Kemal Tahir’in Devlet Düşüncesinde ATÜT Durağı

Essa última seção da Revisão Bibliográfica trata especificamente de tópicos e publi- cações relacionados à compressão dinâmica ou aos conceitos envolvidos.

Considere-se um riser conectado por uma de suas extremidades (topo) a uma unidade flutuante e cuja extremidade oposta repousa sobre o leito marinho. A unidade flutuante está sujeita a ações ambientais diversas, tais como vento, ondas e correnteza, bem como o riser à ação direta da correnteza.

Nesse cenário, dada a aleatoriedade dos movimentos conferidos à unidade flutuante, o riser estará sujeito a carregamentos que, em algum momento, podem comprimí-lo (os agentes desse carregamento genérico são ilustrados na Figura 2.3).

Figura 2.3: Esforços externos sobre um riser dinamicamente excitado.

Conforme mencionado anteriormente, um riser, contrariamente ao que ocorre com um cabo, suporta um certo nível de compressão sem que ocorra flambagem. Ao maior carregamento de compressão que um riser pode suportar, sem que ocorra flambagem global, dá-se o nome de carga crítica. O Capítulo 3 encerra formulações analíticas e discussões relacionadas à carga crítica.

Se, em algum momento, a tração efetiva atuante sobre o riser for tal que ultrapasse o valor dessa carga crítica, a estrutura flamba globalmente, em um fenômeno denomi- nado de compressão dinâmica.

Durante a compressão dinâmica, o riser tenta suportar a carga compressiva que lhe é imposta, absorvendo a energia recebida. Nesse momento, a linha parece “congelar”, de sorte que por alguns instantes a série temporal de trações apresenta um patamar, associado a um certo nível de “saturação”, em valores ao redor da carga crítica, Figura 2.4, até que, não suportando tal carregamento, o riser “alivia”, devolvendo a energia não absorvida em forma de ondas de compressão que se propagam da região do TDZ em direção ao topo da linha, como ilustrado na Figura 2.5.

Figura 2.4: Saturação das assinaturas temporais de tração durante a compressão dinâmica. Fonte: (Aranha & Pinto, 2001)

Figura 2.5: Ondas de compressão se propagando do TDP ao topo de uma linha em catenária. Fonte: (Simos & Fujarra, 2006)

Ribeiro et al. (1998) realizaram um estudo, com o uso do Anflex, de um riser em cate- nária direta conectada a uma FPSO, descrevendo detalhadamente o modelo utilizado e discutindo os resultados em termos de análises de sensibilidade (coeficientes de arrasto, amortecimento, correnteza etc). Para a modelagem numérica, assumiram, por hipótese, que a carga compressiva em qualquer segmento não poderia exceder a crítica de Euler, deduzida para colunas retas.

Em (Aranha et al., 2001), é desenvolvida uma formulação analítica que culmina em uma expressão algébrica simples para a carga crítica em vigas curvas biapoiadas. Além disso, apresentam-se comparações com os resultados advindos de experimen- tos realizados por Andrade (1993) e simulações numéricas (Cable11 _{e Orcaflex).}

A formulação apresentada em (Aranha et al., 2001) é recuperada e discutida no Capí- tulo 3, com posterior continuidade analítica e apresentação de alguns resultados apa- rentemente inéditos. Alguns pontos relativos à formulação de (Aranha et al., 2001), bem como as desenvolvidas no citado capítulo são apresentadas no Apêndice A, com a finalidade de complementar o presente estudo, sem prejuízo à fluidez do texto.

A tridimensionalidade do problema, principalmente pela presença de torção da linha e movimentos na direção perpendicular ao plano da catenária, é de relevância inegá- vel. Dois trabalhos bastante interessantes a esse respeito são: (Ramos Jr, 2001) e (Ramos Jr & Pesce, 2003). No primeiro, a tridimensionalidade da dinâmica de tubo submersos é explorada de maneira profunda e sistemática sob o ponto de vista ana- lítico. O segundo é uma publicação baseada no primeiro (tese de Doutorado), com maior foco na compressão dinâmica.

Ainda com relação a esses trabalhos, o equacionamento tridimensional é apresentado, com clara referência a (Love, 1906) e (Pesce, 1997), suscitando uma formulação para a carga crítica de flambagem para risers em catenária na presença de torção, como generalização da equação obtida por (Aranha et al., 2001), bem como sua recupe- ração para o caso 2D, sob determinadas condições. Outras importantes conclusões do trabalho referem-se ao uso da Equação de Greenhill para predizer as condições de estabilidade de cabos e risers com curvatura inicial e na presença de compressão dinâmica; bem como à proposição de que, nas regiões de curvaturas moderadas, o carregamento crítico proposto em (Aranha et al., 2001) é superestimado por um fator de 9

4, se a torção não for considerada.

Em (Simos & Fujarra, 2006)12_{, os resultados analíticos decorrentes de (Aranha et al.,}

2001) e de (Ramos Jr & Pesce, 2003) foram utilizados para comparação com resul- tados de simulações numéricas e ensaios físicos em tanque de provas sobre dois modelos (um flexível, outro mais rígido), na presença ou não de correnteza, e sob excitação harmônica no topo. O objetivo, claramente atingido, foi evidenciar a com- pressão dinâmica em risers experimentalmente, ilustrada na Figura 2.5.

Como principais conclusões advindas desse trabalho, citam-se: (i) as trações no mo- delo mais rígido apresentaram um comportamento mais uniforme no tempo e oscila- ções fora do plano não foram observadas, enquanto que, no modelo flexível, saídas laterais da linha foram visivelmente observadas e as séries temporais de tração se mostraram bastante irregulares; (ii) a amplitude da tração cresceu monotonicamente com a amplitude e a frequência da excitação de topo; (iii) no modelo flexível, harmô- nicos de ordem superior foram claramente excitados, vide Figura2.6, “como esperado em cabos comprimidos dinamicamente”13_.

Além disso, concluíram que os resultados provenientes do modelo mais rígido foram mais aderentes aos modelos analíticos, que os do modelo flexível, o qual apresentou níveis de compressão dinâmica mais acentuados, fenômeno percebido, inclusive, no topo da catenária.

Segundo os autores, o modelo flexível apresentou visualmente saídas laterais do plano que o continha inicialmente, com presença de torção.

12_{(Simos & Fujarra, 2006) é, em realidade, um trabalho decorrente da compilação dos resultados de outros dois trabalhos de}

Simos, A.N. e Fujarra, A.L.C.: (Simos et al., 2003) e (Fujarra et al., 2003).

Figura 2.6: Padrão esperado para o PSD de trações na ocorrência de compressão dinâmica. Fonte: Adaptado de (Simos & Fujarra, 2006)

As predições numéricas para as amplitudes de tração dinâmica, também realizadas naquele trabalho, foram condizentes com os resultados experimentais; os quais apre- sentaram aderência apreciável com as formulações utilizadas14_.

Simos & Fujarra (2006) citam como características típicas do fenômeno de compres- são dinâmica: o aparecimento de ondas de compressão (Figura 2.5) e o aparecimento de picos proeminentes no espectro de energia relativo à série temporal de trações (Fi- gura 2.6), exatamente nos múltiplos inteiros da frequência de excitação (harmônicos de ordem superior).

Dada a natureza não-linear do fenômeno de compressão dinâmica, é importante a ci- tação de mais alguns trabalhos, não relacionados a risers, tais como: (Nayfeh & Mook, 2008); Lestari & Hanagud (2001), que apresentam o problema de vibração não-linear em vigas flambadas com algumas soluções analíticas exatas e avaliam o comporta- mento pós-flambagem; e (Emam & Nayfeh, 2004), onde é discutido o problema da dinâmica de vigas flambadas sujeitas a excitação ressonante, com resolução do pro- blema linear discretizado e comparação entre resultados numéricos e experimentais. Referências mais gerais, mas com certa relevância, são relacionados à instabilidades do tipo Mathieu. Esse tipo de instabilidade aparece na modelagem de diversos siste- mas como: o pêndulo invertido e a excitação paramétrica do roll em embarcações. Em determinadas condições é possível modelar a compressão dinâmica em risers pela Equação de Mathieu. Exemplos de trabalhos nessa linha são: (Carbo et al., 2010), (El-Bassiouny & Abdel-Khalik, 2009), (Si-Yu & Jin-Yuan, 2008) e (Simos & Pesce, 1997). Este último trabalho é digno de algumas notas, pela particularidade da aplicação, na qual a variação da tração ao longo dos tendões de uma TLP15 _se

mostra bastante relevante na dinâmica da plataforma.

14_{Conclusões extraídas de (Simos et al., 2003).}

15_{TLP é o acrônimo, em inglês, para Tension Leg Platform, expressão traduzida, em geral, como “plataforma de pernas atiran-}

A dinâmica global do movimento lateral dos tendões é governado pela Equação de Mathieu, resultado da equação linearizada de um cabo, excitado harmonicamente, mas com movimentos limitados pelo amortecimento viscoso.

Matematicamente, a dinâmica desses tendões é dada pela adaptação da equação de vibrações em vigas retas, com carregamento lateral nulo e a incorporação de termos de inércia adicional e amortecimento. Segundo Simos & Pesce (1997), a equação que rege a deflexão dinâmica dos tendões de uma plataforma do tipo TLP fica dada por:

(m + ma) · ∂2 ∂t2υ(x) − ∂ ∂xυ(x) " T (x) · _∂x∂ υ(x) # + Bυ·      ∂ ∂xυ(x)     · ∂ ∂xυ(x) = 0 (2.4)

A Equação 2.4 é, então, manipulada algebricamente até que se apresente como uma equação de Bessel modificada e, posteriormente, resolvida da maneira convencional. A solução dinâmica em termos dos modos naturais de vibração, sob a suposição de sincronicidade de movimentos (Equação 2.5), foi obtida a partir do Método Variacio- nal de Galerkin, com a expressão final tomando a forma aproximada da Equação de Mathieu, Equação 2.6. υn(x) = fn(t) · Xn(x) (2.5) ∂2 ∂τ2f + [δ − q · cos(2 · τ)] · f + c ·      ∂ ∂τf     · ∂ ∂τf = 0 (2.6)

A definição de cada um dos parâmetros da Equação 2.6 é apresentada em Simos & Pesce (1997) e foge ao escopo da presente tese. Ainda assim, é interessante identificar os padrões de estabilidade como função dos parâmetros δ e q , o que é apresentado na Figura 2.7.

Em (Chatjigeorgiou & Mavrakos, 2009), é feita a afirmação de que “o equilíbrio di- nâmico 3D de uma catenária submersa é governado por dez equações diferenciais parciais”. No trabalho essas equações são apresentadas, muitas delas provenientes de trabalhos já citados, a saber: Pesce et al. (2006), Abramowitz & Stegun (1965), Burgess & Triantafyllou (1988), Chang et al. (2008), entre outros.

Juntamente com as formulações apresentadas, são feitas discussões a respeito das soluções numéricas (via Método das Diferenças Finitas) e da contribuição das não- linearidades, além da apresentação e discussão de resultados numéricos.

Figura 2.7: Diagrama de estabilidade de Mathieu, em função dos parâmetros δ e q. Fonte: (Simos & Pesce, 1997)

A partir dos resultados auferidos, analogia com as chamadas Funções (pares e ímpa- res) de Mathieu é recuperada, a fim de embasar matematicamente o que os autores denominaram como “principal descoberta do trabalho”, qual seja, a de que sob uma excitação de topo (em heave), os movimentos do riser no plano da catenária são regi- dos pelos harmônicos ω, 2ω, 3ω, ...; enquanto que, fora do mesmo, são determinados

pelos harmônicos ω 2, 3 ω 2, 5 ω 2, ...

Chatjigeorgiou & Mavrakos (2009) chegam a fazer um paralelo entre a ocorrência des- sas frequências e as trajetórias assumidas pela linha, embora essa associação seja matematicamente bastante direta.

Resultados semelhantes aos de Simos & Fujarra (2006) e Chatjigeorgiou & Mavrakos (2009) são recuperados no presente trabalho, numérica e experimentalmente, sendo apresentados nos capítulos finais desta tese.

Ressalte-se que, com relação à compressão dinâmica em risers, poucos trabalhos foram encontrados, provavelmente por ser uma aplicação demasiado particular. Sinteticamente, é possível afirmar que o riser pode, estática e globalmente, ser estu- dado como um cabo, sujeito ao seu peso próprio. Melhorias a esse modelo demandam correções nas extremidades, relacionadas à rigidez flexional. Nessas regiões, o riser passa a ser modelado como uma viga, embora abordagens numéricas possam sobre- pujar as dificuldades da resolução analítica do problema dinâmico, para a qual essas aproximações são interessantes e, por vezes, necessárias.

Capítulo 3