O presente trabalho aborda o desenvolvimento de um sistema de automação e controle para tanques oceânicos com múltiplos atuadores para possibilitar a geração e absorção ativa de ondas. O desenvolvimento compreende: a implementação e a validação do sistema de automação e controle para o tanque de provas; o desenvolvimento de algoritmos para a geração de ondas com batedores do tipo flap, para atender aos casos tipicamente utilizados em ensaios de estruturas oceânicas, tais como ondas regulares e irregulares, com ou sem espalhamento direcional. O sistema desenvolvido fez uso de controladores do tipo CLP (controlador lógico programável) em rede de comunicação industrial usando troca de dados síncrona, como uma solução robusta de automação. Os controladores desenvolvidos foram estudados individualmente para a devida caracterização e identificação dos limites de desempenho. Sensores de ondas ultrassônicos foram desenvolvidos e caracterizados para medir ondas nos atuadores e viabilizar a malha de controle de absorção ativa do tanque de provas. Sensores de ondas capacitivos foram desenvolvidos e calibrados para a medição de ondas nos ensaios experimentais. A validação experimental do funcionamento do sistema de atuação, controle e sensoriamento foi realizada utilizando os equipamentos desenvolvidos. Os testes foram feitos validando o funcionamento dos atuadores, a geração de ondas regulares, a geração de ondas regulares oblíquas e a geração de ondas irregulares de cristas longas. Os testes apontaram que os atuadores dos cantos do tanque, que são fixos, provocam alterações no campo de ondas, tal como a difração de ondas. As flutuações foram avaliadas onde os valores extremos podem chegar a 58% e foi apresentada uma proposta de medidas paliativas. As ondas regulares e irregulares foram validadas para que o tanque seja capaz de realizar ensaios experimentais reproduzindo as condições ambientais da costa brasileira em ensaios com modelos reduzidos. Foram realizadas medições do coeficiente de reflexão das ondas regulares e irregulares geradas no tanque de provas que mostram valores em torno de 10%. Usando a absorção ativa de ondas em duas laterais opostas do tanque, constatou-se que a segunda reflexão (re-reflexão) afeta fracamente o campo de ondas. A fim de demonstrar o potencial do controlador do tanque, foi desenvolvida uma nova técnica para focalização de energia de ondas em tanque de provas, fundamentada na técnica de TR (time reversal), para concentrar ondas em pontos específicos do espaço. Esta técnica foi originalmente proposta para aplicações usando ultrassom na forma de ondas de pressão acústica, mas, devido à semelhança do fenômeno físico, a técnica foi aplicada às ondas de superfície livre da água. Foram realizados três tipos de testes usando TR, e em todos eles a concentração de ondas foi obtida no local e no instante esperados. Concluiu-se, então, que o método funciona mesmo que existam obstáculos à propagação da onda, como difração e reflexão no interior do tanque de provas. Um dos testes estudou as ondas concêntricas geradas por um objeto lançado contra a água; a aplicação de TR resultou em uma onda concentrada no ponto de lançamento. Os fenômenos observados podem servir de paradigma para comparações numéricas e estudos de ondas em meios dispersivos. / This work discusses the development of an automation and control system for ocean tanks with multiple actuators to enable the generation and active absorption of waves. The development includes: implementation and validation of system automation and control to the ocean wave tank, the development of algorithms for generating waves with flap type wave generator for dealing with cases typically used in tests of ocean structures, such as regular waves and irregular, with or without directional spreading. The developed system used PLC controllers (programmable logic controller) and an industrial communication network with synchronous data exchange, which is a robust automation system solution. The developed controllers were individually studied for proper performance characterization. Ultrasonic wave sensors have been developed and characterized to measure waves in the face of actuators and enable the control loop active absorption of the ocean wave tank. Capacitive wave sensors have been developed and calibrated to measure wave in experimental tests. The experimental validation of system actuation, control and sensing system was performed. Validation tests of the operation of the actuators under regular wave generation, irregular wave generation and oblique regular waves were done. The tests showed that the fixed actuators of the corners of the tank cause changes in the wave field such as diffraction waves. The spatial wave field fluctuations can reach 58% and correction procedures were proposed. Regular and irregular waves were validated for the tank to be able to perform experimental tests reproducing the environmental conditions of the Brazilian coast in reduced model tests of offshore structures. Measurements of the reflection coefficient of regular and irregular waves generated in the test tank indicated values around 10%. Using active absorption of waves in two opposite sides of the tank, it was realized that the re-reflection weakly affects the wave field. In order to demonstrating the innovative potential applications of tank, it was developed a new technique to focus wave energy, based on the technique of TR (time reversal) to concentrate waves at specific points in space. This was originally proposed for applications using ultrasound acoustic pressure waves, but due to the similarity of the physical phenomenon, the technique was applied to the waves in the free water surface. Three types of tests were carried out and in each TR concentration wave was obtained in the expected location and the expected time. It was noticed that the method also works even with obstacles to wave propagation, such as diffraction and reflection inside the ocean wave tank. An object thrown against the water, creating concentric waves was studied and after the application of TR resulted in a wave concentrated at the same splash point. The observed phenomena can be considered as a paradigm for numerical comparisons and studies of waves in dispersive media.

Este trabalho apresenta uma abordagem numérica com base em ensaios experimentais previamente realizados, direcionada ao problema de ressonância do campo de ondas em operações de alívio lado a lado (side by side). Os efeitos dessas interferências hidrodinâmicas são responsáveis por alterar drasticamente o campo de ondas em regiões de confino, gerando amplificação nos movimentos de primeira ordem e trazendo risco à operação. Este fenômeno está presente em diversas áreas da exploração e produção offshore e vem sendo o principal objeto de estudo nos últimos anos, principalmente em operações de alívio lado a lado, nos quais existe uma grande preocupação de colisão, rompimento dos cabos e integridade estrutural das defensas, devido à proximidade dos cascos. Neste contexto, devido à complexidade do problema, a modelagem numérica utilizada para interpretar o fenômeno de ressonância em softwares comerciais deve ser realizada com cautela, sendo que a utilização direta desta ferramenta gera amplificações equivocadas da superfície ressonante uma vez que esta resolução tem como base a teoria potencial. As diferenças observadas durante a comparação entre ensaios numéricos e experimentais são causadas em virtude da negligência na avaliação da dissipação de parte da energia das ondas ressonantes provocadas devido aos efeitos como viscosidade, vorticidade e turbulência do escoamento. Com o objetivo de analisar corretamente este fenômeno por meio de ensaios numéricos, uma maneira consiste na inclusão de adaptações no modelo para atingir os resultados desejáveis. Estas adaptações consistem na implementação de métodos artificiais, tais como os chamados \"Modos Generalizados\" e \"Praias Numéricas\", aplicados à região entre as embarcações com o intuito de amortecer as elevações irrealistas da superfície. Sendo assim, este trabalho abordará o problema de ressonância de ondas, investigando o desempenho de duas ferramentas numéricas para a sua predição, o WAMIT (Wave Analysis Massachusetts Institute of Technology) e o TDRPM (Time Domain Rankine Painel Method). Os resultados serão comparados com dados obtidos em um conjunto de ensaios em escala reduzida, realizado previamente no laboratório Tanque de Provas Numérico da USP (TPN). Dessa forma, o estudo dos fenômenos de ressonância será discutido, principalmente, em seu aspecto numérico, visando à verificação do desempenho do WAMIT e do TDRPM. / This work presents a numerical study based on previously conducted experimental studies, focused on the problem of resonance of the wave field in operations involving multi-body. The hydrodynamic interferences effects are responsible for drastically changing the wave field in confine regions, generating amplification of first order movements and bringing operational risk. This phenomenon is present in several areas of offshore exploration and production and has been the main object of study in recent years, mainly in side-by-side offloading operations, in which there is a great concern due to the risk of mooring lines breaking, damages to the fenders and also collision. In this context, due to the complexity of the problem, the numerical modeling used to evaluate the resonance phenomenon in commercial software becomes unsuitable, generating erroneous amplifications of the resonant surface since it is based on the potential theory. The differences observed during the comparisons between numerical and experimental tests are caused by negligence in the evaluation of the dissipation of part of the resonant wave energy caused by viscosity, vorticity and flow turbulence effects. In order to correctly analyze this phenomenon through numerical tests, one way is to include adaptations on the model to achieve the desired results. These adaptations consist of the implementation of artificial methods, such as \"Generalized Modes\" and \"Numerical Damping Zones\", applied to the region between the vessels in order to damp the unrealistic elevations of the surface. Thus, this study will approach the problem of gap wave resonance, investigating the performance of two numerical tools for its prediction, WAMIT (Wave Analysis Massachusetts Institute of Technology) and TDRPM (Time Domain Rankin Panel Method). The results will be compared with data obtained from a set of small scale tests previously performed at the Numerical Test Tank of USP laboratory (TPN). Therefore, the study of resonance phenomena will be discussed, mainly, in its numerical aspect, in order to verify the performance of WAMIT and TDRPM.

A investigacao experimental do fenomeno de vibracoes induzidas pela emissao de vortices (VIV) em modelos flexiveis longos lancados em catenaria e sujeitos a pers de correnteza variavel e ortogonais ao plano de lancamento e o tema principal desta tese de doutorado. O objetivo, neste trabalho, e identicar, descrever e discutir os comportamentos dinamicos do VIV nas catenarias sob correnteza variavel, comparando-os com aqueles exibidos por este fenomeno agindo em um cilindro flexivel vertical. Desta forma, tenciona-se contribuir para a compreensao mais geral do VIV nas linhas oceanicas utilizadas na exploracao de petroleo e gas no mar. Neste contexto, muito se sabe sobre o comportamento do VIV em cilindros rgidos montados em suportes elasticos, bem como em cilindros flexiveis nao curvados, ambos os arranjos com uma vasta literatura descrevendo nao so os comportamentos dinamicos, como tambem suas relacoes com os aspectos fluidos que lhe dao origem. Contudo, no caso dos cilindros flexiveis longos, ainda existem pontos que precisam de compreensao mais profunda, particularmente aqueles que representam condicoes mais proximas da operacao oceanica real - o lancamento em catenaria e a acao de um perfil variavel e ortogonal de correnteza. Para tanto, um dispositivo denominado braco giratorio foi projetado e construido para que experimentos com modelos de catenaria em correnteza variavel com a profundidade fossem conduzidos no tanque de provas fisico do laboratorio Tanque de Provas Numerico (TPN), caracterizando uma pesquisa inedita no tema. Como condicoes de ensaio foram consideradas diferentes configuracoes geometricas da catenaria, todas comparadas com um cilindro flexivel vertical ensaiado tanto no braco giratorio, como tambem em tanque de reboque. Tratados segundo uma tecnica de decomposicao modal, os resultados de deslocamento ao longo dos modelos nessas condicoes de ensaio permitiram a identicacao e a descricao de comportamentos dinamicos bastante parecidos nas catenarias, sempre comparados aqueles do modelo vertical, o que trouxe grande abrangencia a compreensao do VIV nas linhas flexiveis em geral. Como contribuicao adicional, este trabalho dotou o tanque de provas do TPN de um equipamento bastante interessante para ampla gama de investigacoes sobre as interacoes fluido-estruturais - o braco giratorio. / The experimental investigation of Vortex-Induced Vibrations (VIV) on long catenary models and subjected to non-uniform velocity profiles, orthogonal to the catenarys plane, it is the main subject of this doctoral thesis. As a main goal, this work search to identify, describe and discuss the dynamic behaviors of VIV on catenary lines under non-uniform velocity profiles, comparing the results with those coming from the same phenomenon acting on flexible cylinders in a vertical configuration. Thus, it is intended to help for a more general understanding of VIV in offshore lines used in the oil and gas exploration at sea. In this context, much is known about the behavior of VIV on rigid cylinders elastically supported, as well as on flexible cylinders with no curvature, both configurations counting with a large literature describing not only the dynamic behaviors, but also their relationships with hydrodynamics aspects. However, in the case of long flexible cylinders, there are still more points to be understand, particularly at those conditions closer to the offshore operations - with catenary lines under variable current profile. Under those considerations, a rotating-arm was designed and assembled in the model basin at Numerical Offshore Tank (TPN), Brazil, for model tests under non-uniform current profile, featuring itself as an unpublished research on this topic. Different catenary geometries were tested in the rotating-arm at USP and also in the towing tank at Institute for Technological Research of the State of Sao Paulo (IPT), Brazil, all of them being compared with a vertical flexible cylinder. From those conditions of test, data was analyzed according to a technique of modal decomposition, so the motion results from all the models allowed the identication and the description of a dynamic behavior quite similar in the catenary when compared to that from a vertical cylinder, which has brought great understanding about the VIV on flexible lines. As an contribution, this work has provided to the TPN\'s model basin an interesting device for a wide variety of researchs on fluid- structural interaction - the rotating-arm.

Para serem classificadas e aprovadas por uma sociedade classificadora, todas as estruturas offshore são submetidas a análises baseadas em regras padrão; os critérios de estabilidade utilizados são baseados no código IMO MODU (Internacional Maritime Organization Mobile Offshore Drilling Units), que referencia quase todos os tipos de unidades flutuantes, como de superfície, semi-submersíveis, e auto elevatórias, entretanto, encontram-se problemas ao tentar enquadrar alguns conceitos inovadores a um desses tipos, devido às grandes diferenças entre o existente e os novos projetos. A fim de prever o comportamento de uma estrutura flutuante, são necessárias análises de estabilidade que predigam o comportamento da plataforma em operação intacta, e eventualmente em caso de avarias. Com o propósito de superar dificuldades e encontrar os critérios apropriados, foi realizado. em conjunto pelo Departamento de Engenharia Naval e Oceânica da USP e Petrobras, esse estudo para gerar análises que cerceiem o comportamento desses novos tipos de plataforma e adéqüem as regras existentes aos novos conceitos para certificações futuras. Pode se observar que unidades do tipo FPSO são as mais comuns em campos de produção brasileiros por apresentarem grande área de convés, capacidade de armazenamento e serem unidades cuja operação é muito conhecida, além de terem baixos custos de construção, seja ela inteiramente construída ou apenas convertida. Entretanto, esse tipo de unidade apresenta movimentos não adequados para a utilização de Steel Catenary Risers (SCRs), inviabilizando sua utilização em águas ultra-profundas. Analisando as condições brasileiras, nota-se que ao considerar ondas, corrente e vento, as relações dimensionais de um FPSO não teriam a melhor proporcionalidade possível, principalmente devido às interferências hidrodinâmicas proporcionadas pelo swell. Isso impeliu o desenvolvimento de um novo conceito que atendesse melhor a função especifica da unidade, batizado monocoluna. Para esse conceito, foram gerados inúmeros cascos, porém apenas alguns deles foram escolhidos como ideais para serem submetidos a mais minuciosas análises, e nessa dissertação se discutem os critérios de estabilidade que devem ser aplicados a monocoluna. Todas as análises foram conduzidas considerando métodos numéricos e as dimensões finais foram aplicadas a ensaios em tanques de provas para que se comprovasse a eficiência dos sistemas criados. / To be classified and approved by a classification society, all offshore structures shall be submitted and analyzed according to standard rules. The stability criteria are based on the IMO MODU (International Maritime Organization Mobile Offshore Drilling Units) Code which has reference to almost all types of floating units such as surface, column-stabilized and self elevating. Although it refers to a wide range of naval systems, problems were found when dealing with new concepts due to differences between these concepts and those presented by the rules. In order to predict the behavior of a floating structure, it is necessary to perform stability analyses that foresee how the platform will respond when in operation either intact or eventually damaged. With that in mind, this study that would analyze and evaluate the existing rules came up along with the Department of Naval and Ocean Engineering of the University of São Paulo and Petrobras, this study intends to check the applicability of the existing rules and propose more adequate rules for the monocolumn. It is possible to observe that FPSO units are more common at the Brazilian oil fields due to the presence of great deck area and storage capacity, their operation is well known, they have low constructions costs either if they are built from scratch or converted. Even so, this type of unit presents inadequate responses to the use of Steel Catenary Risers (SCRs), what doesnt allow its use in ultra deep water. Analyzing the Brazilian weather and sea condition, specially focusing on waves, sea strings and wind, the FPSO dimensions are not the best, especially due to the swell hydrodynamic responses. That forced the development of a new concept that better fulfill the units specific function, named monocolumn. Lots of units were defined as valid, but only some with the best responses were chosen for deeper analysis, therefore this study discusses the stability criteria that shall apply to this concept. All the analyses were conduced considering numerical methods and among all the possibilities, final dimensions were generated and prototypes were built and tested in test tanks to prove their efficiency.

Este trabalho tem como objetivo central o desenvolvimento da infra-estrutura de sensoriamento e atuação para a avaliação de Sistemas de Posicionamento Dinâmico de modelos reduzidos de embarcações em tanques de provas. Ele descreve a concepção, o projeto, a implementação e os testes de um sistema sensor de posição e orientação do modelo, assim como o hardware dos propulsores utilizados como atuadores do modelo. O sistema sensor é baseado na emissão e recepção de sinais acústicos sincronizados de alta freqüência (ultra-som). Utiliza-se o Método Esférico 3-D como algoritmo de triangularização, obtendo-se a estimativa da posição por meio da minimização de uma medida quadrática do erro. Além disso, foi também aplicado o filtro estendido de Kalman como algoritmo de estimação. São apresentadas de forma clara e objetiva as dificuldades encontradas no decorrer do desenvolvimento do trabalho, bem como as soluções adotadas para contorná-las, analisando as influências das condições atmosféricas e do ambiente laboratorial no processo de medição, os resultados obtidos a partir dos ensaios, a robustez e o desempenho do sistema sensor. / The main objective of this work is the development of both sensing and actuation infra-structure for the performance evaluation of Dynamic Positioning Systems for reduced scale model of ships in towing tanks or offshore tanks. It describes the conception, design, implementation and tests of a range and orientation sensor system, as well as the hardware of the propellers used as the model actuators. The sensor system is based on the emission and reception of high frequency synchronized accoustic signals (ultra-sound). A 3-D spherical method based on the minimization of a quadratic measure of the error is used to estimate the position of the ship model. Furthermore the extended Kalman filter is also used. The difficulties found during the development of the project are presented as well as the solutions adopted to circumvent them. The experimental results obtained are discussed. In particular, the influence of both the local atmosphere and the lab environment on the performance of the sensor system are taken into account.

A investigacao experimental do fenomeno de vibracoes induzidas pela emissao de vortices (VIV) em modelos flexiveis longos lancados em catenaria e sujeitos a pers de correnteza variavel e ortogonais ao plano de lancamento e o tema principal desta tese de doutorado. O objetivo, neste trabalho, e identicar, descrever e discutir os comportamentos dinamicos do VIV nas catenarias sob correnteza variavel, comparando-os com aqueles exibidos por este fenomeno agindo em um cilindro flexivel vertical. Desta forma, tenciona-se contribuir para a compreensao mais geral do VIV nas linhas oceanicas utilizadas na exploracao de petroleo e gas no mar. Neste contexto, muito se sabe sobre o comportamento do VIV em cilindros rgidos montados em suportes elasticos, bem como em cilindros flexiveis nao curvados, ambos os arranjos com uma vasta literatura descrevendo nao so os comportamentos dinamicos, como tambem suas relacoes com os aspectos fluidos que lhe dao origem. Contudo, no caso dos cilindros flexiveis longos, ainda existem pontos que precisam de compreensao mais profunda, particularmente aqueles que representam condicoes mais proximas da operacao oceanica real - o lancamento em catenaria e a acao de um perfil variavel e ortogonal de correnteza. Para tanto, um dispositivo denominado braco giratorio foi projetado e construido para que experimentos com modelos de catenaria em correnteza variavel com a profundidade fossem conduzidos no tanque de provas fisico do laboratorio Tanque de Provas Numerico (TPN), caracterizando uma pesquisa inedita no tema. Como condicoes de ensaio foram consideradas diferentes configuracoes geometricas da catenaria, todas comparadas com um cilindro flexivel vertical ensaiado tanto no braco giratorio, como tambem em tanque de reboque. Tratados segundo uma tecnica de decomposicao modal, os resultados de deslocamento ao longo dos modelos nessas condicoes de ensaio permitiram a identicacao e a descricao de comportamentos dinamicos bastante parecidos nas catenarias, sempre comparados aqueles do modelo vertical, o que trouxe grande abrangencia a compreensao do VIV nas linhas flexiveis em geral. Como contribuicao adicional, este trabalho dotou o tanque de provas do TPN de um equipamento bastante interessante para ampla gama de investigacoes sobre as interacoes fluido-estruturais - o braco giratorio. / The experimental investigation of Vortex-Induced Vibrations (VIV) on long catenary models and subjected to non-uniform velocity profiles, orthogonal to the catenarys plane, it is the main subject of this doctoral thesis. As a main goal, this work search to identify, describe and discuss the dynamic behaviors of VIV on catenary lines under non-uniform velocity profiles, comparing the results with those coming from the same phenomenon acting on flexible cylinders in a vertical configuration. Thus, it is intended to help for a more general understanding of VIV in offshore lines used in the oil and gas exploration at sea. In this context, much is known about the behavior of VIV on rigid cylinders elastically supported, as well as on flexible cylinders with no curvature, both configurations counting with a large literature describing not only the dynamic behaviors, but also their relationships with hydrodynamics aspects. However, in the case of long flexible cylinders, there are still more points to be understand, particularly at those conditions closer to the offshore operations - with catenary lines under variable current profile. Under those considerations, a rotating-arm was designed and assembled in the model basin at Numerical Offshore Tank (TPN), Brazil, for model tests under non-uniform current profile, featuring itself as an unpublished research on this topic. Different catenary geometries were tested in the rotating-arm at USP and also in the towing tank at Institute for Technological Research of the State of Sao Paulo (IPT), Brazil, all of them being compared with a vertical flexible cylinder. From those conditions of test, data was analyzed according to a technique of modal decomposition, so the motion results from all the models allowed the identication and the description of a dynamic behavior quite similar in the catenary when compared to that from a vertical cylinder, which has brought great understanding about the VIV on flexible lines. As an contribution, this work has provided to the TPN\'s model basin an interesting device for a wide variety of researchs on fluid- structural interaction - the rotating-arm.

Para serem classificadas e aprovadas por uma sociedade classificadora, todas as estruturas offshore são submetidas a análises baseadas em regras padrão; os critérios de estabilidade utilizados são baseados no código IMO MODU (Internacional Maritime Organization Mobile Offshore Drilling Units), que referencia quase todos os tipos de unidades flutuantes, como de superfície, semi-submersíveis, e auto elevatórias, entretanto, encontram-se problemas ao tentar enquadrar alguns conceitos inovadores a um desses tipos, devido às grandes diferenças entre o existente e os novos projetos. A fim de prever o comportamento de uma estrutura flutuante, são necessárias análises de estabilidade que predigam o comportamento da plataforma em operação intacta, e eventualmente em caso de avarias. Com o propósito de superar dificuldades e encontrar os critérios apropriados, foi realizado. em conjunto pelo Departamento de Engenharia Naval e Oceânica da USP e Petrobras, esse estudo para gerar análises que cerceiem o comportamento desses novos tipos de plataforma e adéqüem as regras existentes aos novos conceitos para certificações futuras. Pode se observar que unidades do tipo FPSO são as mais comuns em campos de produção brasileiros por apresentarem grande área de convés, capacidade de armazenamento e serem unidades cuja operação é muito conhecida, além de terem baixos custos de construção, seja ela inteiramente construída ou apenas convertida. Entretanto, esse tipo de unidade apresenta movimentos não adequados para a utilização de Steel Catenary Risers (SCRs), inviabilizando sua utilização em águas ultra-profundas. Analisando as condições brasileiras, nota-se que ao considerar ondas, corrente e vento, as relações dimensionais de um FPSO não teriam a melhor proporcionalidade possível, principalmente devido às interferências hidrodinâmicas proporcionadas pelo swell. Isso impeliu o desenvolvimento de um novo conceito que atendesse melhor a função especifica da unidade, batizado monocoluna. Para esse conceito, foram gerados inúmeros cascos, porém apenas alguns deles foram escolhidos como ideais para serem submetidos a mais minuciosas análises, e nessa dissertação se discutem os critérios de estabilidade que devem ser aplicados a monocoluna. Todas as análises foram conduzidas considerando métodos numéricos e as dimensões finais foram aplicadas a ensaios em tanques de provas para que se comprovasse a eficiência dos sistemas criados. / To be classified and approved by a classification society, all offshore structures shall be submitted and analyzed according to standard rules. The stability criteria are based on the IMO MODU (International Maritime Organization Mobile Offshore Drilling Units) Code which has reference to almost all types of floating units such as surface, column-stabilized and self elevating. Although it refers to a wide range of naval systems, problems were found when dealing with new concepts due to differences between these concepts and those presented by the rules. In order to predict the behavior of a floating structure, it is necessary to perform stability analyses that foresee how the platform will respond when in operation either intact or eventually damaged. With that in mind, this study that would analyze and evaluate the existing rules came up along with the Department of Naval and Ocean Engineering of the University of São Paulo and Petrobras, this study intends to check the applicability of the existing rules and propose more adequate rules for the monocolumn. It is possible to observe that FPSO units are more common at the Brazilian oil fields due to the presence of great deck area and storage capacity, their operation is well known, they have low constructions costs either if they are built from scratch or converted. Even so, this type of unit presents inadequate responses to the use of Steel Catenary Risers (SCRs), what doesnt allow its use in ultra deep water. Analyzing the Brazilian weather and sea condition, specially focusing on waves, sea strings and wind, the FPSO dimensions are not the best, especially due to the swell hydrodynamic responses. That forced the development of a new concept that better fulfill the units specific function, named monocolumn. Lots of units were defined as valid, but only some with the best responses were chosen for deeper analysis, therefore this study discusses the stability criteria that shall apply to this concept. All the analyses were conduced considering numerical methods and among all the possibilities, final dimensions were generated and prototypes were built and tested in test tanks to prove their efficiency.

Este trabalho tem como objetivo central o desenvolvimento da infra-estrutura de sensoriamento e atuação para a avaliação de Sistemas de Posicionamento Dinâmico de modelos reduzidos de embarcações em tanques de provas. Ele descreve a concepção, o projeto, a implementação e os testes de um sistema sensor de posição e orientação do modelo, assim como o hardware dos propulsores utilizados como atuadores do modelo. O sistema sensor é baseado na emissão e recepção de sinais acústicos sincronizados de alta freqüência (ultra-som). Utiliza-se o Método Esférico 3-D como algoritmo de triangularização, obtendo-se a estimativa da posição por meio da minimização de uma medida quadrática do erro. Além disso, foi também aplicado o filtro estendido de Kalman como algoritmo de estimação. São apresentadas de forma clara e objetiva as dificuldades encontradas no decorrer do desenvolvimento do trabalho, bem como as soluções adotadas para contorná-las, analisando as influências das condições atmosféricas e do ambiente laboratorial no processo de medição, os resultados obtidos a partir dos ensaios, a robustez e o desempenho do sistema sensor. / The main objective of this work is the development of both sensing and actuation infra-structure for the performance evaluation of Dynamic Positioning Systems for reduced scale model of ships in towing tanks or offshore tanks. It describes the conception, design, implementation and tests of a range and orientation sensor system, as well as the hardware of the propellers used as the model actuators. The sensor system is based on the emission and reception of high frequency synchronized accoustic signals (ultra-sound). A 3-D spherical method based on the minimization of a quadratic measure of the error is used to estimate the position of the ship model. Furthermore the extended Kalman filter is also used. The difficulties found during the development of the project are presented as well as the solutions adopted to circumvent them. The experimental results obtained are discussed. In particular, the influence of both the local atmosphere and the lab environment on the performance of the sensor system are taken into account.

O aumento na complexidade das operações de sistemas de produção de petróleo e gás no mar e um fato concreto. Atualmente, a necessidade de avaliar o comportamento no mar destes sistemas requer a compreensão de fenômenos, até então, pouco explorados e que tornam imprescindível uma investigação apoiada em experimentos com modelos reduzidos. Resultados obtidos em tanques de provas, por sua vez, requerem metodologias que contam com a experiência do pesquisador e que, em muitos casos, não são encontradas de maneira detalhada o suficiente na literatura. Ou seja, muitas destas metodologias normalmente são encontradas, no entanto, não em nível para que pesquisadores iniciantes desenvolvam atividades experimentais minimamente pertinentes as eventuais tomadas de decisão ou confrontação com outras linhas de abordagem como a analítica e/ou a numérica. Portanto, e exatamente neste contexto que se insere a presente dissertação de mestrado, buscando descrever em detalhes a teoria e prática envolvida nos procedimentos experimentais para o estudo de comportamento no mar típico de uma plataforma padrão, perfeitamente adaptáveis a outras geometrias mais complexas de sistemas navais e oceânicos. Esses procedimentos envolvem desde o planejamento dos ensaios necessários, passando pelos cuidados durante sua execução, culminando nos métodos de análise dos resultados e formas usuais de documentação. Para facilitar o processo de compreensão, além do próprio texto, este trabalho também contemplou a construção de uma ferramenta matemática dedicada a condução das atividades acima, destacando-se a avaliação e obtenção de parâmetros a partir de ensaios de decaimento e o levantamento expedito das curvas de resposta em ondas regulares, transientes e irregulares. / The increasing complexity of o shore system operations for oil and gas production is a reality. Currently, the need to evaluate the seakeeping of these systems requires understanding some phenomena not yet explored and, for that reason, researches using experiments with small scale models become indispensable. Results obtained in model basins require methodologies that rely on the researchers experience and, most of the time, they are not found detailed enough in the literature. When many of these methodologies are usually found, however, they are not ready for beginner researchers to develop experimental activities minimally relevant to any decision and/or confrontation with other lines, such as the analytical and/or numerical approaches. Therefore, the context of this dissertation describes in detail the theory and involved practice in an experimental procedure for the study of seakeeping of a standard platform, perfectly adaptable to other complex geometries and naval systems. These procedures involve the planning of the necessary tests, through the care during their execution, culminating in the methods of result analyses and usual forms of documentation. In order to facilitate the process of understanding, the construction of a dedicated mathematical tool to conduct the activities described above is provided, emphasizing the assessment and quick obtaining parameters from decay tests, curves response in regular and transient waves, among many others.

O estudo do fenômeno de vibrações induzidas pela emissão de vórtices, ou VIV, em risers é um tópico de grande relevância para a engenharia oceânica. Nos últimos anos, diversos resultados vêm sendo apresentados, numéricos e/ou experimentais, buscando o entendimento dos fundamentos deste fenômeno de interação fluido-estrutural, no entanto, sem um entendimento conclusivo e abrangente. Neste contexto, risers também estão sujeitos à ação de correntezas oceânicas e, consequentemente, ao fenômeno de VIV. Neste sentido, o presente estudo traz resultados de uma abordagem experimental para o entendimento do fenômeno de VIV em risers lançados em catenária, configuração que representa grande parte das geometrias adotadas em lançamentos atuais. No entanto, a realização de experimentos com risers em tanque de provas pressupõe a utilização de modelos reduzidos, o que, por si só, representa um grande desafio de pesquisa. Para tanto, desenvolveu-se uma metodologia para a modelagem de risers em escala reduzida, com foco na similaridade entre parâmetros importantes que garantam um comportamento dinâmico equivalente àquele em escala real. Foram, então, realizados experimentos de VIV com catenárias concebidas e construídas com base nesta metodologia, posteriormente ensaiadas em tanque de reboque. Para análise dos resultados, foram utilizadas técnicas como a decomposição modal, que possibilitou a comparação desses com alguns resultados da literatura, mostrando que o fenômeno de VIV na catenária se processa de maneira bastante semelhante ao identificado nos cilindros flexíveis. Além disso, a extensa base de dados experimentais apresentada e discutida nesta tese contribui para futura validação de diversos modelos matemáticos e códigos numéricos de predição do VIV em catenárias, descrevendo com detalhes inúmeros comportamentos imersos neste problema importante de engenharia. / The study of Vortex-induced vibrations in risers is a topic of great relevance in the context of ocean engineering. In recent years, several numerical and experimental results have been presented, addressing the understanding of the fundamentals of this fluid-structure interaction phenomenon, however without a conclusive and comprehensive understanding. In this context, risers are exposed to the action of ocean currents and consequently to the phenomenon of VIV. In this sense, the present study provides results of an experimental approach to understanding the VIV phenomenon on risers launched in catenary configuration, which represents much of the geometries adopted today. However, performing risers experiments in towing-tanks presupposes the use of small-scale models, which represents a major research challenge. Therefore, a methodology for modeling reduced scale risers was developed. The focus of this methodology was on the similarity between certain important parameters that guarantee an equivalent full-scale dynamic behavior. VIV experiments were then performed in the towing tank, with the designed and constructed catenary, based on this methodology. Techniques such as modal decomposition were used for the analysis of the results. This allows the comparison of the results with classical literature paradigms showing that VIV response in the catenary is close to results obtained with flexible cylinders. Furthermore, the large experimental database presented and discussed in the study may contribute to future validation of several mathematical models and numerical codes of VIV prediction in catenary risers, describing in detail several immersed behaviors in this important engineering problem.