Um tanque de provas do tipo reboque permite a realização de ensaios hidrodinâmicos com modelos em escala, sua presença é importante devido à possibilidade de obter características hidrodinâmicas que dimensionam a potência e qualidade do comportamento dos navios durante a sua operação, otimizando os projetos de forma particular ou geral, tanto para a navegação marítima, lacustre ou fluvial. O objetivo principal desta pesquisa é estudar e propor uma metodologia para o dimensionamento e concepção de um tanque de reboque para o Serviço Industrial da Marinha (SIMA PERU), principal estaleiro do Peru, de maneira que possa realizar os ensaios hidrodinâmicos correspondentes aos diferentes tipos de embarcações produzidas pelo SIMA PERU. Como propósito de estudo será desenvolvido uma análise de um tanque de reboque que permitirá ensaiar modelos de diferentes tipos de embarcações, levando em consideração as diferentes condições ambientais e climáticas relacionadas ao litoral peruano em toda sua extensão, isto é, uma condição marítima equivalente a uma escala Beaufort 5. Estas são as condições que foram requeridas para atuar na costa peruana. Será proposto um tanque de reboque com características próprias, baseado no razoável dimensionamento dos modelos reduzidos e nas necessidades e requerimentos de ensaio de acordo às recomendações apresentadas pela Conferência Internacional de Tanques de Reboque (International Towing Tank Conference- ITTC). / A towing tank allows hydrodynamic testing with scale models, their presence is important because allows to obtain hydrodynamics characteristics that they measure the power and quality of behavior during the operation, optimizing the designs in general or particular form of vessels for sea, lake or river. The main objective of this research is to study and propose a method for sizing and development of a towing tank for the Naval Industrial Service; SIMA - PERU, main shipyard from Peru, so it carry out hydrodynamics tests corresponding to different types of vessels produced by SIMA - PERU. The purpose of study will be developed analysis of a towing tank that will test models of different types of vessels, taking into account the different environmental and climatic conditions related to the Peruvian coast, in other words, sea conditions equivalent to a Beaufort \"5\". These are the conditions that were required to act on the Peruvian coast. Will be offered a towing tank with its own characteristics, needs and requirements based on the consistent sizing of reduced models and according to the recommendations made by the International Towing Tank Conference - ITTC.

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

Um tanque de provas do tipo reboque permite a realização de ensaios hidrodinâmicos com modelos em escala, sua presença é importante devido à possibilidade de obter características hidrodinâmicas que dimensionam a potência e qualidade do comportamento dos navios durante a sua operação, otimizando os projetos de forma particular ou geral, tanto para a navegação marítima, lacustre ou fluvial. O objetivo principal desta pesquisa é estudar e propor uma metodologia para o dimensionamento e concepção de um tanque de reboque para o Serviço Industrial da Marinha (SIMA PERU), principal estaleiro do Peru, de maneira que possa realizar os ensaios hidrodinâmicos correspondentes aos diferentes tipos de embarcações produzidas pelo SIMA PERU. Como propósito de estudo será desenvolvido uma análise de um tanque de reboque que permitirá ensaiar modelos de diferentes tipos de embarcações, levando em consideração as diferentes condições ambientais e climáticas relacionadas ao litoral peruano em toda sua extensão, isto é, uma condição marítima equivalente a uma escala Beaufort 5. Estas são as condições que foram requeridas para atuar na costa peruana. Será proposto um tanque de reboque com características próprias, baseado no razoável dimensionamento dos modelos reduzidos e nas necessidades e requerimentos de ensaio de acordo às recomendações apresentadas pela Conferência Internacional de Tanques de Reboque (International Towing Tank Conference- ITTC). / A towing tank allows hydrodynamic testing with scale models, their presence is important because allows to obtain hydrodynamics characteristics that they measure the power and quality of behavior during the operation, optimizing the designs in general or particular form of vessels for sea, lake or river. The main objective of this research is to study and propose a method for sizing and development of a towing tank for the Naval Industrial Service; SIMA - PERU, main shipyard from Peru, so it carry out hydrodynamics tests corresponding to different types of vessels produced by SIMA - PERU. The purpose of study will be developed analysis of a towing tank that will test models of different types of vessels, taking into account the different environmental and climatic conditions related to the Peruvian coast, in other words, sea conditions equivalent to a Beaufort \"5\". These are the conditions that were required to act on the Peruvian coast. Will be offered a towing tank with its own characteristics, needs and requirements based on the consistent sizing of reduced models and according to the recommendations made by the International Towing Tank Conference - ITTC.

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.

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

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.