A presente tese apresenta resultados das investigações experimentais e analíticas acerca do fenômeno de Vibrações Induzidas pela Emissão de Vórtices - VIV em cilindros circulares imersos em água. As investigações foram conduzidas com o propósito de aumentar a compreensão sobre o mecanismo de acoplamento das oscilações transversais e longitudinais ao escoamento, bem como o de investigar a fluido-dinâmica envolvida no patamar de resposta ressonante, típico de cilindros com baixo coeficiente de massa-amortecimento reduzido. A importância de tais problemas para o cenário da indústria "offshore", onde agrupamentos de "risers" são instalados a partir de sistemas flutuantes de produção, foi exemplificada e constitui a prévia motivação para o presente trabalho. Buscando atingir o primeiro objetivo, dois arranjos experimentais foram construídos: Experimento I, a partir de um cilindro flexível engastado e ensaiado nos canais de água circulante com baixa turbulência das Universidades de Michigan e de Cornell; e Experimento II, a partir de um cilindro rígido engastado, elasticamente montado em um transdutor com dois graus de liberdade e ensaiado no tanque de provas do Instituto de Pesquisas Tecnológicas do Estado de São Paulo - IPT. Com base nestes experimentos, oscilações acopladas de grande amplitude foram claramente identificadas e sua relação com a assimetria estrutural sugerida. Resultados de massa adicional variável com a velocidade do escoamento também foram obtidos, em concordância com resultados de outros autores, estes obtidos a partir de simulações numéricas e distintos arranjos experimentais. ) Por sua vez, a busca pelo segundo objetivo se desenvolveu a partir de Estudos Analítico-Experimentais, com uma releitura das abordagens fenomenológicas, mostrando que a interpretação consistente de parâmetros hidrodinâmicos escritos como função da velocidade reduzida, tais como a massa adicional, o amortecimento fluido e a força de sustentação, representa papel essencial na melhoria de modelos analíticos baseados em osciladores do tipo Van der Pol. Tais estudos permitiram uma melhor predição do fenômeno de VIV e identificaram o mecanismo fluido-dinâmico governando o patamar de resposta ressonante. Um mérito adicional do presente trabalho é a efetiva colaboração com outras instituições nacionais e internacionais de pesquisa. O intercâmbio científico contribuiu para dar maior consistência, confiabilidade e considerável originalidade aos resultados.

The present thesis presents results from experimental and analytical investigations concerned with the Vortex-Induced Vibrations (VIV) phenomenon of circular cylinders in water. As fundamental purposes, the investigations have been carried out to enhance the understanding on the coupling mechanism between cross-flow and in-flow oscillations, as well as and to investigate the fluid-dynamics involved with the typical lower branch response of cylinders with low mass-damping coefficient. The importance of such matters on the offshore industry scenario, where bundle of risers are installed on floating production systems, has been exemplified and constitutes the former motivation of the present work. To achieve the first purpose, two different experimental set-ups were built: Experiment I, a flexible cantilever, driven in low turbulence water channels, at University of Michigan and Cornell University; Experiment II, a rigid cantilevered cylinder, elastically mounted on a two degree-of-freedom transducer, run in a towing tank, at São Paulo State Technological Research Institute - IPT. Through the experiments, coupled oscillations of large amplitude were clearly identified and its relation with structural asymmetry was suggested. Results of added mass varying with the flow velocity were also obtained, agreeing well with recent results found by other authors, obtained from numerical simulations and from distinct experimental set-ups. The second goal has been pursuedthrough Analytical-Experimental Studies, by re-addressing phenomenological approaches and by showing that a consistent interpretation of relevant hydrodynamic parameters, written as functions of reduced velocity, namely the added-mass, the fluid damping and the lift force, plays an essential role in improving analytical models of the Van der Pol oscillator type. Such a study led to a better prediction of the VIV phenomenon and allowed identifying the fluid-dynamics mechanism governing the resonant response at the lower branch. An additional merit of the present work is the effective collaboration with other national and international research institutions. The scientific exchange contributed to give greater consistency, reliability and considerable originality to the results.