Risers são elementos que fazem a conexão física entre a plataforma e o poço. Eles são fundamentais na explotação de petróleo no mar. O projeto destes elementos é, cada vez mais, uma tarefa desafiadora, devido ao aumento da profundidade de explotação, que pode tornar inviável a utilização de uma configuração mais tradicional, como a catenária. Para viabilizar a explotação através de risers, surgem outras configurações, entre elas a lazy-wave, que foi estudada neste texto. Um riser deve atender a critérios de engenharia quando submetido a diversas condições ambientais. Cada uma destas condições é simulada numericamente o que, devido à complexidade do problema, demanda um grande tempo computacional. Considerando-se que, dado um campo, existe um grande número de possibilidades de configurações de risers, o tempo necessário para uma busca exaustiva pela melhor configuração é grande demais, tornando o resultado do projeto altamente dependente da experiência do projetista. Neste trabalho foi proposta uma abordagem diferente, atacando o problema por três frentes: o uso de técnicas de otimização para tomada de decisão sobre as configurações a serem simuladas, com o objetivo de diminuir o número de simulações necessárias, a realização das simulações através de modelos capazes de diminuir o tempo de simulação de cada condição ambiental, e o uso de computação paralela, por meio da qual o trabalho computacional é dividido entre vários núcleos, permitindo maior rapidez na obtenção dos resultados. Para aplicar as técnicas de otimização, foi necessário transformar o projeto de um riser em um problema de otimização, definindo variáveis de projeto, restrições e função objetivo. Em seguida estudaram-se os métodos de otimização aplicáveis ao problema e estes foram implementados em uma ferramenta computacional. Os modelos utilizados para realização das análises dinâmica e estática foram trabalhados tanto para generalização quanto para aumento de robustez e de confiabilidade. A ferramenta desenvolvida foi aplicada a um caso real e os resultados apresentados, através dos quais foi estudada a influência das condições ambientais (movimentos do topo, correntezas e offsets) utilizadas. Dois algoritmos heurísticos e quatro de programação matemática foram também comparados, os primeiros tanto em sua versão serial quanto na paralela. Comparações entre diferentes funções objetivo foram feitas, tendo o melhor resultado sido obtido minimizando a máxima amplitude de tensão dinâmica. Através da minimização desta função, a resposta dinâmica do riser é aprimorada, tendo sido obtidos resultados que mostram que é possível conseguir em pouco tempo e de maneira automática uma configuração que satisfaz os critérios de engenharia aplicáveis a este tipo de projeto e que é a melhor de acordo com uma medida objetiva de eficiência. / Risers are elements that physically connect the platform to the well. They are fundamental elements in sea oil exploitation. Their project is a challenging task, due to the continuous increase in exploitation depth, which can turn infeasible the use of more traditional configurations, such as the free-hanging. To make the exploitation feasible, other configurations are possible, among them the lazy-wave, which was studied in this text. A riser must fulfill engineering criteria under several environmental conditions. Each of these environmental conditions is numerically simulated and, due to the complexity of the problem, the required computational time is high. If one considers that, in a given field, a great number of riser possibilities exists, the time required for a comprehensive search for the best configuration is too large, making the project outcome highly dependent on the designers experience. In this work a different approach was proposed, in three fronts: the use of an optimization technique to decide which configurations will be simulated; in order to reduce the number of necessary simulations, the execution of the simulations using models which are capable of reducing simulation time for each environmental condition; and the use of parallel computing, through which the computational burden is divided among several cores, leading to a faster solution. In order to apply an optimization technique, it was necessary to transform a riser design into an optimization problem, defining design variables, restrictions and objective function. Then, applicable optimization methods were studied and implemented in a computational tool. The models used for the execution of the dynamic and static analyses were generalized and tweaked, so that a better reliability and robustness could be achieved. The developed tool was applied to a real case and the results presented, through which were studied the influence of environmental conditions (top movements, currents and offsets). Two heuristic and four mathematical programming optimization algorithms were also compared, the first both in serial and parallel versions. Comparisons among different objective functions were made, with the best result being obtained by minimizing the maximum dynamic stress amplitude. Through the minimization of this function, the dynamic response of the riser is improved, with results which show that it is possible to obtain in a short time and in an automated way a configuration that fulfills the applicable engineering criteria and that is the best, according to an objective performance measure.

Risers em configuração de catenária podem apresentar nível de tração muito baixo próximos ao fundo do mar. Isso pode ocorrer em algumas condições de lançamento, em que sua estrutura pode se configurar de forma quase vertical. Quando se trata de tubos flexíveis ou cabos umbilicais, a composição interna do riser contém armaduras helicoidais de tração. Essas podem induzir a ocorrência de giro axial quando o tubo é solicitado à tração. Se esse movimento não for permitido, surgirá um momento de torção na estrutura. O baixo nível de tração da configuração de catenária combinado com o momento de torção surgido durante o lançamento do riser pode levar a uma forma de instabilidade estrutural que culmina na formação de um laço. Isso é indesejável uma vez que, se existe o laço, dependendo dos esforços submetidos à linha, é possível que o laço se transforme em uma dobra, danificando a estrutura. O presente trabalho analisa as condições de formação de laços em configurações de catenária. Para isso, foram utilizados critérios de estabilidade aplicados a um modelo de elementos finitos, que leva em conta as não linearidades geométrica e de contato entre o riser e o solo. Foi utilizada uma formulação cinematicamente exata de elemento de viga através de uma descrição lagrangiana atualizada, que pode tratar de forma correta as grandes rotações que são impostas ao riser para induzir o surgimento do momento de torção. É mostrado que uma expressão analítica baseada na Fórmula de Greenhill pode prever o fenômeno com boa concordância com os resultados numéricos, mesmo considerando-se fenômenos como contato unilateral com atrito e correntezas marítimas. Além disso, foi feita uma análise paramétrica para prever a formação do laço para diversas geometrias de catenária, procurando generalizar as conclusões obtidas. / Catenary risers can show a very low tension level close to the seabed. This can occur in some launching conditions, in which the structure can be almost vertical. When dealing with flexible pipes or umbilical cables, their internal composition includes the helical tension armors. These can induce an axial rotation to the riser when it is tensioned. If this movement is constrained, a torsion moment will act upon the structure. The low tension level present in the catenary configuration combined with the torsion moment that occurs during the riser launching can lead to a structural instability, resulting in a loop formation. This is undesirable since, if the loop is present, depending on the loads applied to the riser it is possible that it turns into a kink, causing damage. The present work analyzes the loop formation conditions in catenary riser. For that, stability criteria were applied to a finite element model that takes into account the geometric nonlinearities and also the contact between the riser and the seabed. A kinematically-exact beam formulation was adopted, dealing correctly with the large rotations that are imposed to the riser, in order to induce the torsion moment. It is showed that an analytical expression based on Greenhills formula can predict the phenomenon with a good agreement with numerical results, even including phenomena as frictional unilateral contact and sea currents. Furthermore, a parametric analysis was done to predict the loop formation to some catenary geometries, in order to generalize the obtained conclusions.

Flexible pipes are used in the offshore oil production to transport fluid and gas from the sea bead to the floating stations, and vice versa. These pipes have several concentric layers, of different materials, geometries and structural functions, since they are exposed to adverse operating environments, subjected to high internal and external pressures, high axial stresses and a series of dynamic loads. The local analysis is an important stage of a flexible pipe design and it consists on determining the stresses and strains distributions along the layers of the pipe. Multipurpose finite element packages are commonly used in the local analysis of flexible pipes, but they possess many limitations due to its generic nature, varying from the absence of specific tools for model creation to heavy restrictions of the number of degrees-of-freedom to make computational processing feasible. At the Polytechnic School of the University of São Paulo, within a research line in progress, several finite macroelements were formulated specifically for structural analysis of flexible pipes, taking into account their particularities, such as geometric patterns and layers assemblage. However, the numerical tools that implement these elements present very high memory and processing consumptions, limiting its usage for large-scale models. Therefore, this work has been motivated by memory and processing limitations of finite element structural analysis of flexible pipes for offshore applications. In this context, the Element-by-Element method, which does not require the global stiffness matrix, was chosen for its potential in memory reduction and processing capabilities, given its scalability and ease of parallelization. After an extensive literature review on numerical methods regarding the EBE method, it was chosen the Element-by-Element Diagonal Preconditioned Conjugate Gradient Method (EBE-PCG) algorithm. Aiming higher computational performance, the finite macroelements formulated by (PROVASI, 2013) were converted to the C++ language, implemented and parallelized in a new analysis tool, named as PipeFEM. The diagonal preconditioned EBE-PCG algorithm was implemented and parallelized with OpenMP. The scalability of the PCG algorithm is directly influenced by the efficiency of the matrix-vector product, an operation that, in the element-by-element method, is computed in a local basis with the blocks that comprise the model, and that requires synchronization techniques when performed in parallel. Four different synchronization strategies were developed, being the one based on geometric- and mesh- based mappings the most efficient of them. Numerical experiments showed a reduction of almost 92% in the EBE-PCG solution time of the parallelized version in comparison to the sequential one. In order to compare the efficiency of PipeFEM with the well-established finite element package ANSYS, a simplified flexible pipe was modeled in both software. PipeFEM was approximately 82 times faster than ANSYS to solve the problem, spending 24.27 seconds against 33 minutes and 18 seconds. In addition to this, PipeFEM required much less memory, 61.8MB against 6.8GB in ANSYS. In comparison to the dense version of MacroFEM, a reduction of more than three orders of magnitude was achieved in memory consumption. Despite the low the rate of convergence presented by the diagonal preconditioner, the implementation is very efficient in computational terms. Therefore, the objectives of this work were fulfilled with the development and application of the EBE method, allowing a reduction of memory and simulation costs. / Tubos flexíveis são utilizados na produção offshore de petróleo para o transporte de fluidos e gás natural das estruturas submersas até as estações flutuantes, e vice-versa. Estes tubos possuem diversas camadas concêntricas, de diferentes materiais, geometrias e funções estruturais, pois são expostos a ambientes adversos de operação, nos quais são submetidos à elevadas pressões internas e externas, elevados carregamentos e tensões axiais, além de uma série de carregamentos dinâmicos. A análise local é uma etapa importante do dimensionamento de um tubo flexível e consiste em determinar as distribuições de tensões e deformações ao longo das camadas do tubo. Pacotes multiuso de elementos finitos são comumente utilizados na análise local de tubos flexíveis, mas, devido as suas naturezas genéricas, possuem limitações que variam desde a ausência de ferramentas específicas para a criação de modelos até restrições pesadas no número total de graus de liberdade para tornar exequível o processo computacional. Na Escola Politécnica da Universidade de São Paulo, dentro de uma linha de pesquisa em andamento, diversos macroelementos finitos foram formulados especificamente para a análise estrutural de tubos flexíveis, levando em consideração as suas particularidades, como por exemplo padrões de geometrias e de montagem de camadas. Entretanto, a ferramenta numérica que implementa esses elementos apresenta elevado consumo de memória e de processamento, o que limita o seu uso para modelos de grande escala. Portanto, este trabalho foi motivado por limitações de memória e processamento em análises estruturais com o método dos elementos finitos para tubos flexíveis de aplicações offshore. Neste contexto, o método elemento-a-elemento, caracterizado pela eliminação da matriz global de rigidez, foi escolhido devido ao seu potencial de redução de consumo de memória e às suas capacidades de processamento, dada a sua escalabilidade e facilidade de paralelização. Após uma extensa revisão bibliográfica em métodos numéricos a respeito do método EBE, foi escolhido a versão diagonalmente precondicionada do método do gradiente conjugado (EBE-PCG). Com o intuito de se obter maior performance computacional, os macroelementos finitos formulados por (PROVASI, 2013) foram convertidos para a linguagem C++, paralelizados e implementado em uma nova ferramenta de análise chamada de PipeFEM, totalmente escrita em C++ e que explora paralelismo em todos as etapas. O algoritmo EBE-PCG foi implementado e paralelizado com OpenMP. A escalabilidade do algoritmo PCG é diretamente influenciada pela eficiência do produto entre matriz e vetor, uma operação que no método elemento-a-elemento é calculada na base local com os blocos que compõem o modelo, o que requer técnicas de sincronização quando realizada de modo paralelo. Quatro diferentes estratégias de sincronização foram desenvolvidas, sendo a mais eficiente delas a que utilizada mapeamentos baseados em características da geometria e malha. Experimentos numéricos mostraram uma redução de quase 92% no tempo de simulação do algoritmo PCG da versão paralelizada em relação à sequencial. De modo a comparar a eficiência do PipeFEM com o pacote bem estabelecido de elementos finitos, ANSYS, um tubo simplificado foi modelado em ambos os programas. PipeFEM foi aproximadamente 82 vezes mais rápido do que o ANSYS, gastando 24.27 segundos contra 33 minutos e 18 segundos. Além disso, PipeFEM consumiu muito menos memória, 61.8MB contra 6.8GB in ANSYS. Em comparação com a versão densa do MacroFEM, uma redução superior a três ordens de grandeza no consum e de memória foi obtida. Assim, apesar da baixa taxa de convergência apresentada pelo precondicionador diagonal, a implementação está muito eficiente em termos computacionais. Portanto, os objetivos deste trabalho foram alcançados com o desenvolvimento e aplicação do método EBE, o que permitiu uma redução considerável dos custos de simulação e memória.

Oil and gas exploitation in deep waters has become more than just a profit business to be a daily necessity, since the world energy matrix is based on fossil components. Risers are offshore structures that are intimately linked with oil and gas exploitation and those are subjected to a great variety of effects in field, e.g., marine currents, Vortex Induced Vibration (VIV), heave motion caused by gravitational waves, non-linear contact with the sea floor, and many others. Riser dynamics is essentially non-linear and experimental tests in real scale are almost impossible due to a great variety of control parameters acting concomitantly. Small-scale models are a better experimental approach. Nevertheless, there are many structural and hydrodynamical parameters to be evaluated. Considering only vertical risers in the present work, Galerkin\'s modal decomposition is used in order to reduce the dynamics of a vertical flexible cylinder to a few linear modes in which the majority of energy and information are contained. From the modal analysis, added mass and structural parameters damping of a vertical flexible cylinder using data obtained from free-decay tests performed both in water and in air are evaluated. Finally, a modal Mathieu-Hill oscillator with non-linear damping is constructed and, based on aStrutt diagram, modal stability under parametric resonance is discussed. / Exploração de óleo e gás em bacias de águas profundas tem-se tornado mais do que apenas uma economia lucrativa, para ser uma necessidade diária, já que a matriz energética mundial está baseada em componentes fósseis. Risers são estruturas offshore ligadas intimamente com a exploração de óleo e gás e essas estão sujeitas a uma grande variedade de efeitos na operação, e.g., correntes marítimas, Vibrações Induzidas por Vórtices (VIV), movimento de heave causado por ondas gravitacionais, contato não-linear com o solo marinho, entre outros. Dinâmica de risers é essencialmente não-linear e testes experimentais em escala real são praticamente impossíveis devido a uma enorme variedade de parâmetros de controle agindo concomitantemente. Modelos em escala reduzida são uma abordagem experimental mais conveniente. Não obstante, há muitos parâmetros estruturais e hidrodinâmicos a serem determinados. Considerando apenas risers verticais no trabalho presente, a decomposição modal de Galerkin é usada a fim de reduzir a dinâmica de um cilindro fléxivel vertical a alguns modos lineares em que a maior parte da energia e informação estão contidos. A partir da análise modal, parâmetros de massa adicional e amortecimento estrutural de um cilindro flexível vertical são obtidos usando testes de decaimento livre conduzidos na água e no ar. Finalmente, um oscilador modal de Mathieu-Hill com amortecimento não-linear é proposto e, baseado em um diagrama de Strutt, a estabilidade modal sob excitação de ressonânica paramétrica é discutida.

Tubos flexíveis são amplamente utilizados na indústria offshore. Essas estruturas são empregadas no transporte de fluidos, na exploração de petróleo em águas profundas. Suas diversas camadas conferem propriedades, como a resistência mecânica e a impermeabilidade, que são importantes em ambientes de condições adversas. A instalação é uma etapa crítica da vida útil dos tubos flexíveis, visto que os carregamentos de lançamento podem danificar a estrutura dos mesmos. As cargas predominantes durante essa etapa são o peso próprio da linha, os esforços de compressão radial que são impostos ao tubo pelas sapatas dos tensionadores e a pressão de estrangulamento aplicada ao tubo pelas armaduras de tração. A magnitude dessas cargas está diretamente associada à profundidade de lançamento. O presente trabalho tem como objetivo a análise qualitativa dos principais parâmetros responsáveis pela falha dos tubos flexíveis quando submetidos aos carregamentos de lançamento. O comportamento do tubo é investigado em função da variação das cargas de esmagamento (crushing) e de estrangulamento (squeezing) com a profundidade de lançamento da linha. Esse estudo é conduzido através da proposição de modelos numéricos baseados no método dos Elementos Finitos. Aspectos importantes de modelagem como a representação do perfil real das camadas metálicas e das sapatas e a avaliação dos contatos entre as camadas são considerados nos modelos propostos. Os parâmetros de investigação são: a quantidade de sapatas e seu ângulo de abertura; a adição da capa polimérica externa e o estudo de seu contato com as sapatas; a rigidez das sapatas; e a profundidade de falha do tubo com atuação simultânea dos carregamentos de esmagamento e estrangulamento. A avaliação da influência desses parâmetros na falha do tubo flexível durante o lançamento é o escopo deste trabalho. Essa análise ainda proporcionou a determinação das regiões de escoamento das camadas metálicas considerando cada uma das variáveis avaliadas. Através deste trabalho, foi possível perceber que todos os parâmetros investigados têm influência na falha do tubo flexível. Alguns, no entanto, como o tipo de contato entre a camada polimérica externa e as sapatas, e a atuação do carregamento de estrangulamento no tubo não atuam de maneira significativa na falha. Assim, foi eleita uma configuração de lançamento a favor da segurança para o tubo investigado com base nos parâmetros estudados. / Flexible pipes are widely used in the offshore industry. These structures are employed in the transportation of fluids in deep-water oil exploitation. Its several layers provide different properties as mechanical strength and tightness that are important for operation in harsh environment condition. The installation procedure is critical in the life cycle of flexible pipes since the installation loads can damage the pipe structure. The prevailing loads during this step are the pipe weight, radial compressive forces applied to the pipe by the shoes of the tensioners, and the squeezing loads applied to the pipe by the tensile armors. The extent of these loads is directly linked with the launching depth. The main goal of this dissertation is the qualitative analysis of the main parameters that leads the pipe to failure by the installation loads. The behavior of the pipe is investigated considering the change in crushing and squeezing loads with the launching depth. This analysis is done through numerical models based on the Finite Element Method. Important modeling assumptions such as the representation of the actual profile of the layers and shoes and contact-pair between the layers are features taken in account into the models presented. The parameters investigated are: the number of shoes and their opening angle; the addition of the external polymeric sheath, and the study of their contact with the shoes; the stiffness of the shoes; and the depth by which the failure of the tube occurs when the crushing and squeezing loads are applied. The scope of this work is the evaluation of these parameters in the tube failure during installation. This analysis also provided to determine the regions of layers yielding considering one of the variables. Through this work, it was noticed that all parameters investigated contribute to the tube failure. However, some of them such as the contact between the external polymeric sheath and shoes, and the squeezing load do affect significantly to failure. Therefore, a launching configuration was chosen respecting the safety of the pipe, and based on the parameters investigated.

O problema das vibrações induzidas por vórtices em cilindros flexíveis inclinados em relação ao perfil de correnteza incidente é estudado através de uma abordagem experimental. Este tema se mostra de grande importância e aplicação na Engenharia Naval e Oceânica uma vez que são diversas as estruturas que se encaixam nesta descrição, como são o casos dos risers e linhas de amarração. Apesar de extensa, a literatura técnica especializada no assunto é focada em simplificações, tais como os estudos de cilindros rígidos fixos, cilindros rígidos montados em base elástica e cilindros flexíveis verticais ou lançados em catenária livre. A questão da inclinação é abordada em termos do Principio da Independência que diz que as forças e a frequência de emissão de vórtices em um cilindro inclinado são iguais as de um cilindro vertical se considerada apenas a parcela da correnteza normal à direção de inclinação. Estudos anteriores mostraram que este princípio é válido somente em algumas condições específicas e poucos deles apresentam resultados para cilindros flexíveis. Com base nisso, um ensaio em escala reduzida em tanque de reboque foi realizado com um modelo de linha composto por um tubo de silicone preenchido com microesferas de aço e condições de contorno articuladas em suas extremidades, o que conferiu características inerciais e geométricas ideais para a obtenção do fenômeno. Além da configuração vertical (? = 0°), que é o caso de referência, o modelo foi estudado em outras quatro inclinações com a vertical: ? = 10°, 20°, 30° e 45°. Estas inclinações foram ensaiadas para cinco diferentes azimute: ? = 0°, 45°, 90°, 135° e 180°, resultando em vinte e uma configurações de inclinação. Os resultados são analisados em termos da decomposição modal da vibração da linha, ou seja, são apresentadas amplitudes e frequências de oscilação ocorridas em cada um dos modos de vibrar. Além disso são realizadas análises espectrais, gráficos de evolução espaço-temporal, trajetórias de pontos ao longo do modelo flexível, entre outros. Frequências naturais, coeficientes de amortecimento e trações no topo são apresentados, complementarmente, como resultados de caracterização do modelo. Os estudos apontaram para uma validade do PI com algumas ressalvas, principalmente influenciadas pela diferença nas frequências do primeiro e segundo modo que é crescente com o aumento da inclinação. Além disso conclusões importantes sobre a coexistência modal, em regiões de ressonância e/ou de transição da dominância modal, foram obtidas. / The vortex-induced vibration problem in flexible cylinders yawed in relation to the incident current profile is studied through an experimental approach. This topic has great importance and application on Naval and Oceanic Engineering once there are multiple structures that fit into this description, such as risers and mooring lines. Though extensive, technical literature specialized on this topic is focused on simplifications such as the study of fixed rigid cylinders, elastic base rigid cylinders and flexible cylinders assembled vertically or launched in free hanging catenary. The inclination issue is addressed in the terms of the Principle of Independence which states that the forces and frequency shedding in an inclined cylinder are equal to those of a vertical cylinder if only considered the current component normal to the inclination plane. Previous studies showed that this principle is valid only on some specific conditions and few of them showed results to flexible systems. Based on this, a scaled tow tank test was performed with a line model composed of a silicone tube filled with steel microspheres and articulated end conditions, which offered the ideal inertial and geometrical conditions to obtaining the phenomenon. Besides the vertical configuration (? = 0°), which is the reference case, the model was studied in other four inclinations with the vertical: ? = 10°,20°, 30° and 45°. These inclinations were tested for five different azimuth directions: ? = 0°, 45°, 90°, 135° and 180°, resulting in 21 configurations. The results are analyzed on terms of the modal decomposition of the line motions, that is, amplitudes and oscillation frequencies are presented for each one of the vibration modes. Furthermore other analyzes are made, as spectral graphs, spatio-temporal evolution graphs, line points trajectories, among others. Natural frequencies, damping coefficients and tensions at the top are presented, complementarly, as results of the model characterization. The studies pointed to a validity of the IP with some reservations, mainly influenced by the difference in of the first and second mode frequencies that is increasing with the yaw increase. In addition, important conclusions about modal coexistence in regions of resonance and / or transition of modal dominance were obtained.

A armadura de tração de dutos flexíveis é a camada responsável por suportar as cargas axiais destes equipamentos em campo. Com a tendência de aumento das profundidades de exploração e produção de petróleo offshore, principalmente dos campos do pré-sal brasileiro, faz-se necessário o uso de materiais com desempenho superior. Este trabalho buscou avaliar e comparar dois aços de alta resistência mecânica para tal aplicação, um predominantemente perlítico e outro martensítico. Durante a vida em serviço destes componentes, eles sofrem tensões axiais cíclicas associadas ao processo de corrosão, que gera pites como concentradores de tensões. Considerando estes aspectos, os materiais foram avaliados segundo seu comportamento à fadiga sem e com a presença de um pequeno defeito conhecido, que atua como um entalhe e busca simular um pite de corrosão. Além disso, esses materiais foram caracterizados metalúrgica e mecanicamente e sua tenacidade à fratura foi estimada via o método do CTOD. A partir dos dados experimentais, foi quantificada a sensibilidade ao entalhe, guiada essencialmente pelo processo de iniciação de trinca, ao passo que a tenacidade à fratura não foi decisiva. O material martensítico apresentou desempenho superior em fadiga e menor sensibilidade ao entalhe e mostrou-se promissor para a aplicação como arame da armadura de tração. / The tensile armor of flexible pipes is the layer responsible for support axial loads of this equipment in field. With the trend of deep increase in offshore oil exploration and production, mainly in pre-salt fields, the use of materials with high performance becomes necessary. The aim of this dissertation is evaluate and compare two high strength steels for such application, one with perlite and other with martensitic matrix. During service life of these components, they are damaged by cyclic loading associated with corrosion process which promote corrosion pits like stress concentrators. Considering these aspects, the materials were evaluated according their fatigue behavior with and without a small defect that act as a notch and simulates a corrosion pit. In addition, they were characterized metallurgical and mechanically and their fracture toughness was estimated through CTOD test. From experimental data, notch sensitivity was quantified. This was driven by initiation process, and fracture toughness was not decisive. The martensitic material showed higher fatigue performance and lower notch sensitivity and presented itself promising for tensile armor wire application.

Nos projetos hidráulicos de irrigação são contabilizadas as perdas de carga totais, que seriam as perdas contínuas ou principais e as localizadas, objetivando maximizar a uniformidade de distribuição de água, caracterizando um conjunto motobomba adequado ao sistema de irrigação e com isso, minimizando os custos anuais e de implantação do projeto. Com o uso da informática, problemas de cálculos complexos são resolvidos com muita facilidade; desta forma pode-se aplicar modelos mais complexo para calculo da perda de carga nos sistemas de irrigação, resultando em valores mais próximos da realidade, com maiores riquezas de detalhes. A perda de carga representa a dissipação de energia da água em forma de calor, ao longo da tubulação, decorrente da resistência ao escoamento oferecida pela viscosidade do fluido e pela inércia das partículas. É variável de acordo com o tamanho das rugosidades da parede do tubo, diâmetro da tubulação e com a velocidade da água. A indústria de plásticos e seus derivados, com o auxilio da engenharia, tem aprimorado a qualidade dos materiais destinados à fabricação dos tubos, principalmente de polietileno. A utilização de tubos fabricados de matérias plásticos, de menor custo, destinados à irrigação tem aumentado nos últimos anos. A flexibilidade desses tubos traz como consequência o aumento do diâmetro interno com o aumento da pressão, fato este já observado em pesquisa e que não são levados em consideração pelos equacionamentos matemáticos utilizados para determinação da perda de carga. O presente trabalho propõe um modelo onde leva em consideração o módulo de elasticidade (E) do tubo para determinar a alteração do diâmetro em tubos elásticos provocada pela pressão, afetando assim a determinação da perda de carga contínua. Conhecer detalhadamente a causa da perda de energia, com intuito de cada vez mais otimizar a energia gasta por área irrigada no cenário brasileiro, passa a ser de fundamental importância. O Modelo Elástico proposto associado à Equação Universal, apresentou índice de desempenho médio de 0,9 sendo considerado com uma estimativa muito boa da realidade. / Total head losses are accounted in the irrigation hydraulic projects, that would be the continuous losses and the local head losses, aiming to maximize the uniformity of water distribution, characterizing an adequate pump set to the irrigation system e thus, minimizing the project implantation and annual costs. With informatics support, complex calculation problems are solved with ease, therefore it is possible to apply more complex models for head loss calculation in the irrigation system, resulting in values closer to the reality, with greater details. The head loss represents the water energy dissipation as heat, along the piping, due to the resistance to the flow offered by the fluid viscosity and by the particles inertia. It is variable according to the size of the rugosities of the pipe wall, piping diameter and the water velocity. plastic industry and its derivates, with engineering support, have improved the quality of the materials for the pipe manufacturing, mainly polyethylene. The usage of plastic material pipes for irrigation, of lowest cost, has risen in the latest years. The flexibility of these pipes leads to the internal diameter increase with pressure increase, fact already observed in research and that are not taken into account by mathematics equating used to determine the head loss. This paper proposes a model where it takes into account the elastic module (E) of the pipe to determine the diameter alteration in elastic pipes due to the pressure, affecting the determination of continuous head loss. Elastic Module proposed associated to Universal Equation, showed average performance rate of 0,9% being considered a extremely good estimative of reality.

O fenômeno de vibrações induzidas pelo escoamento em pipelines e dutos próximos ao leito oceânico é de grande importância para a Engenharia Naval e Oceânica. O caso prático do vão livre de duto pode ser considerado um assunto ainda pouco discutido. A presente dissertação encontra motivação na compreensão do fenômeno fluidodinâmico através da abordagem experimental. O sistema físico estudado inclui um longo cilindro, de baixa razão de massa (m*) e de natureza flexível (L/D = 131; 45), disposto próximo à uma placa plana. O comportamento assimétrico do escoamento ao redor de um corpo que se encontra próximo à uma placa plana não é governado apenas pelo número de Reynolds, sendo a distância adimensional, e/D, entre o cilindro e a placa de grande impacto no fenômeno. O objetivo principal desta dissertação é caracterizar o comportamento dinâmico de cilindros flexíveis horizontais na presença de uma placa plana sob os efeitos do fenômeno da vibração induzida por vórtices, bem como a interferência na distância entre as duas estruturas na resposta dinâmica do cilindro. A revisão bibliográfica foi pautada na compreensão do problema e no fornecimento de subsídios teóricos para realização do experimento e posterior análise dos dados. O efeito da proximidade da placa foi analisado para quatro diferentes arranjos, e/D = 0, 0.5, 1.0 e 2.0 e variadas condições de escoamento foram testadas, todas contidas no regime sub-crítico (103 < Re < 104). Adicionalmente, a condição do cilindro isolado, ou seja sem a presença da placa, foi investigada. Obteve-se o deslocamento do cilindro, no tempo e espaço, possibilitando grande diversidade na demonstração dos resultados, destaca-se a análise no domínio da frequência e do tempo e a recuperação da trajetória em todos os instantes ao longo do comprimento do cilindro. Os resultados apresentados evidenciam uma magnitude de oscilação maior para as condições em que o cilindro está distante ou isolado da placa. Para todas as condições a natureza flexível do modelo pode ser identificada e discutida pela análise no domínio da frequência e da trajetória descrita pelo cilindro. Na maior parte dos casos, a amplitude transversal cresceu de maneira pronunciada a partir de VR > 3:50 e alcançou amplitudes nominais da ordem de 0.8D. A resposta na direção horizontal apresentou uma dependência linear com a velocidade do escoamento, atingindo valores próximos a 0.65D. Tal magnitude releva a importância do movimento na direção in-line, diferente dos clássicos casos de VIV, onde a amplitude em X é de pouca significância. / The present work aims at improving the understanding of flow induced vibrations on pipelines near the seabed triggered by the current. The present work aims at improving the understanding of flow induced vibrations on pipelines near the seabed triggered by the current, it is of great importance for Naval and Oceanic Engineering. The physical system includes a long cylinder, with low mass ratio (m*) and flexible (L=D = 131; 45), near a at plate. When a cylindrical body is laying close to a at plate, the asymmetric ow behavior around it is no longer solely dominated by the Reynolds number, but the adimensional distance e/D, between the cylinder and the at plate, play an important role in the phenomenon. The main objective of the research conducted is to characterize the behavior of exible horizontal cylinders under the efect of vortex induced vibrations, highlighting the in fluence of the distance between the two structures in the cylinder dynamic response. The experimental data was collected in a towing tank with a model scaled for e/D= 0, 0.5, 1.0, 2.0 and >> 2:0 and Reynolds number ranging from 103 to 104. The cylinder\'s response is presented in terms of its amplitude and frequency. The results shown a high magnitude of oscillation for the conditions in which the cylinder is distant or isolated from the plate. For all conditions the exible behavior was identified and discussed through the analysis in the frequency domain and the trajectory described by the cylinder. In most cases, the transverse amplitude grew steeply from VR > 3:50 and reached nominal amplitudes of the order of 0.8D. The response in horizontal direction showed a linear dependence with the flow velocity, reaching values close to 0.65D. Such magnitude highlights the importance of movement in the in-line direction, different from the classical cases of VIV.

Os tubos flexíveis são amplamente utilizados na produção de petróleo offshore, para transporte de petróleo bruto, óleo e gás natural. Pelo fato de operarem em um ambiente muito agressivo e estarem sujeitos a diversos tipos de carregamentos como pressão interna, pressões externas, tração, compressão, flexão e torção, eles possuem uma estrutura bastante complexa composta por diversas camadas concêntricas, com finalidades estruturais diversas, que interagem entre si. Em termos de carregamento, a compressão, em especial, seja ela dinâmica ou estática representa um problema para estes tubos. Embora eles sejam projetados para suportar altas cargas de tração, por meio de armaduras metálicas helicoidais, têm resistência limitada para cargas de compressão. A presença de tais esforços pode causar falhas por instabilidade radial das armaduras de tração. Este modo de falha, conhecido há mais de duas décadas, é denominado birdcaging, devido à forma característica assumida pelas armaduras. Além dessa instabilidade radial, as armaduras podem sofrer uma instabilidade lateral, a qual é igualmente catastrófica para os tubos flexíveis. Este trabalho consiste em uma investigação destes modos de falha com base em modelos numéricos, usando o Método dos Elementos Finitos. Com tais ferramentas, objetiva-se estudar a mecânica dos fenômenos de instabilidade de armadura de tração, juntamente com os efeitos causados pela alteração de parâmetros construtivos e ambientais nestes modos de falha. / Flexible pipes are widely employed in offshore oil production. Their functions include transporting of crude oil, natural gas, chemicals and water injection. Since they operate in aggressive environments and are subjected to loads such as internal and external pressure, tension, compression, bending and torsion, these pipes are built with a complex multilayered structure. In terms of loading, compression, specially, dynamic or static, present a problem to these pipes. Their tensile armor layers are particularly designed to withstand high levels of tension, but not for compression. The presence of such loads may cause radial instability failure on the armor layers. This failure mode, known for almost three decades, is called birdcaging, due to the peculiar shape assumed by the armor tendons at the post-buckling. Besides radial instability, the tensile armor layers may also suffer from lateral instability, which is equally catastrophic in the operation of flexible pipes. This work consists on an investigation of these failure modes based on numerical models, using the Finite Element Method. With these tools, the mechanism that governs these instability phenomena can be understood, along with the effects caused by the alteration of design and environmental parameters on the failure modes.