Analise Global de Risers

Chama-se análise global à simulação do comportamento do riser em que se representa todo o seu comprimento. Desde a conexão na plataforma até a região do piso marinho. Nesta abordagem, usualmente não são representados detalhes, pois se busca a resposta do riser como um todo. No entanto, por vezes é necessário recorrer a uma maior discretização em determinadas regiões do riser, que apresentam comportamentos influenciados pelo contato com o solo ou pela conexão com a plataforma.

São abordados os principais aspectos de uma análise global, passando-se de uma breve conceituação de métodos matriciais e comportamento não-linear. As informações necessárias para que se possa proceder a uma análise de riser são mencionadas. Os tipos de resultados esperados, bem como a estratégia de modelagem podem variar dependendo do objetivo da análise.

A estratégia de análise usada pelo programa ANFLEX(programa utilizado neste trabalho com autorização da Petrobrás S.A) , e os aspectos considerados mais críticos também são comentados, incluindo-se aí a parte de amortecimento, movimento prescrito, intervalo de integração, convergência da solução não-linear e outros.

6.1 ANÁLISE MATRICIAL E MÉTODO DOS ELEMENTOS FINITOS

A análise estrutural de sistemas de engenharia requer uma idealização dos mesmos, de uma forma em que possa ser analisado. A definição das variáveis que governam o problema, a formulação de equações de equilíbrio e sua solução e por fim, a interpretação dos resultados se constituem nas principais etapas de análise.

Usualmente pode-se determinar a resposta de um sistema através de um conjunto de equações diferenciais e das condições de contorno pertinentes. Para um sistema contínuo, entretanto, o número de incógnitas é infinito, tornando necessária a sua representação através de um sistema discreto aproximado, com um número finito de graus de liberdade.

O método dos elementos finitos se vale desta idéia para solução sistemática de problemas de engenharia. O contínuo é subdivido em pequenas regiões, o equilíbrio é estabelecido para uma região isoladamente e a solução consiste no cálculo da interação entre as regiões, através da montagem de matrizes.

Quando se emprega um programa de computador para análise global de uma estrutura, as fases de definição de variáveis importantes, solução das equações do equilíbrio, e de técnicas de solução, estão resolvidas (ver figura 6.1). Cabe ao engenheiro a definição da discretização dessa estrutura e o estabelecimento de uma série de parâmetros de análise que exigem conhecimento e experiência (ver figura 6.2).

Figura 6-2 – Discretização na região do ponto de toque no fundo – TDP (Touch Down Point)

Existem programas de análise por elementos finitos de caráter geral que potencialmente podem resolver qualquer problema estrutural ou mesmo problemas de escoamento de fluidos, transmissão de calor e outros.

O programa ANFLEX,que foi o programa utilizado neste projeto com autorização da Petrobrás S.A, por exemplo, enquadra-se em outra categoria pois tem todas as suas facilidades voltadas para um nicho específico de aplicação que são análises de risers e linhas de ancoragem com a consideração dos efeitos do ambiente marinho e movimentos de plataformas flutuantes.

Os passos básicos de uma análise matricial podem ser resumidos abaixo:

a) Idealização da linha como um conjunto de elementos interconectados nas juntas estruturais (nós). b) Escolha do tipo de elemento a ser empregado. Normalmente elemento de pórtico quando o efeito da rigidez à flexão for importante na resposta da estrutura.

c) Identificação dos deslocamentos nodais que definam de forma completa a resposta do modelo idealizado. Análise 2d ou 3d

d) Definição de condições de contorno, usualmente através de restrição a determinados deslocamentos nodais. Pontos de fixação do riser e forma de fixação, mesmo que em corpos móveis, como unidades flutuantes.

e) Definição do carregamento a ser considerado. f) Preparação da entrada de dados para o programa. g) Execução da análise.

h) Interpretação de resultados.

Na preparação da definição de dados (ver figura 6.3), especialmente na geração da malha discretizada de elementos finitos, é comum utilizar-se um número de elementos da ordem de 1000, sendo então de fundamental importância o uso de ferramentas numéricas que agilizem o processo, incorporando a visualização do que está sendo gerado. No caso do ANFLEX,que foi o programa utilizado neste projeto com autorização da Petrobrás S.A, e de outros programas de análise estrutural de risers, um pré-processador gráfico serve de ferramenta para percorrer os passos descritos nos itens de a até e. No caso do programa Anflex podemos assumir que seu pré- processador gráfico serve de ferramenta para percorrer os passos descritos nos itens de a até g

Figura 6-3 – Definição de Dados para Análise

Na interpretação de resultados também a utilização de ferramentas gráficas se torna fundamental. Através do exame cuidadoso dos resultados de um programa, podem ser detectados erros induzidos por problemas de modelagem, ou até erros no próprio programa. Nenhum programa comercial fornece garantias quanto à correção de seus resultados, deixando a responsabilidade a cargo do usuário, sendo este o papel do engenheiro moderno, saber interpretar os resultados, ou seja, ter o “sentimento”, muita base de analise estrutural avançada para saber se os resultados são coerentes ou não com a situação real.

6.2 COMPORTAMENTO NÃO-LINEAR

As principais características físicas na idealização da solução para simulação do comportamento de risers, são a não-linearidade da resposta e a importância dos efeitos dinâmicos.

O que caracteriza um problema como tendo comportamento linear é a proporcionalidade entre a resposta do sistema e o carregamento aplicado. Ou seja a resposta para um carregamento 10 vezes maior, será um deslocamento ou esforço também 10 vezes maior.

Usualmente se considera nas simulações apenas não-linearidade geométrica devido basicamente a grandes deslocamentos e interação axial-transversal (ver figura 6.4). Efeitos estes que são pronunciados em sistemas estruturais do tipo linha de ancoragem e risers. Um outro efeito importante de não-linearidade geométrica é o da instabilidade (problemas de flambagem elástica) quando se tem compressão.

Em estruturas de comportamento linear, os deslocamentos são infinitesimais, fazendo com que a configuração deformada se confunda com a original. No caso de estruturas flexíveis(ver figura 6.4), os deslocamentos podem ter a mesma ordem de grandeza das dimensões da estrutura, fazendo com que seja necessário tratar as equações de equilíbrio na configuração deformada.

Figura 6-4 – Riser submetido a grandes deslocamentos

ORIGINAL