00 CAMPUS ARISTÓTELES CALAZANS SIMÕES (CAMPUS A. C. SIMÕES) CTEC - CENTRO DE TECNOLOGIA Dissertações e Teses defendidas na UFAL - CTEC
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Tipo: Dissertação
Título: Estudo paramétrico sobre vida à fadiga de dutos em vãos livres submetidos à VIV
Título(s) alternativo(s): Parametric study of free spanning pipelines fatigue life due to VIV
Autor(es): Valença, Jéssica Pontes de Vasconcelos
Primeiro Orientador: Barboza, Aline da Silva Ramos
metadata.dc.contributor.referee1: Lages, Eduardo Nobre
metadata.dc.contributor.referee2: Silva, Emílio César Cavalcante Melo da
Resumo: A maior parte das reservas petrolíferas brasileiras se encontra em ambientes marinhos, que apresentam vários fatores que dificultam sua produção, como lâminas d’águas elevadas, interação fluido-estrutura e batimetrias irregulares. Nesses ambientes offshore, os dutos são estruturas eficientes para o transporte de fluidos entre plataformas, entre o poço e a plataforma e entre a plataforma e um local em terra. São dimensionados de acordo com o tipo de atividade que irão desempenhar e a hidrodinâmica do problema. Considerando as irregularidades do solo marinho, os dutos apoiados podem apresentar trechos com vãos livres, que devem ser considerados no projeto de forma a evitar problemas de segurança estrutural por excesso de deformações. As estruturas estão submetidas a diversas formas de carregamentos, normalmente agrupados nos referenciais normativos, como: cargas permanentes, cargas variáveis (acidentais) e cargas excepcionais. Como as ações ambientais variam de intensidade de forma significativa ao longo da vida útil da estrutura, elas são classificadas como cargas variáveis e exercem uma grande influência para a análise do comportamento de dutos, pois ocasionam carregamentos cíclicos. Dentre os carregamentos ambientais, encontramos: as cargas do vento, da corrente, da onda, entre outros. O carregamento combinado de onda e corrente em dutos em vãos livres dá origem às vibrações induzidas por vórtices (VIV), objeto de estudo de várias áreas da engenharia, sendo um dos principais desafios em projetos offshore. Essas vibrações causam tensões e deformações periódicas, podendo levar à falha da estrutura por fadiga. Para evitar que ocorra esse problema, as oscilações devem ser minimizadas, estando as frequências de vibrações dos vórtices com valores distantes dos valores das vibrações naturais da estrutura. Esta frequência natural depende de parâmetros como a rigidez, o comprimento do vão livre, a massa do duto, incluindo a massa do fluido interno e a massa adicional. Foi realizado um estudo do problema de dutos em vãos livres submetidos à VIV com o desenvolvimento de um modelo de elementos finitos, que foi validado de acordo com as especificações da recomendação prática. Um estudo paramétrico foi realizado para obter os fatores que mais influenciam na vida à fadiga da estrutura, por meio da técnica de Planejamento e Análise de Experimentos (DOE), utilizando o software Isight. Análises estática e modal foram elaboradas no Abaqus, tendo como resultados principais as frequências naturais da estrutura do duto. O estudo de vida à fadiga foi realizado, de acordo com a recomendação prática DNVGL-RP-F105, por meio da planilha FatFree. Cinco estudos de casos foram realizados, tendo como respostas que os fatores que mais influenciaram o tempo de vida à fadiga foram a espessura, que influencia de forma positiva, e o comprimento do vão, que influencia de forma negativa. A análise paramétrica é de extrema importância para dimensionar o duto com segurança, oferecendo subsídios desde o dimensionamento da estrutura até sua instalação e monitoramento futuro.
Abstract: Most of the Brazilian oil reserves are located under the seafloor, which presents several factors that hinder their production, such as water depth, fluid-structure interaction, and uneven bathymetry. In this sense, pipelines are the most efficient way of transporting fluids between offshore facilities and have been used for a long time on a large scale in the oil industry. Ducts are designed according to the kind of activity they will perform and environmental conditions, such as current and wave conditions. Due to seabed unevenness, part of a subsea pipeline is suspended between two points, which is referred to as a free span pipeline, which should be considered in the design in order to avoid structural problems as a result of excessive deformation. Structures are subjected to several types of loading, usually grouped in normative references, such as dead loads, accidental loads, and special loads. Since environmental load vary its intensity significantly over the design life of the structure, they are classified as accidental loads and have a great influence on the analysis of pipeline behavior, as they generate cyclic loadings. Among the environmental loads, we find the wind, current, wave, tidal loads, among others. Combined wave and current loads in free spanning pipelines give rise to Vortex-induced vibrations (VIV), a phenomenon that is widely studied in many engineering areas and one of the main challenges for offshore structures. VIV results in periodic stresses and deformations and may lead to fatigue failure. To prevent this, those oscillations should be minimized, with the vibration frequencies of the vortex shedding being as far as possible from the natural frequencies of the structure. The natural frequency of a free spanning pipeline depends on parameters such as pipeline stiffness, free-span length, pipeline mass, including internal fluid mass and additional mass. A study of the problem of free spanning pipeline subjected under VIV was carried out with the development of a finite element model (FEM), which was validated according to the specifications of the Recommended Practice DNVGL-RP-F105. A parametric study was performed to obtain the factors that most influence the fatigue life of the structure, using the technique of Design of Experiments (DOE), using the Isight software. Static and modal analyzes were implemented at Abaqus, with the main results being natural frequencies of the structure. The fatigue life study was carried out, according to the Recommended Practice, using the FatFree spreadsheet. Five case studies were fulfilled, with responses that the factors that most influence the fatigue life of a pipeline are the pipe thickness, which influences positively, and the span length, which influences negatively. A parametric analysis is extremely important to design the pipeline safely, offering subsidies from the design of the structure to its installation and future monitoring.
Palavras-chave: Fadiga (Engenharia)
Dutos submarinos
Vibração Induzida por Vórtice (VIV)
Vortex induced vibration
Design and Analysis of Experiment
Finite Elements
Offshore structures
CNPq: CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA CIVIL
Idioma: por
País: Brasil
Editor: Universidade Federal de Alagoas
Sigla da Instituição: UFAL
metadata.dc.publisher.program: Programa de Pós-Graduação em Engenharia Civil
Citação: VALENÇA, Jéssica Pontes de Vasconcelos. Estudo paramétrico sobre vida à fadiga de dutos em vãos livres submetidos à VIV. 2020. 105 f. Dissertação (Mestrado em Engenharia Civil) – Centro de Tecnologia, Programa de Pós Graduação Engenharia Civil, Universidade Federal de Alagoas, Maceió, 2020.
Tipo de Acesso: Acesso Aberto
URI: http://www.repositorio.ufal.br/handle/riufal/7337
Data do documento: 26-ago-2020
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