Equipe
Responsável pelo Laboratório
Prof. Luís Volnei Sudati Sagrilo
Conselho Administrativo
Prof. Edison Castro Prates de Lima
Prof. Gilberto Bruno Ellwanger
Prof. Luís Volnei Sudati Sagrilo
Pesq. Marcos Queija de Siqueira
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
Pesquisadores / Estagiários
- Doutorado (7)
- Mestrado (4)
- Graduação (2)
Técnicos
- Ana Cristina Cunha Silva Gonçalves (Secretária)
- Luciano Queija de Siqueira (Técnico de Rede)
Programa
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
Structural Pile Analysis (1975)
Projeto das Estacas
Jaqueta + Estacas + Solo
Estaca - Guia
Restrições Gen.
Solo – Estaca
Não Linear
Structural Pile Analysis (1975)
Flare Boom (1982)
Análise Aleatória de Fadiga devido ao Vento
Flare Boom (1982)
Análise Aleatória de Fadiga devido ao Vento
150
100
S( f )
50
0
0
0.1
0.2
0.3
f
0.4
0.5
Análise Vibrações Causadas pelo
Recuperador de Calor da P-08
Skids, Painéis e Enrijecedores
Enrijecedores
Análise Vibrações Causadas pelo
Recuperador de Calor da P-08
Dados do Compressor
Velocidade de operação
710 rpm
Força vertical primária
1805 kgf
Comprimento da biela
450 mm
Força Vertical secundária
2497 kgf
Raio da manivela
80 mm
Força
primária
Distância entre as bielas e
o c.g. do compressor
245 mm
Ângulo
manivelas
entre
as
180o
Horizontal
Momento MX primário
0 kgf
3075 kgf m
Momento MX secundário
79 kgf m
Torque
366 kgf m
F2Z (t)  52690 cos(74,4  t   )  10660 cos[148,8  t  2   ]
F1Z (t )  70390 cos(74,4 t )  13820 cos[148,8  t ]
Forças Atuantes nos Cilindros
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
ANÁLISE TRANSIENTE
Deslocamento Vertical Máximo
Ponto monitorado 241 = 0.8mm
Ponto monitorado 875 = 1.7mm
Ponto monitorado 2343 = 0.25mm
Structural Reliability of Mooring Lines
(Conventional Steel Catenary & Taut Leg)
Taut Leg Polyester Mooring Line Certification
P-20
P-33
P-19
(TAUT-LEG)
P-18
P-35
P-26
(TAUT-LEG)
Marlim-Field
Foot-print
Wire/chain mooring
Polyester mooring
Polyester / Suction Pile
Cabo de Polyester
Suction Pile
Suction
Pump
Mooring Line
Taut Leg Mooring System
Basic Random Variables
Chain 76
 = 6601 kN
 = 660.1 kN
Polyester Cable
 = 76667 kN
 = 766.7 kN
Chain 95
 = 7625kN
 = 762.5 kN
Wave
Height
Hs
Chain 95
Polyester
Cable
Chain 76
Wind
Velocity
Surface
Current
Velocity
Suction Pile
Limit Load
Mean
5.38 m
7625 kN
7667 kN
6601 kN
22 m/s
1.14 m/s
7583 kN
COV
0.13
0.10
0.10
0.10
0.18
0.06
0.30
FDP
Tipo 1
LogN
LogN
LogN
Tipo 1
Tipo 1
LogN
VLA Vertical Loaded Anchor
Break Load = 310 t
Suction Pile Maximum Elastic Load
Finite Element Analysis
Maximum Load
fx(x/a)
fa(a)
Suction Pile
Limit Load
(Elastic Behavior)
a
x
a = 5308 kN
a = 690 kN
Normal
f(a)
Uncertainty Soil
Parameters
a
a
Torpedo Pile Analysis
>10 Floating Units
>100 Torpedo analyzed
ABS Certified
Prof. José Renato Mendes de Sousa
Estaca Torpedo
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
O leito marinho pode ficar
cargas axiais
congestionado com o
elevado número de linhas de
ancoragem
e dutosVLAs
em e
Estacas
de sucção,
SEPLAsoperação.
são opções, mas
possuem elevado custo de
instalação
Âncoras torpedo
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.
Tubo
de
aço
carbono
parcialmente
Sem
aletas oupreenchido
4 aletas. com
limalha de ferro ou chumbo.
Aproximadamente
Projetada
para segmento
auxiliar na
Liga o primeiro
da
Diâmetro
trapezoidal
com
comprimento
cravação
daexterno
âncora.
linha
de ancoragem
àvariando
âncora.
entre 750mm
variando
entreaté
8m1000mm
e 11m e
comprimento
totala entre
largura
de 0.45m
0.90m12m
e 20m.
Âncora torpedo
Modelo numérico: solo
Modelo construído com elementos finitos
sólidos tridimensionais levando em conta
possíveis simetrias do problema.
20D
Hp
Ht
5,0m
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.
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.
Âncora torpedo
Carga vs deslocamento
Âncoras torpedo
Curvas carga vs deslocamento
7000
25000
6000
20000
4000
3000
0°
15°
30°
45°
60°
75°
90°
2000
1000
0
0.00
0.05
0.10
0.15
0.20
Displacement at anchor top (m)
0.25
Load (kN)
Load (kN)
5000
15000
0°
15°
30°
45°
60°
75°
90°
10000
5000
0
0.00
0.05
0.10
0.15
0.20
0.25
Displacement at anchor top (m)
0.30
Prof. Luís Volnei Sudati Sagrilo
Calibração de Fatores de Segurança para Estacas Torpedo
RELIABILITY-BASED DESIGN OF TORPEDO PILES
Design parameters
 Main Parameters
• R  torpedo pile load bearing capacity
• T = D + E  total mooring line tension
• D  mooring line pre-tension (functional
loading)
• E  mooring line dynamic/environmental
tension (component due to wave, wind and
current)
The Design Equation
Rn
 DK  EK
SF
Rn  Pile design/nominal load bearing capacity
(estimated according to a given method)
TK  Characteristic design tension
DK  Design nominal pre-tension
EK  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)
Load Capacity Uncertainty
• True pile load bearing capacity
R E  VR M
V
RE
RM
•Variables
• RE → experimental/true pile capacity
• RM → FEM-based pile capacity prediction
• V → model bias (model uncertainty)
• Safety factor calibration vs V statistical model
Load Capacity Uncertainty
PETROBRAS performed 6 experimental tests
•RE → experimental/true pile capacity
• RM → FEM-based pile capacity prediction
• V → model bias (model uncertainty)
Torpedo pile
#1
#2
#3
Sample statistics of
V = RE/RM
Torpedo Class (size)
T35
T43
1.04
1.11
0.84
1.08
0.85
1.04
m  1.00 (mean)
s  0.12 (st.dev.)
Limited data sample (n = 6) : s  0.12 0.18
Load Capacity Uncertainty
Model Uncertainty
V => Lognormal p.d.f.
• API Data (Fenton,1990) V = 1.04 and sV =0.34
(axial pile capacity)
V = 1.00 and sV =0.18
• PETROBRAS data
V
Structural Reliability Analysis
Calibration considering the model uncertainty
based on PETROBRAS tests
The 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
Pesq. Marcos Queija de Siqueira
BSR – Boia de Sustentação de Risers
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.
Tabela de Funções das Linhas
Produção
Injeção de Água
Injeção de Gás
Serviço
Umbilical
Monitoramento
Visao Geral
Desafio
Análises Globais – Matriz Completa
• Contorno ambiental;
Verde: ondas 100y (525 casos);
• Correntes superficiais e mid water;
Laranja: ondas 10y (449 casos);
Azul: ondas 1y (314 casos).
• 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.
Total: (3*525+2*449+5*314)X 2 X 4 X 4 = 129376 análises
(Sem os casos de tendão rompido)
BSR
– Boia Submersa para Risers
– Análise do casco
Estruturas submersas
Fonte : www.worldoil.com

Modelo completo com elementos de
pórtico e casca (≈ 2 milhões de graus
de liberdade);
BSR
o
o
o
o
o
– Boia Submersa para Risers
– Análise do casco
Macros para pré-processamento
(aplicação de cargas e geração de
casos de carregamento
automaticamente);
Macros para pós-processamento dos
resultados;
Extração dos campos de tensões nas
placas, cascas e enrijecedores.
Analise de flambagem dos painéis.
Análise de tensões admissíveis.
Prof. José Renato Mendes de Sousa
Boca de Sino Multifuncional
Boca de sino multifuncional
Descrição
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
Cooperação tecnológica
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
Modelagem numérica
COMENTÁRIOS FINAIS
Linhas de Ação
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