O fenômeno de Vibração Auto-Induzida por Vórtices (VSIV) ainda é pouco explorado nos projetos de risers em catenária na exploração de hidrocarbonetos em águas profundas e ultra-profundas. O VSIV é causado pelo movimento imposto ao riser pela unidade flutuante, que é sujeita à ação de ondas de gravidade, induzindo vibrações no plano da catenária e, assim, liberando vórtices que provocam movimento oscilatório em direção a ele perpendicular. Estudos fundamentais com cilindros rígidos, montados em base elástica em uma direção e foçados a se movimentar na direção a ela perpendicular, desvelam uma fenomenologia rica e complexa, mostrando diversos padrões de sincronização e picos de resposta em função da amplitude e frequência do movimento imposto. Contrário ao fenômeno observado em cilindros rígidos, o caso em catenária não apresenta uma clara relação de causalidade, e os movimentos no plano e fora deste são respostas daquela excitação primária. Além disto, cilindros flexíveis assumem respostas multimodais, dificultando a compreensão fenomenológica do VSIV. Utilizando um modelo em escala reduzida de riser em catenária, deslocamentos medidos oticamente ao longo da linha foram utilizados em um processo de decomposição de Galerkin, levando à obtenção de séries modais de movimento do modelo sujeito ao VSIV. A partir da consideração de causalidade entre a resposta de vibração do plano e fora deste, foi possível obter um Modelo de Ordem Reduzida (MOR) contendo um número finito de modos. Além disto, os grupos adimensionais tipicamente utilizados em análise de VSIV foram reinterpretados na forma de parâmetros equivalentes modais dos quais se percebeu a necessidade de se substituir a velocidade reduzida pela relação entre a frequência dominante do movimento no plano e a frequência natural de cada modo analisado, em seu movimento fora deste plano. Finalmente, adotando-se uma hipótese de que o mecanismo responsável pelo movimento fora do plano é causado pelo modo dominante no plano, foi possível obter relações de similaridade entre os resultados da dinâmica multimodal e os apresentados para o caso do cilindro rígido.

The phenomenon of Vortex Self-Induced Vibration (VSIV) is still little explored in the design and analysis of catenary risers used in the production of hydrocarbons in deep and ultra-deep waters. The VSIV is driven by the movement imposed to the top extremity due to the vessels oscillations caused by the action of gravity waves, inducing vibrations in the catenary plane and, therefore, shedding vortices which provoke oscillatory motions perpendicular to this plane. Fundamental studies with rigid cylinders, mounted on an elastic apparatus and forced to oscillate in the direction perpendicular to the springs, reveal a rich and complex phenomenology, showing diverse patterns of synchronization and amplitude peaks as function of amplitude and frequency of the imposed motion. Contrary to the case in rigid cylinders, the phenomenon in catenary models is not characterized by a clear causality relation, since the only imposed movement is at the upper-extremity and the movements in-plane and out-of-plane are both responses to that excitation. In addition, flexible cylinders assume multimodal responses, making the phenomenological understanding of the VSIV difficult. Using a small-scale model of a catenary riser, displacements optically measured along the line were used in a Galerkins decomposition process to obtain modal motion series of the model subjected to VSIV. Considering a causality relation between the in-plane and out-of-plane vibration responses, it was possible to obtain a Reduced Order Model (MOR) decomposed into a finite number of modes. In addition, the dimensionless groups typically used in VSIV analysis were reinterpreted, leading to the proposition of a set of equivalent modal parameters. Then, it was observed that a redefinition of the reduced velocity parameter should me made, replacing it with the ratio between the in-plane mode measured dominant frequency with the out-of-plane natural frequency of the mode under analysis. Finally, a hypothesis was adopted that the driving mechanism responsible for the out-of-plane movement was caused by the dominant mode in the plane, making it possible to obtain similarity relations between the the VSIV multimodal dynamic results and those from the rigid cylinder case.