Estudo do comportamento estrutural estático e dinâmico de tanques de aço para armazenamento de líquidos

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Tipo do documento:	Tese
Título:	Estudo do comportamento estrutural estático e dinâmico de tanques de aço para armazenamento de líquidos
Título(s) alternativo(s):	Study of the static and dynamic structural behavior of steel tanks for liquid storage
Autor:	Lopes, Matheus Abreu
Primeiro orientador:	Silva, José Guilherme Santos da
Primeiro coorientador:	Soeiro, Francisco José da Cunha Pires
Primeiro membro da banca:	Burgos, Rodrigo Bird
Segundo membro da banca:	Rodrigues, Monique Cordeiro
Terceiro membro da banca:	Silveira, Ricardo Azoubel da Mota
Quarto membro da banca:	Carvalho, Hermes
Quinto membro da banca:	Debona, Gilvan Lunz
Resumo:	O cenário de crescente produção de petróleo na indústria de óleo e gás brasileira tem demandado cada vez mais eficiência na operação e manutenção de ativos logísticos, tais como os tanques cilíndricos de aço utilizados para armazenamento de petróleo e derivados. Por outro lado, esses tanques experienciam danos ao longo de sua vida, tal como as deformações estruturais devido à característica construtiva de elevada esbeltez, em função das baixíssimas relações entre espessura e diâmetro. Neste sentido, é necessário avaliar a integridade desses tanques na existência dessas patologias estruturais em busca da continuidade operacional com segurança. A consideração das imperfeições nos modelos de cálculo deve ser a mais realista possível, a fim de se obter uma precisa avaliação da estrutura na presença de defeitos. Entretanto, métodos de inspeção dimensional de estruturas de grande porte como as de tanques de armazenamento normalmente resumem-se ao levantamento topográfico em alguns pontos da estrutura, o que, para correta quantificação de imperfeições pode não ser muito adequado. Assim, a ferramenta de inspeção por escaneamento a laser 3D pode ser uma excelente aliada. No que diz respeito aos modos de falha, tanques são suscetíveis à flambagem induzida pelo vento, especialmente na presença de imperfeições estruturais. O vento, fenômeno de comportamento instável e aleatório, normalmente é considerado como um carregamento estático e com formulação determinística, porém tal consideração pode não evidenciar alguns comportamentos, tal como a flambagem de tanques. Assim, a consideração dos efeitos dinâmicos e não-determinísticos do vento é indicada para a captura desses eventos. Além disso, outros modos de falha como o colapso plástico e excesso de deformações plásticas localizadas podem comprometer a integridade estrutural, devendo ser investigados através de modelos de cálculo que permitam avaliar a estrutura no seu estado atual, com fiel representação de sua geometria. Dessa forma, este trabalho se propõe a desenvolver uma metodologia de análise estrutural de tanques de armazenamento em operação, contendo deformações (imperfeições) em sua estrutura. A metodologia considera o preciso levantamento dimensional da estrutura por técnica de escaneamento a laser 3D, cujos resultados são utilizados para calibração de modelo de elementos finitos. O modelo desenvolvido é empregado em análises estáticas com foco em avaliação de falha por colapso plástico e excesso de deformações plásticas localizadas sendo feitas considerações e propostas em relação aos critérios normativos de códigos internacionalmente reconhecidos. Análises dinâmicas considerando não-linearidade completa são realizadas para avaliar a suscetibilidade à flambagem induzida pelo vento quando o comportamento dinâmico e não-determinístico é considerado. Dentre diversas conclusões deste trabalho, destaca-se que o comportamento dinâmico não-determinístico do vento pode levar tanques deformados à instabilidade estrutural dinâmica e enrijecedores podem ser de grande auxílio na recomposição da resistência à flambagem, aumentando esta última em até 711% em média.
Abstract:	The scenario of increasing oil production in the Brazilian oil and gas industry has been demanding more efficiency in the operation and maintenance of logistic assets, such as cylindrical steel tanks used for the storage of oil and its derivatives. On the other hand, these equipment experience damage throughout their lifespan, such as structural deformations due to their high slenderness ratio, because of their very low thickness-to-diameter ratios. In this context, it is necessary to assess the integrity of these equipment in the presence of these structural damages to ensure a safe operational continuity. The consideration of imperfections in the calculation models must be as realistic as possible to obtain a precise assessment of the structure in the presence of defects. However, methods for the dimensional inspection of large structures like storage tanks often involve topographical surveys at specific points on the structure, which may not be very suitable for accurately quantifying imperfections. Therefore, the use of 3D laser scanning inspection tools can be an excellent ally. Regarding failure modes, tanks are susceptible to wind-induced buckling, especially in the presence of structural imperfections. Wind, which is a phenomenon with unstable and random behavior, is typically considered as a static load with a deterministic formulation. However, this consideration may not reveal certain behaviors, such as the dynamic buckling of tanks. Therefore, considering the dynamic and non-deterministic effects of wind is recommended to capture these events. In addition, other failure modes such as plastic collapse and excessive localized plastic strains can compromise structural integrity and should be investigated through calculation models that allow for the assessment of the structure in its current state, with a precise representation of its geometry. Thus, this work aims to develop a methodology for the structural analysis of operating storage tanks containing imperfections (deformations) in their structure. The methodology involves the precise dimensional survey of the structure using 3D laser scanning, with the results used to calibrate a finite element model. The developed model is employed in static analyses focused on evaluating failure due to plastic collapse and excessive localized plastic deformations, with considerations and proposals related to internationally recognized normative criteria. Dynamic analyses, considering complete nonlinearity, are conducted to assess susceptibility to dynamic buckling induced by wind when non-deterministic behavior is considered. Among the various conclusions of this work, it is highlighted that the non-deterministic dynamic behavior of wind can lead deformed tanks to dynamic structural instability, and structural reinforcement elements can be of great help in restoring buckling resistance, increasing the latter by an average of up to 711%.
Palavras-chave:	Engenharia mecânica Estática Dinâmica Análise estrutural (Engenharia) Resistência de materiais Tanques Mechanical engineering Statics Dynamics Structural analysis (Engineering) Strength of materials Tanks
Área(s) do CNPq:	ENGENHARIAS::ENGENHARIA MECANICA::MECANICA DOS SOLIDOS
Idioma:	por
País:	Brasil
Instituição:	Universidade do Estado do Rio de Janeiro
Sigla da instituição:	UERJ
Departamento:	Centro de Tecnologia e Ciências::Faculdade de Engenharia
Programa:	Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica
Citação:	LOPES, Matheus Abreu. Estudo do comportamento estrutural estático e dinâmico de tanques de aço para armazenamento de líquidos. 2023. 255 f. Tese (Doutorado em Engenharia Mecânica) - Faculdade de Engenharia, Universidade do Estado do Rio de Janeiro, Rio de Janeiro, 2023.
Tipo de acesso:	Acesso Aberto
URI:	http://www.bdtd.uerj.br/handle/1/21523
Data de defesa:	15-Dez-2023
Aparece nas coleções:	Doutorado em Engenharia Mecânica

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