DIMENSIONAMENTO DA SEÇÃO MESTRA PETROLEIRO EPHESOS

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1 1 UNIVERSIDADE DO ESTADO DO AMAZONAS ESCOLA SUPERIOR DE TECNOLOGIA ENGENHARIA NAVAL PAULO GIOVANNI DE SOUZA CARVALHO MATRÍCULA N : EZEQUIAS MARTINS DE FRANCA MATRÍCULA N : MATEUS MAGALHAES DE FARIAS MATRÍCULA N : DIMENSIONAMENTO DA SEÇÃO MESTRA PETROLEIRO EPHESOS MANAUS AM 2017

2 2 DIMENSIONAMENTO DA SEÇÃO MESTRA PETROLEIRO EPHESOS Trabalho apresentado como requisito parcial para obtenção de aprovação na disciplina de Resistência Estrutural l, no Curso de Engenharia Naval, na Universidade do Estado do Amazonas. Prof. Marcelo Paiva Hermann. MANAUS AM 2017

3 3 LISTA DE FIGURAS Figura 1-Ajuste da forma do casco através de imagens em background... 7 Figura 2-Modelagem final do casco... 7 Figura 3 - Gráfico da SAC Figura 4 - Gráfico de Momnento Fletor (Método Analítico) Figura 5:Seção Mestra modelada em AutoCad... 17

4 4 LISTA DE TABELAS Tabela 1: Dimensões do Navio... 7 Tabela 2: Pesos utilizados... 8 Tabela 3: Momentos calculados Tabela 4: Espaçamento dos reforçadores Tabela 5: Espessuras das chapas Tabela 6: Módulos de seções da ABS e usados Tabela 7: Dados calculados Tabela 8: Momentos em Onda Tabela 9: Tensão Primária (MPa) - Momento em Onda (ABS) Tabela 10: Tensão Primária (MPa) - Momento em Onda (Método Analítico)... 17

5 5 SUMÁRIO 1. INTRODUÇÃO MODELAGEM 3D DO CASCO ESFORÇO CORTANTE E MOMENTO FLETOR DIMENSIONAMENTO ESTRUTURAL ESPAÇAMENTO ESPESSURAS ESPESSURA DA CHAPA DO COSTADO E ANTEPARA LONGITIDINAL ESPESSURA DA CHAPA DE FUNDO ESPESSURA DA CHAPA DO CONVÉNS ESPESSURA CHAPA DO DUPLO FUNDO ESPESSURA CHAPA DO DUPLO COSTADO ESPESSURA CHAPA/QUILA MÓDULO DA SEÇÃO DOS REFORÇADORES SICORDAS ESCOAS LOGARINAS REFORÇADORES DO FUNDO REFORÇADORES DE DUPLO FUNDO REFORÇADORES DO CONVÉNS REFORÇADORES DO DUPLO CASTADO/COSTADO REFORÇADORES DA ANTEPARA LONGINTUDINAL MÓDULOS DE SEÇÕES MÓDULO DE SEÇÃO REQUERIDO (ABS) MÓDULO DE SEÇÃO MÍNIMO (ABS) MÓDULO DA SEÇÃO DA SEÇÃO MESTRA TENSÃO PRIMÁRIA SEÇÃO MESTRA CONSIDERAÇÕES FINAIS REFERÊNCIAS... 19

6 6 1. INTRODUÇÃO A seção mestra de um navio é essencialmente importante para o projeto inicial, pois esta configuração da seção decorre por grande parte do comprimento da embarcação. Sendo assim, este trabalho tem por objetivo dimensionar uma seção mestra para um petroleiro, EPHESOS, já existente cujos dados foram obtidos a partir da revista Significant Ships 2012.

7 7 2. MODELAGEM 3D DO CASCO Uma vez que a tabela SAC (Section Area Curve) é necessária para estimar o momento (de forma analítica) atuante na embarcação, tendo posse do arranjo geral, decidiu-se que a melhor opção seria a modelagem do casco. Para tal, utilizou-se o software Delftship. Tabela 1: Dimensões do Navio Item Valores Loa (m): 274,18 Lpp (m): 264,0 Draft (m): 17,15 Depth (m): 23,1 Breadth (m): 50 Block co-efficient: 0,8211 Fonte: Revista Significant Ships. Primeiramente, gerou-se um casco genérico com as dimensões do petroleiro, depois foram feitas modificações manuais em sua forma para se assemelhasse à um petroleiro genérico. Feito isso, foram retiradas algumas imagens do arranjo para que fossem utilizadas como background e modelar o casco de acordo com seu formato real, como mostrado a seguir: Figura 1-Ajuste da forma do casco através de imagens em background. Fonte: autor. Ajustadas as formas, foi-se utilizada a ferramenta Hull Transformation do software para garantir que os coeficientes fossem iguais. Desta forma, obteve-se o seguinte casco: Figura 2-Modelagem final do casco. Fonte: Autor. Com o casco finalizado, foi-se possível extrair a tabela SAC, como mostrado a seguir:

8 8 Figura 3 - Gráfico da SAC. Fonte: Autor. 3. ESFORÇO CORTANTE E MOMENTO FLETOR A partir do arranjo geral, foram-se estimadas as distribuições das cargas, oufiting, maquinário, estrutura e superestrutura. Para haver valores reais para a análise do momento fletor, Watson (2012) sugere as seguintes equações para estimar os pesos: Peso em aço do casco: k = 0,021 para petroleiros; = ( + )+0,85 ( ). Outfit: Co = 0,23 para petroleiros. Para a superestrutura, Amorim (1983) sugere a seguinte expressão: Tabela 2: Pesos utilizados Item Peso em toneladas Estrutura/Aço 20860,971 Outfiting 3036,00 Superestrutura 275,368 Carga ,00 Máquinas 2147,661 Fonte: autor

9 9 O cálculo da flutuação foi feita através da seguinte expressão: Onde, para águas calmas: Para ondas de Tosamento e Alquebramento, respectivamente (em relação ao sinal do cosseno): Como uma forma de colocar uma condição de contorno, utilizou-se a função SE do Excel para que o T(x) ficasse somente entre 0 e pontal, pois para outros valores não haveria significado físico. Após a distribuição dos pesos, calculou-se o esforço cortante, momento fletor, LCG e LCB de acordo com as seguintes expressões, respectivamente: A fim de respeitar as condições de equilíbrio foi-se necessário utilizar a ferramenta Teste de hipóteses do Excel e realizar diversas iterações para fazer com que a diferença Peso Flutuação atingisse zero variando o Calado médio e, alternadamente, fazendo com que a diferença LCG-LCB atingisse zero variando o ângulo de trim até que estes valores convergissem e a curva de Esforço cortante e momento fletor zerassem nas extremidades, uma vez que a embarcação é considerada uma viga livre-livre. As condições de equilíbrio são mostradas a seguir: Assim, foram obtidas as seguintes curvas de momento fletor:

10 10 Figura 4 - Gráfico de Momento Fletor (Método Analítico). Fonte: Autor. O memorial de cálculo se encontra na planilha eletrônica EPHESOS_PARTE_1_MOMENTO. Tabela 3: Momentos calculados Momentos Valor em kn.m Águas calmas (Analítico) ,906 Tasamento (Analítico) ,701 Alquebramento (Analítico) ,189 Tasamento (ABS) ,177 Alquebramento (ABS) ,096 Fonte: autor 4. DIMENSIONAMENTO ESTRUTURAL O dimensionamento estrutural foi feito de acordo com as regras da ABS (American Bureau of Shipping) como base de cálculo dos espaçamentos entre reforçadores leves e pesados, espessuras das chapas e os módulos de secções mínimas dos reforçadores e da seção mestra ESPAÇAMENTO A ABS não estipula um valor para os espaçamentos entre cavernas gigantes, longarinas e sicordas, porém de acordo com as notas de aula usa-se um valor múltiplo do espaçamento entre cavernas. Segundo a ABS 3-2-5/1.7 pode se estimar espaçamentos para reforçadores leves definidos foram:

11 11 Tabela 4: Espaçamento dos reforçadores Item Valores Unidade Espaçamento entre Cavernas Gigantes 5000 Mm Espaçamento entre reforçadores pesados do fundo e costado Mm Espaçamento entre longitudinais do fundo e costado 1000 Mm Espaçamento entre longitudinais do convés 850 Mm Anteparas Mm Fonte: Autor As distâncias entre fundo e duplo fundo, costado e duplo costado foram calculados de acordo com as regras da CSR. Altura do Duplo Fundo: Largura do Duplo Costado: ESPESSURAS ESPESSURA DA CHAPA DO COSTADO E ANTEPARA LONGITIDINAL Segundo a ABS 3-2-2/3.9, o valor mínimo da chapa de costado é dito pela a fórmula: ESPESSURA DA CHAPA DE FUNDO Segundo a ABS 3-2-2/3.13 espessura da chapa do fundo não pode menor ser menor que:

12 ESPESSURA DA CHAPA DO CONVÉNS Segundo a ABS 3-2-3/5.1, a chapa do convés não pode ser menor que: ESPESSURA CHAPA DO DUPLO FUNDO Segundo a ABS 3-2-4/9.1 a espessura do duplo fundo não deve ser menor que: ESPESSURA CHAPA DO DUPLO COSTADO Segundo a ABS 3-2-2/3.9, o valor mínimo da chapa de duplo costado é dito pela formula: ESPESSURA CHAPA/QUILA Segundo a ABS 3-2-2/3.15 a espessura da chapa quilha é deve ser a soma da espessura utilizada no fundo mais 1,5 mm. Tabela 5: Espessuras das chapas Chapa Espessura Unidade Convés: 19 Mm Costado: 23,3 Mm Duplo Costado: 23,3 Mm Fundo: 26,34 Mm Duplo Fundo: 17,7 Mm Antepara Longitudinal: 23,3 Mm Fonte: Autor Com as espessuras mínimas calculadas, o mais viável seria utilizar espessuras de chapas comercias MÓDULO DA SEÇÃO DOS REFORÇADORES SICORDAS Segundo a ABS 3-2-8/5.3, módulo seção mínimo é:

13 13 c = 1 b = Espaçamento entre sicordas em metros h = 2.9 segundo a ABS 3-2-7/Table 1 l = Espaçamento entre gigantes em metros ESCOAS Segundo a ABS 3-2-6/5.1, é: c = 1.5 h = 2D/3, com D em metros s = Espaçamento entre escoas em metros l = Espaçamento entre cavernas gigantes em metros LOGARINAS Segundo a ABS 3-2-4/11.3, é: c = 1.3 h = 2D/3, com D em metros s = Espaçamento entre logarinas em metros l = Espaçamento entre antepara transversal em metros REFORÇADORES DO FUNDO Segundo a ABS 3-2-4/11.3, mínimo dos reforçadores do fundo é:

14 14 c = 1.3 h = 2D/3, com D em metros s = Espaçamento entre longitudinais em metros l = Espaçamento entre cavernas gigantes em metros REFORÇADORES DE DUPLO FUNDO Segundo a ABS 3-2-4/11.5, O módulo de seção mínimo dos reforçadores do duplo fundo é 85% do SM do fundo REFORÇADORES DO CONVÉNS Segundo a ABS 3-2-7/3.1,módulo mínimo de seção é: c = 0,3 para o caso em questão h = segundo a ABS 3-2-7/Table 1 s = Espaçamento entre longitudinais de convés em metros l = Espaçamento entre cavernas gigantes em metros REFORÇADORES DO DUPLO CASTADO/COSTADO Segundo a ABS 3-2-5/3.17, o módulo de seção dos reforçadores do duplo costado e do costado não deve ser menor que: c = 0.95 h= 0.75 vezes a distância do reforçador mais próximo ao bojo até o convés em m s = Espaçamento entre longitudinais do costado em metros l = Espaçamento entre cavernas gigantes em metros.

15 REFORÇADORES DA ANTEPARA LONGINTUDINAL Os módulos mínimo de seção para a antepara longitudinal será igual a dos reforçadores do duplo costado e costado,logo segundo a ABS 3-2-5/3.17. Tabela 6: Módulos de seções da ABS e usados Reforçador SM pela ABS SM usado Unidade Sicordas ,3 cm³ Escoas , ,3 cm³ Longarinas , ,5 cm³ Fundo 3447,6 3471,2 cm³ Duplo fundo 2930, ,8 cm³ Costado e Duplo Costado 2593,5 2657,2 cm³ Convéns 144, ,7 cm³ Antepara Longitudinal 2593,5 2693,3 cm³ Fonte: autor 5. MÓDULOS DE SEÇÂO MÓDULO DE SEÇÃO REQUERIDO (ABS) Segundo a ABS / (a) o módulo de seção requerida da seção mestra a 0,4L da viga navio é maior valor da seguinte equação ou / (b): Mt = momento de flexão total, Mt=Msw+Mw 3-2-1/3.3 e 3-2-1/3.5.1 fp = tensão de flexão admissível = 17.5 kn/cm MÓDULO DE SEÇÃO MÍNIMO (ABS) Segundo a ABS / (b) o módulo de seção da viga navio no meio não deve ser menor ao obtido a seguinte equação: C1 = definido na 3-2-1/3.5 na ABS C2 = 0.01 (0.01, ^(-4))

16 MÓDULO DA SEÇÃO DA SEÇÃO MESTRA Com o dimensionamento preliminar dos elementos estruturais, pode calcular o SM da seção mestra do navio EPHESOS. Os cálculos foram feitos em planilha eletrônica onde foram listados os elementos que influenciam na tensão primaria, com suas respectivas dimensões e localização. Com estes dados se extraiu o somatório dos momentos de inércia e a posição da linha neutra da seção mestra, sendo assim, a divisão destes obtêmse o SM da seção metra. Todos os cálculos e resultados listados a seguir esta na planilha eletrônica EPHESOS_PARTE_2_SMs. Tabela 7: Dados calculados Item Valores Unidade Módulo de Seção Mínimo (ABS) ,0457 cm2*m Módulo de Seção Requerido (ABS) ,6965 cm2*m Módulo de Seção da Seção Mestra ,6344 cm2*m Linha Neutra 11,55 m Momento de Inércia Total 720,325 m4 Fonte: Autor 6. TENSÃO PRIMÁRIA Com o módulo de seção e o momento máximo sofrido pela vigar calculou a tensão primária pela a fórmula a seguir: onde: Mmáx=momento máximo Z=distância para a linha neutra I=Momento de Inércia total SM=Módulo de seção da Seção Mestra Tabela 8: Momentos em Onda ABS (kn.m) Analítico (kn.m) Diferença (%) Tosamento , ,701 0, Alquebramento , ,189 0, Fonte: autor

17 17 Tabela 9: Tensão Primária (MPa) - Momento em Onda (ABS) Convés Fundo Duplo Fundo Águas Calmas -17,70 17,69 14,63 Tosamento -116,14 116,08 95,97 Alquebramento 74,03-73,99-61,18 Fonte: autor Tabela 10: Tensão Primária (MPa) - Momento em Onda (Método Analítico) Convés Fundo Duplo Fundo Águas Calmas -17,70 17,69 14,63 Tosamento -101,12 101,07 83,57 Alquebramento 128,24-128,18-105,98 Fonte: autor 7. SEÇÃO MESTRA Figura 5:Seção Mestra modelada em AutoCad Fonte: autor

18 18 8. CONSIDERAÇÕES FINAIS Com base nas notas de aulas e no levantamento bibliográfico realizado, foi possível fazer os cálculos para dimensionamento preliminar de uma seção mestra e analisar a tensão primária.

19 19 9. REFERÊNCIAS American Bureau of Shipping (ABS) American Bureau of Shipping. Hull Construction and Equipment. Rules for Building and Classing - Steel Vessels, Part 3, February 2016, Novembro de WATSON, David GM. Practical ship design. Gulf Professional Publishing, 2002.