significa determinar as pressões de instabilidade, elástica e elastoplástica, e de colapso, com os correspondentes modos, para anéis com diferentes relações diâmetro-espessura, D/t , submetidos a uma série gradual de pressões externas. A Estabilidade estrutural é computada utilizando uma formulação variacional, com discretização por elementos finitos. O modelo material pressupõe comportamento elastoplástico, com pequenas deformações. A análise não linear envolve a aplicação de pressurização externa aos anéis, de forma incremental, para a obtenção da resposta, tomando em conta a falta de circularidade inicial dos mesmos. Casos específicos envolvendo anéis de paredes finas e grossas serão considerados. Será analisado depois o estudo da resposta e da estabilidade de tubos de metal de parede fina e relativamente grossa sob flexão e flexo-pressurização através do método dos elementos finitos. Durante as últimas décadas este problema tem muito sido estudado através de métodos analíticos e experimentais. A maioria das soluções, entretanto, referem-se ao comportamento destas estruturas sob condições elásticas. No entanto, uma experiência de um elemento tubular é um problema inerentemente não linear com flambagem ou colapso do cilindro tomando lugar. Ás vezes com localização. Confrontaremos no final principalmente os resultados numéricos com aqueles da literatura, Kyriakides et al (1987), (1991) e (1992). / This work looks first at the determination of instability pressures as well as elastoplastic collapse, with the corresponding modes of rings with different diameter/thickness ratios under incremental external pressure loading and . Structural stability is computed by a variational formulation with discretization by finite elements. Material modeling considers elastoplastic behaviour with small deformations. Non Linear analysis produces the response curves considering lack of initial out-of-roundness. .After the response and stability of long and relatively thick wall metal tubes under bending and combined bending and external pressure were studied through experimental and analytical methods during the last decades. Most of the solutions, however, refered to the behavior under elastic conditions. In these cases we used the Finite Element Method with several discretizations. Nonetheless these experiments of a tube element is an inherently nonlinear problem with cylinder buckling or collapse taking place. Sometimes with localization. At the end numerical results are mainly compared to experimental measurements of Kyriakides et al (1987), (1991) e (1992).

Assessing tall building oscillation is a multidisciplinary area involving knowledge from different fields of study: structural engineering, wind engineering, reliability, and even human physiology, to name a few. With the modern high strength structural materials and the latest tendencies in tall buildings construction, new structural systems have become slender and new buildings have reached greater heights as time passes. This context leads to a situation where these slender structures are sensitive to dynamic effects from wind loads and where human comfort is often the prevailing criterion for the structural design. This multidisciplinary area with slender structural systems allied to economic and environmental aspects from building construction demands a better integration between the abovementioned fields in order to achieve both human comfort and sustainable buildings (from environmental and economic points of view). This thesis aims at connecting the \"weak links\" of the Davenport\'s chain of wind loading, discussing criteria from each field involved in the oscillation assessment of a tall building: dynamic analysis, finite element modelling, wind climate modelling and comfort assessment. The axis of investigation intends to bring precision to the procedure, whilst creating a reliable set of criteria to perform a dynamic response assessment from the wind tunnel testing of tall buildings. This thesis also aims at connecting these fields of study by bringing understanding from each one of them to all the others, and at validating multidisciplinary interactions in the Davenport\'s chain. Finally, a wide dispersion of results is obtained for two different tall buildings in São Paulo. This dispersion serves to corroborate the deficient integration between these fields of study and to present a set of criteria that brings precision to the procedure, whilst allowing more economic and sustainable designs. / O estudo das oscilações de edifícios altos sob ação do vento é uma área multidisciplinar que envolve conhecimentos de diferentes campos de estudo: engenharia estrutural, engenharia de vento, confiabilidade e até fisiologia humana, para citar apenas alguns. Em paralelo, a criação de novos materiais de construção de alta resistência, aliados às últimas tendências na construção de edifícios altos, permite sistemas estruturais cada vez mais esbeltos aplicados a edifícios cada vez mais altos. Este contexto leva a uma situação em que estes sistemas estruturais são sensíveis aos efeitos dinâmicos das cargas de vento e onde o conforto humano é frequentemente o critério preponderante para o projeto estrutural. Esta área multidisciplinar, com seus sistemas estruturais esbeltos, aliada aos aspectos econômicos e ambientais da construção de edifícios altos, exige uma melhor integração entre os campos acima referidos para se alcançar conforto humano em edifícios sustentáveis (tanto do ponto de vista ambiental quanto do econômico). Esta tese tem como eixo de investigação os \"elos fracos\" da corrente de cargas de vento de Davenport e discute os critérios de cada campo envolvido na avaliação das oscilações de um edifício alto: análise dinâmica, modelagem de elementos finitos, modelagem probabilística de vento e avaliação de conforto. O eixo de investigação proposto visa a trazer precisão ao procedimento, criando um conjunto de critérios confiáveis para a avaliação da resposta dinâmica a partir de ensaios em túnel de vento de edifícios altos. Esta tese também visa a conectar estes campos de estudo, trazendo a compreensão de cada um deles para todos os outros e para validar as interações multidisciplinares na corrente de Davenport. Finalmente, uma grande dispersão de resultados é obtida para dois edifícios altos em São Paulo. Esta dispersão serve para corroborar a deficiência da integração entre estes campos de estudo e para apresentar um conjunto de critérios que traga precisão ao procedimento, permitindo, concomitantemente, projetos mais econômicos e sustentáveis.

Assessing tall building oscillation is a multidisciplinary area involving knowledge from different fields of study: structural engineering, wind engineering, reliability, and even human physiology, to name a few. With the modern high strength structural materials and the latest tendencies in tall buildings construction, new structural systems have become slender and new buildings have reached greater heights as time passes. This context leads to a situation where these slender structures are sensitive to dynamic effects from wind loads and where human comfort is often the prevailing criterion for the structural design. This multidisciplinary area with slender structural systems allied to economic and environmental aspects from building construction demands a better integration between the abovementioned fields in order to achieve both human comfort and sustainable buildings (from environmental and economic points of view). This thesis aims at connecting the \"weak links\" of the Davenport\'s chain of wind loading, discussing criteria from each field involved in the oscillation assessment of a tall building: dynamic analysis, finite element modelling, wind climate modelling and comfort assessment. The axis of investigation intends to bring precision to the procedure, whilst creating a reliable set of criteria to perform a dynamic response assessment from the wind tunnel testing of tall buildings. This thesis also aims at connecting these fields of study by bringing understanding from each one of them to all the others, and at validating multidisciplinary interactions in the Davenport\'s chain. Finally, a wide dispersion of results is obtained for two different tall buildings in São Paulo. This dispersion serves to corroborate the deficient integration between these fields of study and to present a set of criteria that brings precision to the procedure, whilst allowing more economic and sustainable designs. / O estudo das oscilações de edifícios altos sob ação do vento é uma área multidisciplinar que envolve conhecimentos de diferentes campos de estudo: engenharia estrutural, engenharia de vento, confiabilidade e até fisiologia humana, para citar apenas alguns. Em paralelo, a criação de novos materiais de construção de alta resistência, aliados às últimas tendências na construção de edifícios altos, permite sistemas estruturais cada vez mais esbeltos aplicados a edifícios cada vez mais altos. Este contexto leva a uma situação em que estes sistemas estruturais são sensíveis aos efeitos dinâmicos das cargas de vento e onde o conforto humano é frequentemente o critério preponderante para o projeto estrutural. Esta área multidisciplinar, com seus sistemas estruturais esbeltos, aliada aos aspectos econômicos e ambientais da construção de edifícios altos, exige uma melhor integração entre os campos acima referidos para se alcançar conforto humano em edifícios sustentáveis (tanto do ponto de vista ambiental quanto do econômico). Esta tese tem como eixo de investigação os \"elos fracos\" da corrente de cargas de vento de Davenport e discute os critérios de cada campo envolvido na avaliação das oscilações de um edifício alto: análise dinâmica, modelagem de elementos finitos, modelagem probabilística de vento e avaliação de conforto. O eixo de investigação proposto visa a trazer precisão ao procedimento, criando um conjunto de critérios confiáveis para a avaliação da resposta dinâmica a partir de ensaios em túnel de vento de edifícios altos. Esta tese também visa a conectar estes campos de estudo, trazendo a compreensão de cada um deles para todos os outros e para validar as interações multidisciplinares na corrente de Davenport. Finalmente, uma grande dispersão de resultados é obtida para dois edifícios altos em São Paulo. Esta dispersão serve para corroborar a deficiência da integração entre estes campos de estudo e para apresentar um conjunto de critérios que traga precisão ao procedimento, permitindo, concomitantemente, projetos mais econômicos e sustentáveis.