Conselho Administrativo Prof. Edison Castro Prates de Lima Prof. Gilberto Bruno Ellwanger Prof. Luís Volnei Sudati Sagrilo Pesq. Marcos Queija de Siqueira.

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2 Conselho Administrativo Prof. Edison Castro Prates de Lima Prof. Gilberto Bruno Ellwanger Prof. Luís Volnei Sudati Sagrilo Pesq. Marcos Queija de Siqueira Responsável pelo Laboratório Prof. Luís Volnei Sudati Sagrilo Pesquisadores Sêniores Pesq. Claudio Márcio Silva Dantas, D.Sc. Pesq. Fernando Jorge Mendes de Sousa, D.Sc Prof. José Renato Mendes de Sousa, D.Sc. Equipe

3 Pesquisadores / Estagiários - Doutorado (7) - Mestrado (4) - Graduação (2) Técnicos - Ana Cristina Cunha Silva Gonçalves (Secretária) - Luciano Queija de Siqueira (Técnico de Rede) Equipe

4 Prof. Edison Castro Prates de Lima => Histórico Prof. José Renato Mendes de Sousa => Estaca Torpedo Prof. Luís Volnei Sudati Sagrilo => Calibração de Fatores de Segurança Pesq. Marcos Queija de Siqueira => BSR – Boia de Sustentação de Risers Prof. José Renato Mendes de Sousa => Boca de Sino Multifuncional Prof. Edison Castro Prates de Lima Programa

5 Structural Pile Analysis (1975) Projeto das Estacas Jaqueta + Estacas + Solo Solo – Estaca Não Linear Estaca - Guia Restrições Gen.

6 Structural Pile Analysis (1975)

7 Flare Boom (1982) Análise Aleatória de Fadiga devido ao Vento

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9 Análise Vibrações Causadas pelo Recuperador de Calor da P-08 Motor Separador D Surge Tank Hidrociclone Skids, Painéis e Enrijecedores Enrijecedores

10 Análise Vibrações Causadas pelo Recuperador de Calor da P-08 Dados do Compressor Forças Atuantes nos Cilindros

11 Análise Vibrações Causadas pelo Recuperador de Calor da P-08 ANÁLISE MODAL DECK + EQUIPAMENTOS Frequências Naturais: 12.3Hz, 21.0Hz e 23.7Hz. Primeiro Estágio do Compressor => 12Hz Segundo Estágio => 24Hz RESSONANTES Pontos Monitorados Deslocamento Vertical Máximo Ponto monitorado 241 = 0.8mm Ponto monitorado 875 = 1.7mm Ponto monitorado 2343 = 0.25mm ANÁLISE TRANSIENTE

12 Wire/chain mooring Polyester mooring Structural Reliability of Mooring Lines (Conventional Steel Catenary & Taut Leg) Taut Leg Polyester Mooring Line Certification

13 Cabo de Polyester Polyester / Suction Pile

14 Mooring Line Suction Pump Suction Pile

15 Polyester Cable  = 76667 kN  = 766.7 kN Chain 76  = 6601 kN  = 660.1 kN Chain 95  = 7625kN  = 762.5 kN Taut Leg Mooring System Basic Random Variables

16 VLA Vertical Loaded Anchor Break Load = 310 t

17 x f x (x/a) a f a (a) Maximum Load (Elastic Behavior) Suction Pile Maximum Elastic Load Finite Element Analysis Uncertainty Soil Parameters  a = 5308 kN  a = 690 kN Normala f(a) aaaa Suction Pile Limit Load

18 Torpedo Pile Analysis >10 Floating Units >100 Torpedo analyzed ABS Certified

19 Prof. José Renato Mendes de Sousa Estaca Torpedo

20 Âncora torpedo Sistema de ancoragem convencional vs taut-leg A fronteira de explotação de hidrocarbonetos se move rapidamente para 3000m com muitas unidades flutuantes de produção já instaladas e outras planejadas para entrar em operação. Sistemas taut leg Menores raios de ancoragem, mas elevadas cargas axiais Estacas de sucção, VLAs e SEPLAs são opções, mas possuem elevado custo de instalação O leito marinho pode ficar congestionado com o elevado número de linhas de ancoragem e dutos em operação. Âncoras torpedo

21 Tubo de aço carbono parcialmente preenchido com limalha de ferro ou chumbo. Diâmetro externo variando entre 750mm até 1000mm e comprimento total entre 12m e 20m. Sem aletas ou 4 aletas. Aproximadamente trapezoidal com comprimento variando entre 8m e 11m e largura de 0.45m a 0.90m Âncora torpedo Descrição Âncoras torpedo são âncoras em forma de “míssil”, que são instaladas utilizando a própria energia de queda. Sua estrutura é composta por: 1.Olhal. 2.Fuste (tubo). 3.Aletas (opcional). 4.Ponta cônica. Liga o primeiro segmento da linha de ancoragem à âncora. Projetada para auxiliar na cravação da âncora.

22 Âncora torpedo Modelo numérico: solo Modelo construído com elementos finitos sólidos tridimensionais levando em conta possíveis simetrias do problema. Não linearidades físicas, geométricas e de contato são consideradas. As propriedades físicas do solo variam com a profundidade e a posição radial As dimensões do modelo são suficientemente grandes para assumir um meio infinito. 20D 5,0m HtHt HpHp

23 Âncora torpedo Modelo numérico: âncora A malha é mais refinada no topo e na base das aletas. O olhal não é diretamente representado. A carga é aplicada diretamente em ponto ligado rigidamente ao topo da estaca.

24 Âncora torpedo Carga vs deslocamento

25 Âncoras torpedo Curvas carga vs deslocamento

26 Prof. Luís Volnei Sudati Sagrilo Calibração de Fatores de Segurança para Estacas Torpedo RELIABILITY-BASED DESIGN OF TORPEDO PILES

27 Design parameters  Main Parameters R  torpedo pile load bearing capacity R  torpedo pile load bearing capacity T = D + E  total mooring line tension T = D + E  total mooring line tension D  mooring line pre-tension (functional loading) D  mooring line pre-tension (functional loading) E  mooring line dynamic/environmental tension (component due to wave, wind and current) E  mooring line dynamic/environmental tension (component due to wave, wind and current)

28 The Design Equation R n  Pile design/nominal load bearing capacity (estimated according to a given method) T K  Characteristic design tension D K  Design nominal pre-tension E K  Characteristic design value for dynamic tension (usually associated with a return period of 100-yr) SF  Safety factor SF = 2 for an extreme loading condition (based on pile design for fixed offshore platforms)

29 Load Capacity Uncertainty True pile load bearing capacity Variables R E → experimental/true pile capacity R M → FEM-based pile capacity prediction V → model bias (model uncertainty) Safety factor calibration vs V statistical model

30 Load Capacity Uncertainty Torpedo pile Torpedo Class (size) T35T43 # 11.041.11 # 20.841.08 # 30.851.04 Sample statistics of V = R E /R M  m  1.00 (mean) s  0.12 (st.dev.) Limited data sample (n = 6) : s  0.12  0.18 PETROBRAS performed 6 experimental tests R E → experimental/true pile capacity R M → FEM-based pile capacity prediction V → model bias (model uncertainty)

31 Load Capacity Uncertainty Model Uncertainty V => Lognormal p.d.f. API Data (Fenton,1990)  V = 1.04 and s V =0.34 (axial pile capacity) PETROBRAS data  V = 1.00 and s V =0.18 V

32 Calibration considering the model uncertainty based on PETROBRAS tests T he new SF the maintains the same reliability level of the original API offshore pile design. PETROBRAS tests (  V = 0.18) API Study tests (  V = 0.34) SF drops from 2 to 1.45 for same reliability level design Design loads 38% higher for the same design Structural Reliability Analysis

33 Pesq. Marcos Queija de Siqueira BSR – Boia de Sustentação de Risers

34 BSR (Bóia de Sustentação de Risers) Bóia Sul de Sapinhoá LDA = 2140m; FPSO Cidade de São Paulo; Referência - fase full: − 23 jumpers; − 22 risers; − 8 tendões.

35 Visao Geral

36 Desafio Contorno ambiental; Correntes superficiais e mid water; Casos: –Acidentais 1A, 1B (ancoragem do FPSO); –Acidental 2 (tendões rompidos); –Acidental 3: IN, IS, OS, ON (tanques alagados); –Extremos A, B, C (onda centenária e corrente decenária opostas); –Operacional. Fases full e EPCI; Fluidos médios, leves, pesados e parada; Calados full, likely full, médio, likely light. Análises Globais – Matriz Completa Total: (3*525+2*449+5*314)X 2 X 4 X 4 = 129376 análises (Sem os casos de tendão rompido) Verde: ondas 100y (525 casos); Laranja: ondas 10y (449 casos); Azul: ondas 1y (314 casos).

37 Estruturas submersas  Modelo completo com elementos de pórtico e casca (≈ 2 milhões de graus de liberdade); BSR – Boia Submersa para Risers – Análise do casco Fonte : www.worldoil.com

38 o Macros para pré-processamento (aplicação de cargas e geração de casos de carregamento automaticamente); o Macros para pós-processamento dos resultados; o Extração dos campos de tensões nas placas, cascas e enrijecedores. o Analise de flambagem dos painéis. o Análise de tensões admissíveis. BSR – Boia Submersa para Risers – Análise do casco

39 Prof. José Renato Mendes de Sousa Boca de Sino Multifuncional

40 Dispositivo acoplado aos FPSOs replicantes construídos pela PETROBRAS para exploração do pré-sal que pode receber tanto risers rígidos quanto flexíveis (multifuncionalidade) Padroniza a construção dos FPSOs e não depende das particularidades de cada campo produtor Boca de sino multifuncional Descrição

41 PETROBRAS/CENPES – concepção e coordenação geral LACEO/PEC – COPPE/UFRJ – modelagem numérica- computacional avançada para análise de tensões e otimização de geometria CALDEX – construção do protótipo e testes experimentais Atualmente: 60 BSMF já instalados em FPSOs 300 já prontas para futuras instalações Boca de sino multifuncional Cooperação tecnológica

42 Boca de sino multifuncional Modelagem numérica

43 COMENTÁRIOS FINAIS

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45 Análise Estática e Dinâmica de Estruturas Análise global e de fadiga de risers rígidos e flexíveis; Análise de vibrações; Análise local de dutos flexíveis; Modelagem por elementos finitos; Interação solo-estrutura: risers e estaca torpedo; Vibrações e movimentos induzidos por vórtices (VIV e VIM); Otimização de stress-joints/bend-stiffners. Métodos Probabilísticos para Análise e Projeto de Estruturas Marítimas Confiabilidade estrutural : Inspeção baseada em risco; Análise dinâmica aleatória (risers, linhas de ancoragem, etc.). Desenvolvimento de Programas Computacionais Linhas de Ação