ace couger
Transcrição
ace couger
WORKSHOP HIDRODINÂMICA Afonso Cabrera Daniel Cueva MARÇO/2015 PROGRAMAÇÃO METEOCEANOGRAFIA (VENTOS, ONDAS E CORRENTEZA) HIDROSTÁTICA (ESTABILIDADE) INTERVALO HIDRODINÂMICA (MOVIMENTOS) MANUTENÇÃO DA POSIÇÃO (DP E ANCORAGEM) FECHAMENTO METEOCEANOGRAFIA AGENDA METOCEAN • • • • • • Waves Current Wind Tide Temperature Environmental Conditions STDV HS 100-100-10 w UTME PM ZR HMAX TC TZ UP GAMA M0 SIGMA TP HAT TZ TZ DOWN NPD THMAX API OCHI JONSWAP H1/1000 EDDIE LOOP ALPHA RP BEAUFORT M2 MHWS DEFINITION • METeorological and OCEANographic parameters • The term is often used in the offshore industry to describe the physical environment near an offshore platform WAVES • Gravity waves (restoring force is gravity) WAVES DEEP AND SHALLOW WAVES WAVE GENERATION WAVE LENGTH • Wave Number k 2 k 2 g • Phase Velocity (gravity, deep water) C T g C 2 • What is the wave length for a 10s wave period? gT 2 2 1,56 T 2 T (s) λ (m) 4,0 25,0 8,0 99,9 12,0 224,8 16,0 399,7 20,0 624,5 24,0 899,3 28,0 1224,1 32,0 1598,8 WAVE ANALYSIS WAVE ANALYSIS • Fourier Transform TP peak period m0 TZ 2 m2 mn S d m0 S d n 0 0 H SIG H 1 4 m0 3 H MAX H 1 1000 7.7 m0 • Statistical Analysis WHY H1/3 ; WHY H1/1000 The significant wave height was intended to mathematically express the height estimated by a "trained observer“ Considering a typical wave period of 10s and a typical storm duration of 3 hours 3h 3600 s 10800 s 1080 10 s In 3 hours there will be 1080 wave occurrences. So H1/1000 is the approximate probability of having one extreme event in a 3 hour storm. EXERCISE Based on this signal, estimate Hs and Tp. WAVE SPECTRUM Wave Spectrum, adjusted for Campos Basin wave conditions (PETROBRAS) JONSWAP (JOint North Sea WAve Project) Pierson Moskowitz Hs, Tp, γ Bretschneider, Mitsuyasu, ISSC, … defines a sea state RETURN PERIOD A return period (also known as a recurrence interval) is an estimate of the interval of time between events. CAMPOS GoM 1 year 10 year 100 year 1 year 10 year 100 year Hs (m) 6.4 7.2 7.8 Hs (m) 4.5 5.8 7.5 Tp (s) 13.9 14.8 15.6 Tp (s) 9.8 10.6 12.0 Hmax (m) 11.9 13.3 14.5 Hmax (m) 8.2 10.6 13.6 Thmax (s) 13.7 14.4 1.5 Thmax (s) 9.0 9.8 11.0 Hs (m) 16.91 Tp (s) 14.29 Hmax (m) 32.10 SWELL •long-wavelength surface waves Why is swell a problem? For bimodal sea states, the power spectrum has two significant peaks CURRENT • Tidal Current • Circulation Current • Storm-generated Current CURRENT PROFILE • Constant • Triangular • Any Current load may be the governing design load and the selection of a appropriate current profile is important! CURRENT PROFILE • Direction variation with water depth Amplitude fluctuation may be considered. WIND • Direct inpact on ships and offshore structures • Responsible for wave generation WIND • Constant in direction and speed Common reference height level is z = 10 meters Common averaging times are 1min, 10min or 1h SOURCE: DNV API INDICATION WIND SPECTRUM • Fluctuating wind steady component (usually 1h) + gust spectrum •Ochi •Davenport •Harris •Wills •Kaimal •API (American Petroleum Institute) •NPD (Norwegian Petroleum Directorate) •Others DRAG VISCOSITY TEMPERATURE ENVIRONMENTAL CONDITIONS - DIRECTIONS IMPORTANT! USUAL SOUCE OF ERRORS! WAVE COME FROM WIND COME FROM CURRENT GOES TO THIS IS NOT A RULE! MAKE SURE YOU KNOW THE COORDINATE SYSTEM! ENVIRONMENTAL DESIGN CONDITIONS WAVE DESIGN CONDITION 100 YEARS RETURN PERIOD WITH ASSOCIATED WIND AND CURRENT WIND DESIGN CONDITION 100 YEARS RETURN PERIOD WITH ASSOCIATED WAVE AND CURRENT CURRENT DESIGN CONDITION 100 YEARS RETURN PERIOD WITH ASSOCIATED WAVE AND WIND 100 YEAR WAVE + 100 YEAR WIND + 10 YEAR CURRENT & 100 YEAR CURRENT + 10 YEAR WAVE + 10 YEAR WIND HIDROESTÁTICA HIDROESTÁTICA - MOTIVAÇÃO Compreender os aspectos envolvidos na estabilidade de sistemas flutuantes, sua dinâmica e as ferramentas existentes para a sua avaliação. MV Cougar Ace Características principais: Type: Ro-Ro (Roll on Roll off vessel) Comprimento: 199m Boca: 32m Calado:10m Data do acidente: 04/05/2005 Nomeclatura e Terminologia Deslocamento (m3) ∆ Deslocamento em Massa (Toneladas) AP Perpendicular de Ré Awl Área de Linha D'água B, CB Posição do Centro de Carena BM Dist. entre o Centro de Carena e o Metacentro (raio metacêntrico) DWL Linha D'água no Calado de Projeto FP Perpendicular de Vante G, CG Posição do Centro de Gravidade GM Dist. entre o Centro de Gravidade e o Metacentro GZ Braço de Endireitamento Iwl Momento de Inércia da Área de Linha D'água (m4) Ixx, Iyy, Izz Momento de Inércia (t*m2) K Quilha KB Dist. entre a Quilha e o Centro de Carena Nomeclatura e Terminologia KG Dist. entre a Quilha e o Centro de Gravidade KM Dist. entre a Quilha e o Metacentro LCB Pos. Longitudinal do Centro de Carena LCF Pos. Longitudinal do Centro de Flutuação LCG Pos. Longitudinal do Centro de Gravidade Loa Comprimento Total Lpp Comprimento entre Perpendiculares M Metacentro MTcm Momento para Mudar o Trim em 1cm Rxx, Ryy, Rzz Raio de Giração (m) TCG Pos. Transversal do Centro de Gravidade TP cm Toneladas por Centímetro de Imersão VCB Pos. Vertical do Centro de Carena VCG Pos. Vertical do Centro de Gravidade PRINCIPIO DE ARQUIMEDES P P E E (a) (b) P E P E R (c) (d) Flutuabilidade Tabelas e Curvas Hidrostáticas •São curvas com várias propriedades hidrostáticas do casco, em função do calado. •São muito úteis para planos de carga e descarga, movimentação de pesos a bordo e, principalmente, para os estudos de estabilidade durante o projeto. Tabelas e Curvas Hidrostáticas WL.AR IL Área de Linha D'água Inércia de Linhra D'água As curvas ao lado são de qual tipo de embarcação? Final dos pontoons e início das colunas Estabilidade Estática • ESTÁVEL • INDIFERENTE • INSTÁVEL Estabilidade Estática • Posição Metacêntrica - M L1 O ponto onde a linha vertical que passa por B se cruza com outra linha vertical (em função da L W W1 G Z B1 B nova linha d'água) que passa por B1. OBS: δθ 0 L.C. Estabilidade Estática M(momento restaurador) = GZ Questão: como descobrir o GZ? Estabilidade Estática • Estabilidade Inicial GZ Gmsenδ Como saber o Gm? KB + Bm = KG + Gm Gm = KB + Bm KG δθ Estabilidade Estática • Cálculo do BM I = Σδ, / xδδyy= y²dydx g2 g1 BM = BB1 / tanδθ = V.g1g2/ tanδθ V.g1g2 = 1 / 2. y . ytanδθ 4y / 3dx V.g1g2 / tanδθ = 2 / 3 y³dx y²dy = Y³ / 3 I = 1 / 3 y³dx BM Estabilidade Estática • • • Pequenos ângulos ⇒ Metacentro M= ~ constante Ângulos maiores: Curva do metacentro é obtida como a evoluta à curva do centro de carena. Interseção da normal à curva do centro de carena com a linha de centro ⇒ Metacentro Aparente N Estabilidade Estática Incli.(graus) 0 0.25 0.5 1 2 3 4 5 10 25 40 55 60 75 90 GZ(m) 0 0.06 0.13 0.26 0.51 0.76 1.01 1.26 2.48 4.01 2.69 0.69 -0.04 -2.24 -4.83 GM GM(m) 0 14.67 14.67 14.67 14.64 14.58 14.54 14.49 14.29 9.49 4.18 0.84 -0.04 -2.32 -4.83 14.74 GZ'(m) 0 0.06 0.13 0.26 0.51 0.77 1.03 1.28 2.56 6.23 9.47 12.07 12.77 14.24 14.74 Curvas de Restauração GZ2-GZ(m) 0 0 0 0 0 0.01 0.01 0.02 0.08 2.22 6.79 11.39 12.8 16.48 19.57 16 14 12 10 8 GZ(m) GZ'(m) 6 4 2 0 -2 -4 -6 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 Caso Especial: Estabilidade em Semi-Subs CALADOS EIXOS PRINCIPAIS DE INÉRCIA EFEITOS DO VENTO Caso Especial: Estabilidade em Semi-Subs LINHAS DE AMARRAÇÃO FORÇA DE SUSTENTAÇÃO Movimentação de Carga GZ = GMsenθ GZ = GMsenθ Devido a um novo peso w colocado a uma distância d do centro de linha d'água, temos: M = w.dcosθ M banda = M restaurador GMsenθ = w.dcosθ GM = w.dcosθ / senθ GM = w.d / tanθ Experimento de Inclinação Efeito de Superfície Livre •O movimento do líquido em um tanque que está parcialmente cheio reduz a estabilidade da embarcação. •Conforme o navio inclina, o centro de gravidade do líquido se desloca para o lado mais baixo, deslocando o centro de gravidade do navio para o lado mais baixo e conseqüentemente reduzindo o braço restaurador. Redução de Estabilidade Efeito Granel Efeito em Ondas Modificação da inércia de área: -Crista a meio navio →Redução BM -Cavado a meio navio →Aumento BM Içamento de Peso CG Aparente – Extremidade da lança do guindaste Gerais: -Navios ↓CB e formas em V →Efeito ↑ -Navios ↑CB e formas em U →Efeito ↓ Efeito adicional: -KB ↑ (pouco) Estabilidade Dinâmica • Critério de Estabilidade – IMO: “International Maritime Organization” CURVA DE ESTABILIDADE VENTO MOVIMENTO Estabilidade Dinâmica ENERGIA Normas • Exemplo BV Estabilidade Avariada Avaria de Acordo com um Critério Pré-Estabelecido - GM > 0 - Banda e Trim Máximo - Comprimento Alagável - Imersão do Convés - Vazamento Máximo de Óleo - etc. Cálculo Manual: - Método de Adição de Peso - Método de Perda de Flutuabilidade Cálculo Numérico: HIDRODINÂMICA BASIC TOPICS ON OFFSHORE HYDRODYNAMICS MOTIONS IN WAVES EXAMPLE OF HYDRODYNAMIC STUDIES OFFLOADING EXAMPLE OF HYDRODYNAMIC STUDIES PARAMETRIC MOTIONS from youtube.com/user/Paneroso EXAMPLE OF HYDRODYNAMIC STUDIES CAVITATION cortesy from MARIN EXAMPLE OF HYDRODYNAMIC STUDIES GREEN WATER EXAMPLE OF HYDRODYNAMIC STUDIES SLAMMING EXAMPLE OF HYDRODYNAMIC STUDIES INSTALLATION EXAMPLE OF HYDRODYNAMIC STUDIES MOORING AND RISER ANALYSIS BASIC TOPICS ON OFFSHORE HYDRODYNAMICS SMALL STRUCTURES • Small: the wave do not “feel” the structure • Jackets, piles, risers, mooring lines, subsea equipments, jackup legs, stingers, … • Morison force model • Remembering: gT 2 2 1,56 T 2 MORISON FORCE BASIC TOPICS ON OFFSHORE HYDRODYNAMICS LARGE STRUCTURES • Size comparable to wave length • Semi submersibles, FPSOs, ships, barges, Spars,... • Evaluation by potential theory • Newtonian fluid - no viscosity • Usually panel models are used WAVE FORCES ON FLOATING SYSTEMS excitation forces radiation forces and restoring wave forces in a floating system EXCITATION FORCES • Froude-Krylov force from compadre.org • Pressure due to the undisturbed waves • Diffraction force • Pressure modification due to presence the body RADIATION FORCES AND RESTORIG • Hydrostatic restoring • displaced mass • Added mass and potential damping • radiated wave pressure DYNAMIC EQUATION • mass times acceleration equal to the forces sum - 2nd Newton law • natural period • natural period of a system with mass of 300g and 12.5N/m? RAO • Coupled dynamic equation for the 6 degree of freedom (DOF) • Solving the equation for each frequency, results in a linear transfer function called RAO - Response Amplitude Operator RAO • It describes the 1st order motion characteristics of the floater • Does not depend on the waves • It is a linear function • Can be used for non-linear motions, such as FPSO roll, but with caution 6 DOF COUPLING Fext Fext Fext SPECTRAL CROSS • Combination of waves and floater characteristics • Obtain the maximum and significant amplitude SPECTRAL CROSS INPUT SEA (spectrum) X X TRANSFER FUNCTION OUTPUT RAO^2 IRREGULAR MOTION (spectrum) CALCULATION CHART EXAMPLE Small or big structure? viscosity can be neglected? 3D diffraction/radiation solver, frequency domain Obtain Cd and Cm dynamic solver rules, softwares or model test spectral cross motions, velocity and accelerations forces to structural analysis maximum estimative to mooring and risers analysis comparison with model test operational limits REFERENCES • Faltinsen O.M., 1990, Sea Loads on Ships and Offshore Structures, Cambridge University Press; • Chackrabarti S.K., 1987, Hydrodynamics of Offshore Structures, Computational Mechanics Publications, Springer-Verlag • Den Hartog, 1956, Vibrações nos Sistemas Mecânicos, Ed. Edgard Blücher • WAMIT User Manual v6.4, 2006, Wamit Inc. • http://www.youtube.com/user/oceanicaoffshore • www.oceanicabr.com/downloads DÚVIDAS? MANUTENÇÃO DA POSIÇÃO MOTIVAÇÃO Fornecer uma visão macro dos tipos de sistemas de manutenção da posição (ancoragem e DP), parâmetros de projeto e metodologias de cálculo. Como manter um corpo de 250.000t em posição, numa lamina d’água de 2.500m, durante condições de extremas de operação? MANUTENÇÃO DA POSIÇÃO Ancoragem Convencional Single Point ou Spread Mooring Frequentemente utilizada Função da lamina d’água Posicionamento Dinâmico (DP) Manutenção automática da posição Unidades que mudam de locação frequentemente SISTEMAS DE ANCORAGEM Spread Mooring Single Point Mooring Turret Mooring Interno Externo SALM (Single Anchor Leg Mooring) CALM (Catenary Anchor Leg Mooring) CALM com Hawsers CALM com Soft Yoke CALM com Yoke fixo Tendões SPREAD MOORING Sistema de ancoragem típico FPSOs ou Semi-subs Linha composta por amarra, cabo de aço, cabo sintético ou combinação dos três Permanente ou temporário Perfuração ou produção ANCORAS Traditional Drag Anchor Suction Pile VLA Ancora Torpedo ANCORA TORPEDO LINHAS ANCORAGEM Amarra (corrente) R3, R4 Stud Chain ou Studless Cabo de Aço Maior elasticidade e menor peso que a amarra Corrosão Cabo sintético Poliester Restauração não-linear All Chain Chain & Wire Rope Chain & Synthetic Fiber Rope Chain & Wire Rope & Synthetic Fiber Rope LINHAS DE ANCORAGEM ARRANJOS DE SISTEMAS DE ANCORAGEM Catenaria “Semi-taut” “Taut Leg” Elasticidade da linha Pretensão Carregamento vertical Menor raio de ancoragem DINÂMICA DE UM SISTEMA DE ANCORAGEM FRISERS SISTEMA FLUTUANTE RISERS X, Ẋ, Ẍ 1ª ORDEM CORRENTEZA 2ª ORDEM VENTO ONDA FANCORAGEM X, Ẋ, Ẍ SISTEMA DE ANCORAGEM FORÇAS DE ONDAS 1ª Ordem Forças grandes Mesma frequência que a onda Relacionada à elevação de onda Proporcional à amplitude da onda (linear) 2ª Ordem Forças pequenas Baixa frequência Relacionadas ao grupo de onda Proporcional ao quadrado da amplitude da onda (quadrática) FORÇAS DE ONDAS 1 0.5 0 -0.5 -1 W1=10s W2=11s 0 50 100 150 200 250 2 1 W1=10s 0 W2=11s -1 W1+W2 -2 0 50 100 150 200 250 4 3 2 1 W1+W2 (w1+w2)^2 0 -1 -2 0 50 100 150 200 250 FORÇAS DE ONDAS 4 3.5 3 2.5 (w1+w2)^2 2 Baixa Freq 1.5 Média 1 0.5 0 0 50 100 150 200 250 F2 g 2 A r 2 FORÇAS DE ONDAS – MÉTODO DE CÁLCULO Modelo Numérico Radiação-Difração Aproximações FORÇAS DE CORRENTEZA Maré, Circulatórias, Tempestades Variam com a profundidade (intensidade e direção) Forte atuação no casco, linhas e risers Frequency of Current Occurencies Values of Current Occurencies Campos Basin - Comes from CB Intermediate Central Region - Comes from N N 2 NW NW NE 50.00% NE 40.00% 1.5 30.00% 1 20.00% 0.5 W 10.00% E 0 SW SE S W E 0.00% SW SE S CB Profile Comes from North FORÇAS DE CORRENTEZA Formulação para arrasto Fd 1 2 S U 2 Cd Reynolds típico em projetos offshore (2m/s) Structure D charac. Re Spars SS coluns and pontoons FPSO Mono Columns 80-260mm 20-45m 8-15m 200-300m 60-120m 1.2-4E+5 3-6.7E+7 1.2-2.3E+7 3-4.5E+8 9-18E+7 Risers Mooring lines 4”-18” 1.5-6.8E+5 FORÇAS DE CORRENTEZA – MÉTODO DE CÁLCULO • Teste em escala • CFD • Formulações (ex: Faltinsen, 1990) 0 . 0 7 5 c 2 F 1 1 2 S U e c o s 2 l o g R n 2 1 0 R n U cLc o s • Semi-empírico Equações básicas com valores de Cd baseados na bibliografia FORÇAS DE VENTO Provoca pressão normal e arrasto tangencial Varia de intensidade com a altitude (alt. de ref. – 10m) Velocidades médias usuais – 1min, 10min, 1hora Values of Wind Occurencies Frequency of Wind Occurencies 10m above sea level, 10min. - Comes from 10m above sea level, 10min. - Comes from N N 35 NW 50.00% NE NW 30 40.00% 25 30.00% 20 NE 15 20.00% 10 10.00% W 5 E 0.00% SW SE S W E 0 SW SE S FORÇAS DE VENTO • Velocidade constante: média de 1-minuto • Flutuante: média de 1-minuto + rajada (wind gust spectrum) • Espectro NPD(API2SK): 23 2 S f n p d • Fatores para a vel. de vento(API) Average time Period Multiply 1 hour average by 10 min 1.060 1 min 1.180 0 .4 5 z U z 0 172 3 2 0 10 f' 1 0 1 0 34 0 .4 6 83 .5 6 1 1 f' U0 10 FORÇAS DE VENTO – MÉTODO DE CÁLCULO • • • • Teste em escala CFD OCIMF Semi-empírico • Regras (API, DNV) • Sofwares (WINDOS) FORÇAS AMBIENTAIS - EXEMPLO ANÁLISE DO SISTEMA DINÂMICA DO SISTEMA FLUTUANTE RESPOSTA DO SISTEMA DE ANCORAGEM INTERAÇÃO COM RISERS DINÂMICA DO SISTEMA FLUTUANTE Simulação da dinâmica da embarcação Domínio da frequência Desacoplado Carregamentos (médio, lento e alta frequência) calculados separadamente Rápido Domínio do tempo Combina a resposta média, lenta e de alta frequência Pode ser acoplado Lento Séries temporais RESPOSTA DO SISTEMA DE ANCORAGEM Simulação da resposta do sistema de ancoragem Quase-estático Carregamentos de onda offset Efeitos dinâmicos de massa, amortecimento e aceleração nas linhas não são considerados Catenária Acoplado ou desacoplado Dinâmico Efeitos dinâmicos de massa, amortecimento e aceleração nas linhas são considerados Pode ser não-linear Elementos finitos Acoplado ou desacoplado ANÁLISE DINÂMICA ACOPLADA CONDIÇÕES DE PROJETO Análise Intacta Análise Avariada Análise Transiente CRITÉRIOS DE PROJETO Offset da embarcação Tensão na linha Comprimento da linha Carregamento na âncora Vida fadiga (3x) Espaçamentos Estruturas de suporte POSICIONAMENTO DINÂMICO Sistema para manutenção automática da posição através da aplicação de propulsores SISTEMAS Sistemas de potência Geradores Painéis Cabeamento Propulsores Propulsores auxiliares Propulsor principal Leme Sistema de controle Computadores Software Sistemas de referência LOOP DE CONTROLE ALOCAÇÃO DOS PROPULSORES Fxrequerido Fyrequerido Mzrequerido Prop. 1: Azimute e Rotação ROTINA DE ALOCAÇÃO FUNÇÃO OBJETIVO: POTÊNCIA ... Prop. n: Azimute e Rotação FALHA FMEA Failure Modes and Effects Analysis PAINEL “A” A2 T5 T4 T6 A1 PAINEL “B” REDUNDÂNCIA IMO 646 – Guidelines for Vessels with DP Systems Classe 1: perda de posição pode ocorrer no evento de uma falha simples Classe 2: perda de posição não pode ocorrer no evento de uma falha simples de um componente ou sistema ativo (geradores, propulsores, painéis, etc). Classe 3: perda de posição não pode ocorrer para nenhuma falha simples, mesmo considerando incêndios e inundações em compartimentos estanques ANÁLISE ESTÁTICA Capability Plots (IMCA M140) Verificar que a capacidade do DP é maior que o carregamento ambiental médio ARRANJO Posições disponíveis Interação casco-propulsor Interação propulsor-propulsor Otimização por custo, prazo, instalação, etc EXERCÍCIO Relação Empuxo-Potência: 13 kg/hp Qual deve ser a potência de cada propulsor? TESTE EM ESCALA Ferramenta complementar para avaliação de ancoragem e DP Calibração REFERÊNCIAS API RECOMMENDED PRACTICE 2FPS FIRST EDITION, MARCH 2001 Recommended Practice for Planning, Designing, and Constructing Floating Production Systems API 1987 American Petroleum Institute RP 2P Recommended Practice for the Analysis of Spread Mooring Systems for Floating Drilling Units API Recommended Practise 2SK Third Edition Design and Analysis of Stationkeeping Systems for Floating Structures OFFSHORE STANDARD DET NORSKE VERITAS DNV-OS-E301 POSITION MOORING OCTOBER 2004 RECOMMENDED PRACTICE DNV-RP-E303 GEOTECHNICAL DESIGN AND INSTALLATION OF SUCTION ANCHORS IN CLAY OCTOBER 2005 GoM Offshore Structures Design Criteria, by DNV 2005 ABS Rules for Building and Classing Single Point Moorings 1996 ABS Guide for Certification of Offshore Mooring Chain 1999 ABS Guidance Notes: The Application of Synthetic Ropes for Offshore Moorings 1999 Design and integrity management of mobile installation moorings by Noble Denton