Please use this identifier to cite or link to this item: https://hdl.handle.net/10316/82934
Title: Finite Element Analysis of tubular offshore X-joint under static loading
Other Titles: Análise por elementos finitos de uma ligação tubular do tipo X em estruturas offshore sujeitas a carregamento estático
Authors: Miranda, Filipe Miguel Batista 
Orientador: Santiago, Aldina Maria da Cruz
Rigueiro, Maria Constança Simões
Keywords: Plataformas Offshore; X-joint sob carregamento axial; secções tubulares CHS; análise por elementos finitos; estudo paramétrico de malha; Finite Element Analysis; parametric mesh study; Offshore structures; X-joint under axial loading; tubular CHS
Issue Date: 26-Jul-2017
Serial title, monograph or event: Finite Element Analysis of tubular offshore X-joint under static loading
Place of publication or event: DEC - FCTUC
Abstract: A indústria do petróleo e gás é atualmente uma das industrias mais rentáveis do mundo no sector energético, tendo assim um papel fundamental no crescimento económico dos países que o possuem. Mesmo apesar do declínio dos últimos anos, esta ainda consegue gerar receitas na ordem dos biliões de dólares.As plataformas Offshore de extração de petróleo e gás possuem uma vasta gama de tipos de estruturas que dependem da profundidade de extração. As mais comuns estão localizadas em águas pouco profundas e instaladas no fundo do mar. Estas estruturas em aço, conhecidas como Jacket, são construídas em forma de treliça e são parte constituinte dos seus elementos estruturais de suporte. A referida estrutura é composta por secções tubulares, Circular Hollow Sections (CHS), que são preferidas devido às suas excelentes propriedades mecânicas e à sua boa relação peso-resistência.Com esta investigação pretende-se compreender o comportamento estrutural, sob condições de cargas axiais, de uma ligação soldada do tipo X-joint, que é parte integral de uma plataforma offshore, que se encontra localizada no Mar do Norte, no Oceano Atlântico.Este tipo de ligação tubular em aço é constituida por dois elementos principais –Corda e Braço. Os elementos estão ligados entre si por uma soldadura, que representa uma discontinuidade estrutural e que se traduz numa significante concentração de tensão, nesta zona critica.Com a intenção de melhorar e quantificar a evolução da resistência axial da ligação X-joint, foram criadas algumas variações desta ligação. Durante este processo de otimização, as propriedades geométricas foram alteradas, em particular, o rácio de diâmetro (β), a esbelteza da corda (γ) e o rácio de espessura (τ) dos elementos. Foi dada uma especial atenção à zona critica – soldadura entre a corda e o braço.Nesta investigação utilizou-se o software de análise por elementos finitos (FEA), Abaqus. Com recurso a este software, é possível fazer uma modelação computacional de estruturas reais, o que permite realizar uma análise linear e não-linear com uma grande precisão numérica. A precisão obtida por esta análise está directamente associada à qualidade da malha de elementos finitos e, por essa razão, é também feito um estudo paramétrico de malha afim de verificar a sua convergência, relacionando o seu número de elementos e o tempo de computação.Numa fase final, a capacidade da resistência axial da ligação X-joint, obtida pelo modelo numérico, é analisada e comparada com as capacidades resistentes da norma Europeia (EC3) e com as principais normas Offshore, presentes neste sector energético, como a Norsok N-004, DNV e ISO 19902.Palavras-chave: Plataformas Offshore, estrutura Jacket, X-joint sob carregamento axial, secções tubulares CHS, ligações com soldadura, análise por elementos finitos, estudo paramétrico de malha.
The oil and gas industry is one of the most profitable energy sectors in the world. This industry has an important economic impact on the GDP of the countries that own it and, despite its decline in recent years this industry still has revenues in order of billions of dollars.Offshore platforms for oil and gas extraction have a whole range of different structures; this depends on how deep the area of extraction is. The most common offshore platforms are installed in shallow water, constructed as truss framework and fixed in the subsea with tubular members as structural elements. This type of structure is known as Jacket Structure and uses Circular Hollow Section (CHS) elements due to their excellent mechanical properties and strength-to-weight ratio.This investigation intends to understand the behaviour, under axial loading conditions, of one CHS welded connection type (X-joint), used in one real Jacket from the offshore platform that is located in the North Sea, the Atlantic Ocean.This type of steel connection is made up of two main members - Chord and Brace. These elements, are connected among themselves by a special welded joint, which represents structural discontinuities and cause significant stress concentration.Intending to improve and qualify the evolution of the axial resistance of the X-joint, some joint variations have been created. During the optimization design process, the geometrical properties have been changed, in particular, the Diameter ratio (β); Chord slenderness (γ) and wall thickness ratio (τ) of the elements. It was given a special highlight to the critical zone - the welding between the Chord and Brace.During this investigation, a Finite Element Analysis (FEA) software, Abaqus, was used to build predictive computational model of the real-world scenario. The FEA software is able to simulate physical parts, e.g. the linear and non-linear material behaviour, with a very high level of accuracy. The accuracy obtained from the FEA is directly associated to the Finite Element mesh quality and, for that reason, a parametric mesh study was carried out to verify the mesh convergence, in relation to the number of elements and the CPU time consumption.Finally, the X-joint capacity under the axial loading obtained from the FEA, is compared and analysed with the expected capacities from the European standard (EC3) and the main Offshore standards used in the oil and gas industry, such as Norsok N-004, DNV and ISO 19902.Keywords: Offshore structures, Jacket structure, X-joint under axial loading, welded connection, tubular CHS, Finite Element Analysis, parametric mesh study.
Description: Dissertação de Mestrado Integrado em Engenharia Civil apresentada à Faculdade de Ciências e Tecnologia
URI: https://hdl.handle.net/10316/82934
Rights: openAccess
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