análise não linear de plataformas fixas offshore do tipo jaqueta de aço

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  • UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO

    ESCOLA POLITCNICA

    PROGRAMA DE PROJETO DE ESTRUTURAS

    Fbio Modesti Orsini de Castro

    ANLISE NO LINEAR DE PLATAFORMAS FIXAS OFFSHORE DO TIPO JAQUETA DE AO: ESTUDO E APLICAO DO MTODO QUASI-ESTTICO

    PUSHOVER

  • Fbio Modesti Orsini de Castro

    ANLISE NO LINEAR DE PLATAFORMAS FIXAS OFFSHORE DO TIPO JAQUETA DE AO: ESTUDO E APLICAO DO MTODO QUASI-ESTTICO PUSHOVER

    Dissertao de Mestrado apresentada ao Programa de Projeto de Estruturas, Escola Politcnica da Universidade Federal do Rio de Janeiro, como parte dos requisitos necessrios obteno do ttulo de Mestre em Projeto de Estruturas.

    Orientadores: Prof. Gilberto Bruno Ellwanger, D.Sc.

    Prof. Nelson Szilard Galgoul, Dr.-Ing.

    Rio de Janeiro

    Novembro de 2013

  • Eu fiz tudo parecer to fcil em quadra todos esses anos.

    Ningum imagina o quo duro eu tive que trabalhar. Ningum

    imagina o quanto eu tive que me dedicar...

    - Pete Sampras

  • AGRADECIMENTOS

    minha me, Jane Aparecida Modesti, pela dedicao aos filhos por toda

    uma vida. Sem sua entrega, nada do que conquistamos teria sido possvel.

    Aos meus irmos, Aline e Adriano, que torcem e se orgulham das vitrias de

    cada dia, incondicionalmente.

    Andrea Beatriz, por seu amor e carinho. Por me mostrar a direo certa a

    ser seguida e por fazer de mim uma pessoa melhor. Por ser meu ponto de equilbrio.

    Aos meus grandes amigos Gabriel Rocha e Wilson Bigarel, que nunca

    desistiram de mim. Por estarem presentes em minha vida.

    Ao Professor Gilberto Ellwanger, pela amizade e pelo apoio irrestrito, desde o

    primeiro momento em que me recebeu como seu aluno.

    Ao Professor Nelson Szilard, por me aceitar como seu aluno e por me

    receber, com a mesma cordialidade, em todos os momentos que precisei.

    Ao Professor Sergio Hampshire, pela amizade construda ao longo de todos

    esses anos, desde a graduao. Por me proporcionar a chance de ser um bom

    engenheiro.

    Ao Jobel Freitas, pela amizade, pelos conselhos e por me ensinar a ver alm.

    Por ser um dos meus grandes professores dentro da vida profissional.

    Promon Engenharia, pelas oportunidades proporcionadas e pela chance de

    participar de projetos de altssima sofisticao. Pela possibilidade de desenvolver este

    trabalho.

    Det Norske Veritas, nas figuras de Joo Volpini, Srgio Mendes e Mariana

    Santos, pela cesso dos recursos necessrios para a realizao deste trabalho.

    Laninha.

  • iv

    Orsini, Fbio Anlise no linear de plataformas fixas offshore do

    tipo jaqueta de ao: estudo e aplicao do mtodo quasi-esttico pushover / Fbio Modesti Orsini de Castro UFRJ/Escola Politcnica, 2013.

    250 p.: il.; 30 cm. Dissertao (Mestrado em Projeto de Estruturas)

    Universidade Federal do Rio de Janeiro, Escola Politcnica, Programa de Projeto de Estruturas, Rio de Janeiro, 2013.

    Orientadores: Gilberto Bruno Ellwanger e Nelson

    Szilard Galgoul. Referncias Bibliogrficas: p. 207-211. 1. Plataformas fixas. 2. Estruturas offshore. 3.

    Anlise no linear. 4. Colapso. I. Orsini, Fbio. II. Ellwanger, Gilberto. III. Galgoul, Nelson. VI. Universidade Federal do Rio de Janeiro. Escola Politcnica. V. Ttulo.

  • v

    Resumo da Dissertao de Mestrado apresentada Escola Politcnica/UFRJ como

    parte dos requisitos necessrios obteno do Ttulo de Mestre em Projeto de

    Estruturas (M.Sc.).

    ANLISE NO LINEAR DE PLATAFORMAS FIXAS OFFSHORE DO TIPO JAQUETA

    DE AO: ESTUDO E APLICAO DO MTODO QUASI-ESTTICO PUSHOVER

    Fbio Modesti Orsini de Castro

    Novembro/2013

    Orientadores: Prof. Gilberto Bruno Ellwanger, D.Sc.

    Prof. Nelson Szilard Galgoul, Dr.-Ing.

    Programa: Projeto de Estruturas

    Dentre as tcnicas mais utilizadas na determinao da capacidade resistente

    limite das plataformas fixas offshore, o mtodo quasi-esttico Pushover

    reconhecidamente um dos mais eficientes. Assim, para que se possa avaliar o real

    comportamento dessas estruturas frente ocorrncia de aes ambientais extremas,

    relevantes aspectos devem ser considerados, a dizer: no linearidades fsica e

    geomtrica, resistncias e flexibilidades locais de juntas tubulares e interao solo-

    estaca atravs do uso de curvas no lineares fora-deslocamento.

    A presente dissertao demonstra os conceitos acerca do mtodo Pushover,

    necessrios para que se possa determinar a Reserva de Resistncia Estrutural (RRE)

    das plataformas fixas do tipo jaqueta de ao. Ao final, esses conceitos so aplicados

    em um estudo de caso, no qual todas as simulaes foram conduzidas atravs do uso

    de um sistema computacional desenvolvido especificamente para esse tipo de anlise.

    Palavras-chave: Plataformas fixas, Estruturas offshore, Estruturas metlicas, Juntas

    tubulares, Solo-Estrutura, Anlise no linear, Colapso, Pushover.

  • vi

    Abstract of Dissertation presented to Escola Politcnica/UFRJ as a partial fulfillment of

    the requirements for the degree of Master in Design of Structures (M.Sc.).

    NONLINEAR ANALYSIS OF OFFSHORE STEEL JACKETS: STUDY AND

    APPLICATION OF THE QUASI-STATIC PUSHOVER METHOD

    Fbio Modesti Orsini de Castro

    November/2013

    Advisors: Prof. Gilberto Bruno Ellwanger, D.Sc.

    Prof. Nelson Szilard Galgoul, Dr.-Ing.

    Department: Design of Structures

    In determining the ultimate lateral strength of bottom fixed offshore platforms,

    one of the most widely adopted methods is the quasi-static Pushover technique. Thus,

    to evaluate the real structural behavior of steel jackets in the occurrence of extreme

    environmental actions, relevant aspects shall be considered, such as: material and

    geometric nonlinearities, tubular joints capacities and local flexibilities, as well as soil-

    pile interaction using nonlinear force-displacement curves.

    The present dissertation demonstrates the main topics that shall be addressed

    when performing a Pushover analysis, necessary to determine the Reserve Strength

    Ratio (RSR) of fixed offshore platforms. A real case of study is presented at the end, in

    which all simulations were performed using a numerical tool specifically tailored for this

    kind of analysis.

    Keywords: Fixed platforms, Offshore structures, Steel structures, Tubular joints, Soil-

    Structure, Nonlinear analysis, Collapse, Pushover.

  • vii

    SUMRIO

    CAPTULO 1 . INTRODUO ..................................................................................... 1

    1.1. APRESENTAO .......................................................................................... 1

    1.2. MOTIVAO .................................................................................................. 4

    1.3. JUSTIFICATIVA ............................................................................................. 8

    1.4. OBJETIVO .................................................................................................... 12

    1.4.1. OBJETIVO GERAL ................................................................................ 12

    1.4.2. OBJETIVOS ESPECFICOS .................................................................. 12

    1.5. MTODO ...................................................................................................... 13

    1.5.1. ESTRUTURA DO TRABALHO .............................................................. 14

    1.5.2. LIMITAES DO ESTUDO ................................................................... 14

    CAPTULO 2 . REVISO DA LITERATURA .............................................................. 15

    2.1. BREVE HISTRICO DA INDSTRIA OFFSHORE ...................................... 15

    2.2. AS JAQUETAS DE AO NA INDSTRIA OFFSHORE ................................ 17

    2.2.1. APRESENTAO ................................................................................. 17

    2.2.2. ELEMENTOS QUE COMPEM UMA JAQUETA .................................. 20

    2.2.3. COMPORTAMENTO ESTRUTURAL DAS JAQUETAS ......................... 22

    2.3. JUNTAS TUBULARES ................................................................................. 25

    2.3.1. CONSIDERAES INICIAIS ................................................................ 25

    2.3.2. FLEXIBILIDADE LOCAL ........................................................................ 32

    2.3.3. RESISTNCIA LIMITE .......................................................................... 62

    2.4. INTERAO SOLO-ESTRUTURA ............................................................... 71

    2.4.1. CONSIDERAES INICIAIS ................................................................ 71

    2.4.2. RESISTNCIA VERTICAL DO SOLO (CURVAS t-z e Q-z) ................... 73

    2.4.3. RESISTNCIA LATERAL DO SOLO (CURVAS p-y) ............................. 86

    2.5. MODELAGEM ESTRUTURAL ...................................................................... 97

    2.5.1. CONSIDERAES INICIAIS ................................................................ 97

    2.5.2. RTULAS PLSTICAS ....................................................................... 115

    2.5.3. MODELAGEM DE MEMBROS TUBULARES ...................................... 122

  • viii

    2.6. HIDRODINMICA....................................................................................... 133

    2.6.1. ONDAS ................................................................................................ 135

    2.6.2.