Sesam para Subsea, Umbilicals, Risers e Flowlines (SURF)
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João Henrique Volpini Mattos Engenheiro Naval Regional Sales Manager (South America) Offshore & Maritime Solutions / DNV Software
Agosto 2012
Sesam para Subsea, Umbilicais, Risers & Flowlines
Visão Geral
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Como podemos ajudá-lo a tomar as decisões certas ?
Desenvolvendo produtos para o projeto de ativos e gerenciamento de riscos, deste sua concepção até a desmobilização, nas áreas
marítimas, de offshore e de processos industriais
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DNV Software
DNV Software é uma das unidades da DNV, atuando como sua “software-house” comercial, servindo mais de 5.000 usuários nas áreas marítimas, offshore de indústrias de processo.
DNV Software tem cerca de 350 funcionários dedicados ao desenvolvimento, testes, suporte e comercialização de suas soluções.
DNV Software é estabelecida em 12 dos 300 escritórios da DNV : Oslo, Londres, Glasgow, Houston, Shanghai, Pequim, Singapore, Pusan, Kaohsiung, Rio de Janeiro, Mumbai e Dubai
Mais de 50 anos de experiência no desenvolvimento de software de qualidade baseado no grande conhecimento e expertize da DNV.
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Áreas de Atuação da DNV Software
Produtos e soluções líderes no projeto de embarcações e plataformas offshore, análise hidrodinâmica, avaliação estrutural, análise de risco,
gerenciamento do ciclo de vida, gerenciamento do processo de projeto e engenharia baseada no conhecimento.
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Nauticus™
Classificação Marítima & Offshore
Sesam™
Avaliação Estrutural
Safeti™
Risco & Confiabilidade
Synergi - Gestão de Risco, QHSE e Integridade
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Aplicações Subsea
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Subsea Umbilicals Risers Flowlines – SURF
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A Importância de um Projeto Adequado Alguns custos típicos :
- Perfuração com MODU : USD 700K a 1.4M /dia - Plataforma fixa e topside : USD 400M - Risers e umbilicais : US$ 1.000 a 2.600/m (20 a 50 por projeto) – total típico US$
150M - Instalação pipelines : US$ 150.000/km - Parada de produção : US$ 60M/dia - Valor do gás dentro dos pipelines de
Nord Stream : US$ 80M
SURF contribui com 20% do custo de uma instalação de produção.
Analise, analise, analise ... antes de construir
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Utilização do Sesam no SURF Subsea
- GeniE & Usfos para análises estruturais - Simo para operações marítimas
Umbilicais e risers flexíveis - DeepC para análise global (ULS & FLS) - UmbiliCAD para desenho da seção transversal - Helica para tensão e fadiga na seção transversal - Vivana para análise de VIV
Risers - DeepC para projeto dos risers - Riflex para análise no domínio to tempo - Vivana para análise de VIV
Flowlines e pipelines - FatFree para cálculo do free-span de acordo com DNV RP-F105 - StableLines para on-bottom stability de acordo com DNV RP-F109 - DNV-OS-F101 Code Compliance para sistemas de pipeline submarinos - PET (Pipeline Engineering Tool) para projeto preliminar de pipelines - Vivana para análise de VIV
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Simulação de Operações Marítimas
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Operações Marítimas
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Atividades não rotineiras de limitada duração, especialmente projetadas : - Load out - Float out, float on/off - Off loading - Lifting, lift off, mating - Towing - Launching, upending, positioning - Riser/umbilical instalation - Transito e posicionamento de semisubs,
FPSOs, jackups, etc.
Normas e Práticas Recomendadas DNV - DNV-OS-H101 Marine operations, General - DNV-OS-H102 Marine Operations, Loads and Design - DNV-OS-H201 Load Transfer Operations - DNV-OS-H202 Sea Transports - DNV-RP-H101 Risk Management in Marine and Subsea Operations - DNV-RP-H102 Modeling and Analysis of Marine Operations - …
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Simulação de operações marítimas (comportamento de estruturas flutuantes e cargas suspensas) no domínio do tempo. Características :
- Modelação flexível de sistemas multi-corpos. - Simulação não-linear no domínio do tempo. - Carregamento de ambiente (vento, ondas, corrente). - Forças de ancoragem e de posicionamento. - Posicionamento dinâmico. - Forças de acoplamento (guindastes, defensas, etc.). - Dinâmica da zona de splash. Aplicações :
- Operações de offloading. - Deck mating, remoção/instalação de módulos. - Operações com guindastes (lifting). - Transferência (offloading) - Instalação de TLPs.
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Simo (1) Desenvolvido e mantido pela Marintek.
Comercializado pela DNV.
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Simo (2) Cálculo do movimento de qualquer número de corpos
- Forças “fracas” de acoplamento e engate - Integração das equações de movimento para cada corpo
separadamente - Passo máximo de tempo relacionado ao menor período
natural
Cada corpo tem 3 ou 6 graus de liberdade - Vários modelos de forças
Sistemas de posicionamento - Molas - Linhas de ancoragem - Impelidores
Acoplamentos - Molas e amortecedores
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Ancoragem
Imagens de Oceânica Engenharia, Consultoria e Projetos Ltda.
Cidade do Samba
Maracanã
Aeroporto Santos Dumont
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Mimosa (1)
Cálculos no domínio da frequência
Cargas ambientais devido a ondas, vento e corrente
Movimentos induzidos por ondas
Movimentos lentos de flutuação
Linhas de ancoragem compostas
Movimento transiente após rompimento da linha
Estatística não gaussiana
Posicionamento dinâmico com impelidores
Análise de estabilidade de navios ancorados pelo turret
Simulações de longo prazo
Cálculo da resposta extrema baseada em Rayleigh
Espectro de rajadas de vento API
Sistema para análise estática e dinâmica de ancoragem
Desenvolvido e mantido pela Marintek. Comercializado pela DNV.
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Mimosa (2)
Desvio padrão, período de oscilação médio, valor significativo e máximo esperado, são disponíveis para: - Movimento de qualquer ponto da embarcação no domínio da frequência para os 6 graus de
liberdade. - Tensão de ancoragem estática e dinâmica, incluindo a devido ao movimento de deriva lenta.
Movimento transiente após ruptura da linha ou falha no impelidor (DP blackout) em termos do tempo versus movimento, tensão, trajetória do movimento, excursão máxima de qualquer ponto da embarcação e tensão máxima de ancoragem.
Comprimento de cabo requerido no guincho para mover a embarcação para uma nova posição.
Distribuição ótima de tensões.
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Projeto de Risers
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Risers Trecho da tubulação que fica em suspensão
e que faz a transferência de material (hidro-carbonetos, fluidos de injeção, fluidos de controle, gás) entre o leito oceânico e as unidades de perfuração ou produção na superfície.
Continuamente sujeitos às ações dinâmicas de ondas, correntes marítimas e movimento da plataforma, tem seu comportamento influenciado pelo grande número de esfor-ços a que são submetidos, sendo considera-dos como uma das partes críticas de um sistema de exploração offshore.
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Riser rígido Riser flexível
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Tipos de Análises Cobertas pelo Sesam ULS
- Deflecções, forças, tensões e resultados de code-checks - DeepC (Simo + Riflex)
FLS - Fadiga global e refinada - DeepC (Simo + Riflex)
VIV - Resposta de frequência e dano por fadiga - VIV cruzado e alinhado - Vivana
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Riflex (1)
Deslocamento, curvatura, ângulos, esforços resultantes (tensão efetiva, momento fletor e torsor)
Estruturas marítimas delgadas - Risers flexíveis, SCR, linhas de ancoragem, umbilicais,
tendões de TLP, linhas de reboque, mangueiras de transferência.
Recursos - Ondas regulares e irregulares - Recurso para perturbação cinemática - Perfis arbitrários - Efeitos de pressão hidrostática interna e externa - Contato com leito do oceano - Propriedades não lineares de materiais - Formulação do contato Pipe-in-Pipe - Elementos de conexão (rótulas, juntas flexíveis, etc.)
Desenvolvido e mantido pela Marintek. Comercializado pela DNV.
Análise estrutural não linear de risers e umbilicais, descrevendo o seu com-portamento global estático e dinâmico.
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Riflex (2)
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Desenvolvido pela MARINTEK e SINTEF em cooperação com a NTNU (Norwegian University of Science and Technology) como um JIP. - BP Petroleum Development - Conoco Norway - Esso Norge - Norske Hydro - Saga Petroleum - Statoil
Imbatível na velocidade de obtenção da solução
Excepcionalmente estável
Grande flexibilidade
Grande versatilidade para cargas ambientais
Opera com grandes massas de dados muito eficientemente
diversas configurações de risers
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VIV – Vibração Induzida por Vórtices Fenômeno gerado pela oscilação do
movimento do fluido devido à criação de uma esteira de vórtices a juzante do corpo.
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corrente esteira de vórtices
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VIV – Problemas Decorrentes Risers e pipelines
- Redução da vida útil devido à fadiga. - Aumento na tensão axial. - Aumento nas cargas extremas - Aumento no arrasto
SPAR, TLP, Semis, etc. - Aumento no movimento global - Aumento nas tensões das linhas de
ancoragem.
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Vivana
Extensão opcional do Riflex.
Análise estática e dinâmica - Utiliza o modelo e análise estática do Riflex - Utiliza o método de elementos finitos - Propriedades não constantes, tais como diâ-
metro e rigidez - Sheared current - Leito marítimo desigual - Resposta 3D
Análise de VIV - No domínio da frequência - Carregamento de VIV a partir de coeficientes semi-empíricos baseados em modelos. - Frequências de resposta discretas - Cálculo da amplitude do movimento e amplificação do arrasto - Cálculo de fadiga.
Desenvolvido e mantido pela Marintek e NTMU. Comercializado pela DNV.
Cálculo de VIV em estruturas esbeltas sujeitas à correnteza.
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Análise Acoplada
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TLP
FPSO
CALM BUOY
Na análise da resposta dinâmica do flutuante, a análise acoplada leva em conta a restauração, amortecimento e forças inerciais dos outros corpos.
O flutuante, ancoragem e risers são resolvidos simultaneamente, com equilíbrio dinâmico em cada passo de tempo.
4000 4050 4100 4150 4200(sec)
Axial force at two ends of FTL (wave/wind/current_180deg, swell_225deg)
end at FPSO end at TLP
Os flutuantes, linhas de ancoragem, risers, e FTL, constituem um sistema dinâmico integrado que responde ao vento, corrente e ondas de maneira complexa.
FLOW TRANSFER LINE
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Efeitos do Acoplamento 1) Restauração estática do sistema de posicionamento como uma função do desloca-
mento do flutuante. 2) Carga de corrente e seus efeitos na força de restauração do sistema de ancoragem
e de risers. 3) Fricção com o leito marítimo (se as estruturas tiverem contato com o fundo). 4) Amortecimento pelos sistemas de ancoragem e risers devido à dinâmica, corren-
teza, etc. 5) Contato casco-riser (importante em Spars). 6) Forças adicionais de inércia devido aos sistemas de ancoragem e risers.
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Análise desacoplada : 1) levado em conta com precisão 2), 4), 6) podem ser aproximados 3), 5) geralmente não são considerados Análise acoplada : Tratamento consistente de todos os 6 efeitos
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DeepC Ferramenta para análise acoplada de risers, ancoragem e corpos flutuantes estacionários.
Modelagem de estruturas delgadas. Definição e execução de análises no domínio do tempo :
– Riflex e Simo para análise acoplada. – Riflex para análise convencional de riser.
Pós-processamento estatístico. Análise de fadiga dos risers. Code-checking de carregamento combinado de risers
metálicos.
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Análise tradicional do projeto de risers para águas rasas e profundas, desde a modelagem até a análise de fadiga e verificação por normas.
Calcular precisamente as respostas das linhas de ancoragem/risers e o movimento da embarcação.
Efetuar análise acoplada com vários corpos conectados, cobrindo todos os tipos de layouts de campos.
Levar em conta os efeitos de acoplamento : - Forças de restauração não lineares - Amortecimento devido à dinâmica das estruturas
delgadas - Carregamento nas estruturas delgadas - Forças de inércia nas estruturas delgadas
Servir de pré e pós-processador gráfico para Simo e Riflex.
DeepC : Propósitos
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Projeto de Umbilicais
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Umbilicais Conjunto de mangueiras que transportam fluidos hidráulicos, ar comprimi-do, fluidos para injeção química, cabos elétricos, fibra ótica, etc., para acio-namento dos mecanismos de controle dos equipamentos submarinos e monitoramento das caracteristicas do poço.
Projeto estrutural : – Avaliação para suportar cargas
extremas. – Verificação da vida útil sob condi-
ções de carga cíclica. Complicadores :
– Deslizamento entre camadas e elementos.
– Efeito do desgaste das camadas. – Dano por fadiga.
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Projeto de Umbilicais
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Projeto dos componentes
• Requisitos funcionais • Normas e padrões
• Massa e peso submerso • Rigidez • Curva de capacidade simplificada
Projeto da seção transversal
• Rigidez • Curva de capacidade simplificada
Análise global e fadiga
• Série temporal para cada estado de mar
• Flutuante e umbilicais • Diagrama de dispersão • Análise com e sem acoplamento • Etc.
Verificação de capacidade e
fadiga
UmbiliCAD
UmbiliCAD & Helica
DeepC
Helica
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UmbiliCAD Ferramenta de projeto da seção transversal de umbilicais. Auxilia na geração dos desenhos e curvas de capacidade. Projetos elaborados em horas ao invés de dias. Elimina a necessidade de software de CAD complementar.
0
100
200
300
400
500
600
-0.0004 -0.0003 -0.0002 -0.0001 0 0.0001 0.0002 0.0003 0.0004
Tot
al h
elix
stre
ss
Curvature
Helix position : 270.0000
Capacity Curve
0.0100200300400500600700800900
100011001200
0.0 0.04 0.08 0.12 0.16 0.2 0.24 0.28Curvature [1/m]
Tens
ion
[kN
]
100% Utilisation80% Utilisation
Desenvolvido e mantido pela UltraDeep. Comercializado pela DNV.
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Helica (2) Características da seção transversal levadas em
conta : - Movimento relativo entre camadas/componentes - Fricção, aderência/deslizamento (dependente da
tensão) - Histerese do momento fletor x curvatura
Análise de fadiga no curto prazo - Avaliação do dano por fadiga em uma condição
ambiental de curto prazo, considerando o carregamento em termos de séries temporais de simultâneas de curvatura bi-axial e tensão efetiva produzida pela resposta da análise dinâmica global.
- Helica utiliza os resultados do DeepC como a resposta no domínio do tempo da análise dinâmica global.
Análise de fadiga em longo prazo - Avaliação da fadiga de longo prazo pela acumulaçã
de todas as condições de curto prazo.
Séries temporais (Riflex)
Curvas de capacidade (Helica)
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Projeto de flowlines e pipelines de acordo com as práticas DNV Slide 34
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OS-F101 Code Compliance Software de code-check acordo com a norma DNV-OS-F101 “Submarine Pipeline Systems”. Interface Excel. Verificação de conformidade para :
– Explosão devido à pressão excessiva nas condições de operação e teste.
– Colapso para o pipeline vazio. – Propagação da flambagem para o pipeline vazio. – Carregamento controlado por interação das cargas
(momento, força axial e sobrepressão interna/externa) – Deslocamento controlado por interação das cargas (tensão axial e sobrepressão
interna/externa). O programa calcula :
– A espessura mínima do duto para as condições dadas. – A utilização baseada em uma espessura da parede fornecida pelo usuário.
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FatFree Software de análise do vão livre de pipelines de acordo com DNV-RP-F105 “Free Spanning Pipelines”. Interface Excel. Análise de ULS e FLS devido ao VIV
(alinhado e cruzado) criado pela correnteza e carregamento de ondas. Cálculo das tensões de pico de Von Mises. Análise de sensibilidade para altura do vão,
trenches, comprimento do vão. Curvas SN da DNV-RP-C203.
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StableLines Software de análise de estabilidade de pipelines sujeitos aos efeitos de onda e correnteza, baseado nos princípios da DNV-RP-F109 “On-Bottom Stability Design of Submarine Pipelines”.
Interface Excel.
Variação de qualquer parâmetro.
Análises múltiplas em uma única execução.
Três métodos de estabilidade lateral : – Estabilidade absoluta (nenhum movimento do pipeline). – Estabilidade generalizada com deslocamento de 0,5 OD. – Estabilidade generalizada com deslocamento de 10 OD.
Geração de relatórios.
Análise de sensibilidade apresentada graficamente.
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Pipeline Engineering Tools - PET PET é um software de análise de projeto preliminar de pipelines, cobrindo diferentes aspectos do projeto. Interface Excel. Verificação da norma DNV-OS-F101. Cálculo da masse e volume. Expansão das extremidades durante a operação
e testes. Flambagem. Estabilidade Fadiga Restrições e características do carretel. Tensões, curvatura e momento, distância do ponto de contato à unidade, cálculo da
catenária, etc., para instalações em J-Lay e S-Lay. Proteção catódica.
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Sesam cobre o projeto de - Subsea - Operações marítimas - Ancoragem - Umbilicais - Risers - Flowlines e pipelines
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Observações Finais
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Análise estrutural, operações marítimas e ancoragem
Análise global, projeto da seção transversal, fadiga e VIV
Avaliação de fadiga e VIV
Ferramentas de engenharia de pipelines de acordo com as práticas DNV
###### Vers. 1.0
DNV version Expiry date: 23.02.2009 Release Note
Project: Date: 06.06.2008 Calculations byVerified by
Direction Hs,1-year Hs,10-year Hs,100-year Tp,1-year Tp,10-year Tp,100-year Uc,1-year Uc,10-year Uc,100-year
(deg) (m) (m) (m) (s) (s) (s) (m/s) (m/s) (m/s)θpipe [deg] 90 ρwater [kg/m3] 1025 s 8 0 8 9 10 9 10 11 0.4 0.5 0.6
Ds [m] 0.9140 ρsteel [kg/m3] 7850 z0 [m] 4.00E-05 zr [m] 0.2 30 8 9 10 9 10 11 0.4 0.5 0.6tsteel [m] 0.0450 ρconc [kg/m3] 3000 zt [m] - d [m] 40 60 8 9 10 9 10 11 0.4 0.5 0.6tconc [m] 0.0000 ρcont [kg/m3] 150 zp [m] - θ [deg] - 90 8 9 10 9 10 11 0.4 0.5 0.6
rtot,y - γ 3.3 120 8 9 10 9 10 11 0.4 0.5 0.6d50 0.5 Tstorm [hrs] 3 150 8 9 10 9 10 11 0.4 0.5 0.6
rperm,z 1 180 8 9 10 9 10 11 0.4 0.5 0.6tcoat,1 0.0003 ρcoat,1 1300 µ 0.60 210 8 9 10 9 10 11 0.4 0.5 0.6tcoat,2 0.0003 ρcoat,2 900 γs
' [N/m3] 10000 τ 1058 240 8 9 10 9 10 11 0.4 0.5 0.6tcoat,3 0.0024 ρcoat,3 900 γs [N/m3] 12000 sg,operation 1.54 270 8 9 10 9 10 11 0.4 0.5 0.6tcoat,4 0 ρcoat,4 0 su [N/m2] 7500 d/D - 300 8 9 10 9 10 11 0.4 0.5 0.6tcoat,5 0 ρcoat,5 0 Gc - γSC - 330 8 9 10 9 10 11 0.4 0.5 0.6
0.030668
tsteel,added [m] tsteel,added [m]ws,vertical [N] ws,vertical [N]668
0.013
3641285678020.100
wnecessary [N]tconc [m]
STABLELINESOn-Bottom Stability of Submarine Pipelines
Generating ProgramReferences: Verification of version
NNNN
Pipeline data
12
Soil interaction
Return Period Values for Wave and Current
EnvironmentalParameters
Number of directions consideredInput path
Programmed by DNV Deep Water Technology
Knut Vedeld ([email protected])
Björn Henriksen ([email protected])Olav Aamlid ([email protected])
Design condition for pipe in operation
Stability Criterion
wnecessary [N]tconc [m]
Results - Empty pipe
0.0444858
ws [N]
Results - Pipe in operation
ws [N]
Coating data
Coating Density [kg/m3]Coating thickness [m]
Design condition for empty pipe
Output path
C:\Projects\On-Bottom Stability\StableLines\TestInput
C:\Projects\On-Bottom Stability\StableLines\TestInput
filefile
Input file nameOutput file name
Open Case
Parametric RunsCalculate
Sand
.5D Displacement
Save Case
10-year and 100-year RPV Combination1-year and 10-year RPV CombinationNecessary weight v.s directions
0
2000
4000
6000
8000
10000
0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330
directions
ws
ws,operational
ws,empty Concrete thickness v.s. density
0.000.050.100.150.200.250.30
1950 2117 2283 2450 2617 2783 2950 3117 3283 3450Concrete density
Con
cret
e th
ickn
ess
Empty condition
Operationalcondition
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Safeguarding life, property and the environment
www.dnv.com