Macroelemento Finito de Carcaça Intertravada para Análise Estrutural de Dutos Flexíveis

• Ano de defesa: 2025
• Autor(a) principal: Toni, Fernando Geremias
• Tipo de documento: Tese
• Tipo de acesso: Acesso aberto
• Idioma: por
• Instituição de defesa: Biblioteca Digitais de Teses e Dissertações da USP
• Palavras-chave em Português: Finite Element Method; Flexible pipes; Método dos Elementos Finitos; Métodos numéricos; Numerical Methods; Tubos flexíveis
• Link de acesso: https://www.teses.usp.br/teses/disponiveis/3/3152/tde-14012026-105623/

Dutos flexíveis são estruturas multicamadas amplamente utilizadas na produção offshore de petróleo e gás, sendo responsáveis pelo transporte de fluidos entre os poços submarinos e as unidades flutuantes. A análise local é uma etapa importante no projeto de um duto flexível e consiste na determinação das distribuições de tensões e deformações ao longo de sua seção transversal. Nos últimos anos, diversos macroelements finitos foram desenvolvidos especificamente para modelar algumas das camadas desses dutos, tirando proveito das suas particularidades para se obter melhor desempenho computacional. No entanto, não havia até então nenhum macroelemento finito especialmente desenvolvido para a carcaça intertravada, uma camada metálica de geometria helicoidal e intertravada, cuja principal função é fornecer rigidez radial ao duto, prevenindo o modo de falha de colapso. Dessa forma, considerando a importância de se obter métodos mais eficientes para a modelagem da carcaça intertravada, tanto para aplicações industriais quanto acadêmicas, o principal objetivo deste trabalho é o desenvolvimento de um macroelemento finito especificamente formulado para a modelagem da carcaça. Primeiramente, para um melhor entendimento do seu comportamento mecânica, é apresentada uma série de análises convencionais com elementos finitos sob carregamentos de tração e flexão. Essas análises demonstraram que a condição intertravada completamente fechada é indesejável, pois compromete tanto a flexibilidade quanto o máximo alongamento admissível da carcaça. Também foi possível concluir que o efeito do intertravamento pode ser desconsiderado para condições normais de operação sem perda de precisão e também que a hipótese simplificadora de anel, comumente adotada em problemas de colapso, também é válida para simulações de flexão da carcaça, o que representa uma vantagem computacional significativa e amplia as possibilidades de modelagem. Por fim, é apresentada a formulação completa de um novo macroelemento finito de carcaça, um elemento finito quadrático isoparamétrico ortotrópico e cujos deslocamentos são expandidos em série de Fourier. Esse elemento pode ser utilizado na modelagem da carcaça intertravada sob a hipótese de anel, mesmo em condições de carregamento não simétricas, devido à sua formulação expandida em Fourier. Os resultados obtidos são comparados com os de um software bem estabelecido de elementos finitos para os casos de carregamento de tração, compressão e flexão, demonstrando boa compatibilidade entre as abordagens e validando a implementação. Dentre as vantagens do macroelemento proposto, destaca-se a redução de mais de 94% no número total de graus de liberdade em comparação ao modelo convencional com elementos sólidos na simulação do problema de flexão.