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Mémoire de Maîtrise
DOI
https://doi.org/10.11606/D.3.2021.tde-31012022-120739
Document
Auteur
Nom complet
Arina Ioná van Langendonck Barretto de Carvalho
Adresse Mail
Unité de l'USP
Domain de Connaissance
Date de Soutenance
Editeur
São Paulo, 2021
Directeur
Jury
Campello, Eduardo de Morais Barreto (Président)
Fujarra, André Luís Condino
Horowitz, Bernardo
Titre en portugais
Contribuições às análises estática e dinâmica do sistema de amarração de navios atracados em dolphins.
Mots-clés en portugais
Amarração
Análise dinâmica linear
Análise estática não linear
Defensas
Dolphins
Navio
Resumé en portugais
A segurança operacional de um terminal portuário é garantida pela adequada limitação dos movimentos da embarcação atracada durante as operações de carga e descarga. Os principais responsáveis pela excitação da embarcação são as ações ambientais. As restrições dos deslocamentos se dão no plano horizontal por meio dos cabos de amarração e defensas. Na prática atual de projeto de estruturas civis portuárias, as principais normatizações internacionais determinam os esforços de amarração (tração nos cabos e compressão nas defensas) de maneira simplificada, por meio de uma análise estática linear que desacopla os movimentos da embarcação e não considera a rigidez relativa de seus elementos. Este trabalho de mestrado se propõe a investigar esses esforços sob as óticas de análises estática não linear e dinâmica linear em um estudo de caso de um terminal de regaseificação de gás natural no Porto de Barcarena/PA, Brasil. O caso é o de uma unidade flutuante FSRU (Floating Storage Regasification Unit) acostada permanentemente em dolphins e sujeita às ações ambientais de vento e corrente. As não linearidades consideradas na análise estática são físicas, como a natureza da defensa elastomérica, e geométricas, as quais são dadas pela rigidez relativa dos cabos de amarração e também pela alteração da configuração do sistema, devido à eventual perda de contato entre o navio e as defensas e ao afrouxamento dos cabos. Desta forma, o equilíbrio é dado por um sistema de equações não lineares, que são resolvidas pelo método numérico de Newton. Para efeito de comparação, o caso também é analisado por meio de um modelo simplificado estático linear, conforme prescrito pelas principais normatizações internacionais. Devido ao caráter oscilatório do vento, um modelo dinâmico linear é também apresentado, e sua resolução é feita no domínio da frequência. Primeiramente, define-se a equação de movimento. Em seguida, a rigidez do sistema é linearizada a partir da posição de equilíbrio do navio sob as ações médias de vento e corrente, cuja determinação é feita por meio do modelo estático não linear supracitado. Logo, a partir dos coeficientes hidrodinâmicos de massa adicional e amortecimento, é possível estimar as frequências naturais e modos de vibração do sistema em tal configuração, considerando a dependência dos mesmos com a frequência de oscilação. Por fim, os deslocamentos dinâmicos e seus valores máximos são estimados por intermédio de teorias estocásticas e estatísticas. De posse dos resultados, faz-se uma análise das abordagens adotadas e uma discussão das consequências das simplificações efetuadas correntemente nas normas de projeto de estruturas de obras costeiras.
Titre en anglais
An assessment of the static and dynamic analyzes of mooring systems' forces of vessels berthed at dolphins.
Mots-clés en anglais
Dolphins
Linear dynamic analysis
Marine fenders
Mooring lines
Nonlinear static analysis
Resumé en anglais
The operational safety of a port terminal is ensured by the appropriate limitation of movements of berthed vessels during their loading and unloading operations. In such operations, the main forces acting on a vessel come from environmental sources. The displacement restrictions on the horizontal plane are given through mooring lines and fenders, which comprise the vessels mooring system. The current practice on the design of civil port structures is based on the relevant international standards, which prescribe the computation of the mooring forces (lines tension and fenders compression) through simplified methods. These methods invariably consist of a linear static analysis that decouples the vessel's movements and does not consider the relative stiffness of its elements. The purpose of this work is to investigate the forces in mooring systems through the development of more advanced (hierarchically superior) models, namely, a nonlinear static model and a linear dynamics model, and compare their results against those of the simplified methods. The models are applied to a case study of a natural gas regasification terminal at the Port of Barcarena, Pará (Brazil), consisting of a Floating Storage Regasification Unit (FSRU) permanently berthed at dolphins and subjected to environmental wind and current loads. For the static model, the nonlinearities considered are both physical (such as the fenders´ compression stiffness and buckling-column-type behavior) and geometrical (caused by the slacking of the mooring lines and the occasional loss of contact between the vessel and the fenders). The resulting system of nonlinear equations is iteratively solved through a Newton-Raphson scheme. For the dynamics model, in turn, we formulate the problem in the frequency domain taking into account the oscillatory nature of the environmental loadings. To this aim, the system´s stiffness is linearized around the equilibrium configuration (under mean wind and current loads) as determined by the previous (nonlinear static) model. Then, with the hydrodynamic coefficients of added mass and damping, it ispossible to compute the system´s natural frequencies and mode shapes at such configuration, all of which known to be frequent-dependent. Finally, the dynamic displacements and their maximum values are estimated through stochastic and statistical theories, respectively. For comparison purposes, the same input parameters as used in both models were adopted to compute the mooring system´s forces through the simplified, linear static methods prescribed by the international standards. A thorough assessment of the results as obtained with each modeling approach is performed. We then discuss the consequences of using the simplified methods in the current design practice of such coastal structures.
 
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Date de Publication
2022-01-31
 
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