Sesam para Análise Estrutural e Hidrodinâmica

Sesam para Estruturas Flutuantes
Um sistema integrado de análise estrutural e hidrodinâmica

João Henrique VOLPINI Mattos
Engenheiro Naval
Regional Sales Manager - Maritime & Offshore Solutions (South America), DNV Software

Julho 2012

Sesam – Uma História de Sucesso de 42 anos
 Um sistema completo e orientado ao mercado, para ava-
liação estrutural de navios e estruturas offshore.
 Construído através de alianças estratégicas com organiza-
ções chave e, P&D e fornecedores líderes de tecnologia.
 Mais de 200 ogranizações globais utilizam o Sesam como
sua ferramena preferencial para engenharia de estruturas
offshore.
 Sesam é utilizado para o projeto de plataformas fixas e
flutuantes, de águas rasas a ultra-profundas em ambien-
tes hostis.
 Combina as melhores práticas de engenharia (processos
de trabalho) com ferramentas para o projeto, análise
estrutural e avaliação de integridade.
 Sesam é utilizado para documentar a segurança da estru-
tura, satisfazendo padrões de projeto, regulamentos esta-
tutários e critérios de conforto, segurança e meio
ambiente.
 Suporta normas API/AISC (WSD & LRFD), Eurocode,
ISO, Norsok, DS, CSR e DNV.

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A Família Sesam (principais membros)
Cutres Xtract GeniE Patran-Pre
resultados seccionais apresentação e animação modelador conceitual modelador de uso geral

Stofat Postresp Presel Submod
fadiga de chapas/cascas resposta estatística montagem de superelementos submodelagem

Platework Framework HydroD DeepC
codecheck painéis codecheck vigas modelador hidrodinâmico modelador subsea

Usfos Riflex Wadam Wasim
colapso progressivo análise de risers ondas em unidades flutuantes ondas em embarcações

Mimosa Digin Simo Installjac
análise ancoragem análise âncoras operações marítimas lançamento de jaquetas

Sestra Splice Wajac
análise linear EF iteração c/ solo ondas em estruturas fixas


Sesam para Estruturas Flutuantes (1)
 Da modelagem à fadiga estocástica
- Modelos de vigas e cascas.
- Análise hidrostática incluindo verificação de estabilidade por
várias normas.
- Análise hidrodinâmica (linear e não linear).
- Análise estrutural de tamanho ilimitado.
- Code check de flambagem de chapas e vigas.
- Análise de fadiga de cascas e reforços.
- Análise de ancoragem.
- Operações marítimas.
- Projeto inicial de FPSOs.
- Análise da região de carga e análise direta.


Sesam para Estruturas Flutuantes (2)
 Tecnologia de ponta em hidrodinâmica  Combinada com avaliação
- Domínio da frequência estrutural
- Deflexões, tensões, code checking,
fadiga

GLview Plugin not installed. Press here to install plugin
- Domínio do tempo (linear & não-linear)

GLview Plugin not installed. Press here to install plugin


Carga de Projeto x Análise Direta (1)
 A análise direta aumenta o conhecimento
sobre
- Resistência limite (catástrofes)
- Fadiga (poluição)
- Diferentes condições ambientais
- Vida útil da embarcação

 As cargas de Regra nem sempre refletem a verdade
- O cálculo direto nos leva a diferentes carregamentos
- Examplos 2000000 150000

- Tensões limites 1500000
100000
[kNm]

[kN]
- Momento fleto e esforço cortante verticais 1000000
50000
500000

0 0

- Cargas de fadiga 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

- Pressão externa Momento Fletor Esforço Cortante

Regra −−−
Pressão Direta −−−


 Baseado em Carga de Projeto  Análise Direta
- Crie o modelo conceitual - Crie o modelo conceitual
- Vigas, chapas, equipamentos, conteúdo - Vigas, chapas, equipamentos, conteúdo
dos compartimentos dos compartimentos
- Crie o modelo estrutural - Create o modelo de painéis
- Cargas nos compartimentos - Massas nos compartimentos
- Execute a análise - Análise hidrostática
- Cargas explícitas - Análise hidrodinâmica
- Avalie os resultados - Análise estrutural
- Avaliações dos esforços, code checking - Pressões hidrostáticas e acelerações
e fadiga baseada nas Regras (“fadiga - Avalie os resultados
simplificada”) - Avaliações dos esforços, code checking
- Refine a análise e fadiga estocástica
- Crie detalhes locais de partes do modelo - Refine a análise
global e re-execute a análise - Crie detalhes locais de partes do modelo
global e re-execute a análise com a
técnica de submodelagem
- Avaliações dos esforços, code checking
e fadiga estocástica
- Análise de ancoragem e risers


 Análise baseada em carga de projeto (Regra)
- As cargas são definidas manualmente, incluindo aquelas da análise
hidrostática ou hidrodinâmica.
- Os efeitos de acelerações são modeladas com acelerações
centrípetas (lineares) ou cargas
- As cargas são frequentemente descritas nas notas de classe ou
práticas recomendadas
F = cargas estáticas
- Limitado número de condições de carregamento + massa x aceleração
 Análise direta
- As cargas incluem as cargas hidrodinâmicas de pressão
- As cargas incluem cargas de aceleração hidrodinâmica nas massas
das estruturas, dos equipamentos e do conteúdo dos
compartimentos
- Muitas condições de carregamento, mas com maior confiabilidade

 Para ambas as análises o mesmo modelo conceitual pode F = compartimento x aceleração
ser utilizado + massa x aceleração
+ pressão hidrodinâmica
- Ganhos significativos no tempo de modelagem


 Onda de projeto ou estocástica ?
GeniE

HydroD

Direct analysis Design wave

Load transfer Load transfer

Code check Code check

Structural Structural
post-processing post-processing

Stochastic fatigue

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Ferramentas Principais para Estruturas Flutuantes
 GeniE para modelagem e análise estrutural, suportado por
- Patran-Pre, Presel, Sestra, Xtract, Cutres, Submod, Stofat

 HydroD para análise hidrostática e hidrodinâmica, suportado
por
- Wadam, Wasim, Postresp, Xtract

 DeepC para instalação, ancoragem e análise de risers,
suportado por
- Mimosa, Simo, Riflex, Xtract


GeniE
Ferramenta para modelagem conceitual, geração das malhas, aplicação
das cargas e apresentação dos resultados
– Criação facilitada do modelo FEA a partir do
modelo Nauticus.
– Compartimentos gerados automaticamente
pela estanqueidade das chapas.
– Geração do carregamento incluindo 1A1, ULS
e FLS.
– Ferramentas poderosas de geração e controle
da malha.

Slide 12

Importação & Exportação de Outros Sistemas
 Importe modelos de outros sistemas
- FEM
- SACS
- StruCad3D
- StaadPro
- Ansys
- Strudl

 Importe/exporte de CAD
- DXF
- Nurbs
- SAT
- PDMS (sdnf)
- PDS (sdnf)
- SmartPlant 3D (xml)

 Importe biblioteca de seções


Importação de NURBS
 Modelagem mais rápida e precisa através da criação de modelos com um mínimo
número de superfícies, levando a um melhor controle da malha.
 Capacidade de importação completa de linhas de formato DXF com NURBS e do
Rhino.

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Partes Internas do Casco Podem ser Importadas
 Detalhes do casco

Modelo no Rhino3D Linhas no GeniE

Malha no GeniE Superfícies no GeniE


Importação do StaadPro
 Suporta vigas, chapas, cargas e condições de contorno.
- Um módulo separado cria o arquivo JS para importação no GeniE


Importação do SACS
 Sacs input file  Modelo importado no GeniE


Um Só Modelo para Todas as Análises
Análise da região de carga
Escantilhões das seções

Analise Hidrodinâmica

Peso de aço

Modelando a natureza conceitual de
uma estrutura podemos derivar
mais de um modelo a partir da
mesma base
Áreas e volumes FEA local
Fadiga


Um Completo Sistema Integrado
O mesmo modelo conceitual é usado nas Hidrostática
GZ-Curve

8
6
4
análises hidrostáticas, hidrodinâmicas e

2
0
-20 -18 -16 -14 -12 -10 -8 -6 -4 -2
Distance [m]
estruturais
-180 -160 -140 -120 -100 -80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180

Heel Angle [deg]
GZ Z-Level Lowest Opening

Hidrodinâmica
Modelo de Painéis
Estrutural

Modelo Conceitual

Modelo de Elementos Finitos


Exemplo da Modelagem Conceitual
 Ajuste dinâmico do modelo e cargas dos equipamentos

Modelo conceitual Modelo de análise Topologia (conectividade)


Aplicações
 Exemplos típicos : petroleiros, graneleiros, porta-containers, FPSOs, jaquetas,
jackups, topsides, pontes, helidecks, instalações submarinas, guindastes e
pedestais, etc.
 Para estruturas fixas ao leito marítimo (jaquetas e jackups) as propriedades
hidrodinâmicas e do solo fazem parte integral do modelo de análise


Aplicações
 Modelagem da região central – “3 porões”
- Também típica para FPSO, Semisub, TLP, Spar....


Aplicações
 Jack-ups


Aplicações
 Modelos locais

Juntas estruturais

Pontões de semisub

Detalhes de tanque


Aplicações
 Modelos globais (viga) e locais (casca) combinados

Conexão rígida para
acoplamento de nó de viga
com todos os nós de
chapa/casca na seção,
usando dependência linear


Patran-Pre
Pré-processador de uso geral para geração da malha de elementos finitos.
 Poderoso conjunto de ferramentas geométricas,
além da importação de sistemas CAD.
 Cargas aplicáveis ao modelo geométrico ou na
malha.
 Elementos de barra, casca ou sólidos.
 Importação/exportação de dados do Abaqus.


Presel
Utilizando a técnica de superelementos podemos reduzir em muito o tempo
de cálculo e espaço em disco, ao mesmo tempo em que aumentamos a
precisão da solução das matrizes. Com Presel podemos montar elementos
(geometria e carregamento) criados no GeniE e/ou Patran-Pre para formar o
modelo completo, sem termos que uni-los fisicamente em um único arquivo.


Submod
Análise de detalhes ou partes de um modelo global, extraindo os desloca-
mentos de uma análise global e os aplicando como deslocamentos forçados
em um sub-modelo mais detalhado (muito usado em análise de fadiga).

Sub-modelo para análise local
Malha 0.5 m

Modelo para análise global
Malha 3 m


Sestra
Solver de uso geral para análise linear de estruturas por elementos finitos
utilizando os modelos criados no GeniE, Patran-Pre ou Presel.
 Análise estática e dinâmica.
 Análise de super-elementos.
 Vibração livre/forçada.
 Flambagem linear.
 Análise axi-simétrica.
Sestra

Análise estática Análise quase-estática Análise dinâmica
Cargas complexas

Métodos de redução

Vibração Resposta forçada
Direta Super-elementos Direta Super-elementos
livre Domínio do tempo/frequência

Slide 29

Stofat
Pós-processador para análise estocástica e iterativa de fadiga em chapas
e cascas soldadas.
 Avaliação da fadiga através de verificação dos pontos críticos (hot-spots).
 Cálculo da avaria por fadiga baseado em curvas SN (API, DNV, NO, NS) e
avaria parcial acumulada ponderada pelos estados de mar e direções de onda.
 Correção de espessura e fatores de concentração de tensões.
 Resultados no formato de fatores de utilização da fadiga.

Plotagem do fator de utilização por fadiga

Slide 30

Xtract
Pós-processador para visualização aperfeiçoada do modelo, resultados e
criação de animações.
 Poderosa interface gráfica, nos permi-
tindo apresentar a geometria completa
ou partes selecionadas, eixos locais,
vistas deformadas e de vários ângulos.
 Extensiva apresentação dos resultados,
deslocamentos, forças, tensões, plota-
gens de contorno, valores numéricos e
vetores.
 Varredura do modelo em busca das maiores
tensões de Von Mises.
 Identificação das combinações críticas de
carregamento.
 Animação dos deslocamentos e modos de
vibração.


HydroD (1)
Modelagem do ambiente e preparação dos dados para análise hidrostática e
hidrodinâmica.
 Criação dos modelos de painéis e de mas-
sa (importados dos modelos de EF criados
no GeniE).
 Facilitadores para a entrada de dados mais
complexos (ex.: amortecimento do balanço
e modelos de casco duplo, modelos de
Morrison, modelos de painéis, etc.).
 Várias verificações de dados.
 Auto-equilíbrio e cálculo das características
hidrostáticas.
 Front-end para Wadam (domínio da fre-
quência) e Wasim (domínio do tempo).
 Apresentação gráfica e tabular dos resul-
tados.


HydroD (2)
Análise de equilíbrio e estabilidade transversal feita por cálculo direto.
 Estabilidade intacta e em avaria
 Conteúdo dos tanques definidos como
porcentagem de enchimento ou
totalmende alagados. Auto-balancea-
mento de tanques. Efeitos de superfície
livre.
 Relatórios de estabilidade : curva GZ,
momentos, distância das aberturas à
água, enchimento dos tanques, condi-
ções de flutuação, etc.

Slide 33
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Wadam
Análise hidrodinâmica da iteração entre as ondas e a
estrutura para corpos flutuantes estacionários.
- Teoria 3D radiação-difração no modelo de painéis e equação de
Morison no modelo de viga.
- O modelo dual permite que ambos os métodos sejam utilizados
simultaneamente.
- Teoria de ondas de Airy.
- Eeitos de segunda ordem .
- Interação hidrodinâmica entre vários corpos independentes (15).

 Resultados
- Funções de transferência complexas ou como resultados deter-
minísticos para fases específicas da onda.
- Respostas globais incluindo movimentos de corpo rígido, forças
seccionais e momentos.
- Pressões e acelerações.
- As cargas (pressões e acelerações do corpo rígido) são automa-
ticamente utilizadas pela análise estrutural subsequente.


Wasim
Análise hidrodinâmica de embarcações com velocidade não nula.
 Teoria de radiação-refração 3D por Rankine e Morison.
 Solução no domínio do tempo com transferência para o
domínio da frequência.
 Velocidade de avanço ilimitada (sem planagem).
 Análise linear e não linear, com ondas de Stokes
de 5ª ordem.
 Formas arbitrárias de casco.
 Água no convés. Elevação da onda.
Sloshing.
 Formulação de pressão de impacto.
 Estado de mar irregular, regular ou calmo.


Postresp
Pós-processamento estatístico dos resultados hidrodinâmicos
 No domínio da frequência
– Funções de transferência
– Estatísticas de curto e longo prazo
– Espectro de ondas : Pierson-Moskovitsz , Jonswap, ISSC,
Torsethaugen, Ochi-Hubble
– Distribuições : Rayleigh, Rice, Weibull
– Ondas longas ou cristas curtas
– Fadiga espectral
– Slamming

 No domínio do tempo
– Apresentação dos resultados em séries temporais
– Transformações FFT
– Valores extremos, ajuste por Weibull
– Contagem de Rain-flow
– Avaria por fadiga


Alguns Usuários Sesam


Dúvidas ?
www.dnv.com.br

Salvaguardando a vida, a propriedade e o meio ambiente

João Henrique VOLPINI Mattos
Engenheiro Naval
DNV Software - Maritime & Offshore Solutions
Regional Sales Manager – South America
 joao.volpini@dnv.com
 +55 21 3722 7337
 +55 21 8132 8927

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