Modelos estruturais de tubos flexíveis para a indústria offshore: novas abordagens através do método de elementos finitos

Resumo

A extração de óleo e gás em águas profundas exige cada vez mais a utilização de tubos flexíveis e cabos umbilicais. Esses tipos de estruturas vêm provando sua eficácia ao longo das últimas décadas, principalmente nos campos de petróleo encontrados na costa brasileira, sob lâminas d'água ultra profundas. Para resistir à grande variedade de esforços, as linhas flexíveis são compostas de várias camadas. Tal composição geométrica e funcional resulta em um conjunto que combina uma enorme resistência à pressão e a cargas de tração, aliada a uma grande flexibilidade. A complexidade destas estruturas e dos carregamentos envolvidos levou ao desenvolvimento de modelos de análise estrutural específicos, baseados em cálculos analíticos e semianalíticos. Os modelos de Elementos Finitos (EF) são poderosas ferramentas complementares aos modelos analíticos. Os métodos analíticos são mais expeditos, porém, por sua própria natureza, exigem hipóteses mais restritivas. Já o Método de Elementos Finitos (MEF), de caráter mais abrangente, implica em diversas outras dificuldades, desde a correta representação da geometria das camadas, dos carregamentos e das condições de contorno, até a adequada representação das interações de contato e mesmo do comportamento mecânico dos materiais que compõem a estrutura. O presente projeto de pesquisa de doutoramento direto visa ampliar o desenvolvimento de uma abordagem em elementos finitos, que foi originalmente proposta em trabalhos científicos anteriores desenvolvidos pelo candidato, com excelentes resultados. Tal proposta é baseada em uma metodologia de representação geométrica simplificada das camadas estruturais helicoidais de tubos flexíveis utilizados na indústria offshore, com o objetivo de diminuir a complexidade do modelo, preservando, no entanto, o comportamento estrutural. Este escopo é atingido representando tais camadas como tubos equivalentes formados por dois materiais de rigidez bastante distinta, um dos quais representa o material resistente propriamente dito e o outro o vazio entre os elementos helicoidais. Originalmente, este modelo do autor foi estudado considerando carregamentos simples, axissimétricos ou de flexão. O modelo será ampliado não apenas no que diz respeito ao tipo e combinação de carregamentos, como também no que diz respeito à representação geométrica, dos materiais e das condições de contato interfaciais. Os resultados a serem obtidos com este particular modelo em EF serão confrontados com aqueles advindos de modelos analíticos e numéricos já existentes, tanto na literatura técnica especializada quanto desenvolvidos no âmbito do próprio grupo de pesquisa, bem como comparados a resultados experimentais publicados ou disponíveis na base de dados do Laboratório de Mecânica Offshore (LMO). (AU)