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Doctoral Thesis
DOI
10.11606/T.3.2012.tde-15072013-163230
Document
Author
Full name
Alfredo Gay Neto
E-mail
Institute/School/College
Knowledge Area
Date of Defense
Published
São Paulo, 2012
Supervisor
Committee
Martins, Clóvis de Arruda (President)
Aranha, José Augusto Penteado
Jacob, Breno Pinheiro
Pimenta, Paulo de Mattos
Santos, Melquisedec Francisco dos
Title in Portuguese
Estabilidade estrutural da configuração estática de risers em catenária.
Keywords in Portuguese
Estabilidade de sistemas
Estruturas offshore
Método dos elementos finitos
Tubos flexíveis
Abstract in Portuguese
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.
Title in English
Structural stability of the static configuration of catenary risers.
Keywords in English
Finite element method
Flexible pipes
Offshore structures
Stability of systems
Abstract in English
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.
 
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Tese_Alfredo.pdf (34.07 Mbytes)
Publishing Date
2013-07-18
 
WARNING: The material described below relates to works resulting from this thesis or dissertation. The contents of these works are the author's responsibility.
  • GAY NETO, Alfredo, and MARTINS, Clóvis de Arruda. Structural stability of flexible lines in catenary configuration under torsion [doi:10.1016/j.marstruc.2013.07.002]. Marine Structures [online], 2013, vol. 34, p. 16-40.
  • NETO, Alfredo Gay, MARTINS, Clóvis A., and PIMENTA, Paulo M.. Static analysis of offshore risers with a geometrically-exact 3D beam model subjected to unilateral contact [doi:10.1007/s00466-013-0897-9]. Computational Mechanics [online], .
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