ENG 1131 PROJETO FINAL DE GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA CIVIL PROJETO ESTRUTURAL DE UM CAIS DE PARAMENTO FECHADO

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1 ENG 1131 PROJETO FINAL DE GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA CIVIL PROJETO ESTRUTURAL DE UM CAIS DE PARAMENTO FECHADO Zalder Montenegro de Araujo Orientador: Professor Vicente Garambone Filho Departamento de Engenharia Civil, PUC-Rio Rua Marquês de São Vicente, 225 Prédio Cardeal Leme - 3 andar - Gávea Rio de Janeiro Julho de 2013

2 i Aos meus pais. Não sabendo que era impossível, foi lá e fez. Jean Cocteau

3 ii AGRADECIMENTOS Gostaria de começar agradecendo a Deus por nunca ter deixado me faltar saúde e força necessários para enfrentar e vencer os desafios ao longo da minha vida. Ao meu pai, meu ídolo, por ter insistido tanto e por ter sido sempre tão presente. Por ter despertado em mim a vontade de voar com minhas próprias asas e por ter me ensinado o valor de saber esperar sem me desesperar. À minha mãe, que eu amo tanto, sempre amorosa, me acolheu e acolherá em qualquer momento de dificuldade. Carinhosa, capaz de fazer esquecer-me de qualquer problema. Ao meu irmão, que tenho tanto orgulho, e que, mesmo sem saber, foi meu maior exemplo e inspiração durante a faculdade. À minha linda namorada Luiza, meu bem. Foi incansável e extremamente presente durante esse meu desafio e me fez entender, pela primeira vez, o significado da relação entre um homem e uma mulher. Faz-me sentir o homem mais especial do mundo. Aos meus queridos amigos Carlos Victor, Daniela Aubry, Filipe Ribas, Gabriel Napoleão, Lucas Guillén, Lucas Pinto, Marcelo Zarife, Rafael Brasileiro, entre tantos outros que sempre estiveram presentes. Vocês me proporcionaram os momentos mais felizes e inesquecíveis deste o curso. A todos os professores e funcionários do Departamento de Engenharia Civil, sempre atenciosos e de quem sentirei falta. Em especial ao orientador Professor Garambone, ao Jetson, Robson e Hugo, pessoas as quais devo parte deste projeto e que sempre estiveram disponíveis quando precisei. Meu muito obrigado, de coração, a todos!

4 iii Sumário AGRADECIMENTOS ii LISTA DE FIGURAS viii LISTA DE TABELAS xiii LISTA DE SÍMBOLOS E ABREVIATURAS xv GLOSSÁRIO xviii 1 INTRODUÇÃO Considerações Gerais Objetivo Metodologia de Trabalho Organização do Trabalho 2 2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA Conceituações, Classificação, Componentes e Etapas Principais das Obras e Estruturas Portuárias Classificação e tipos principais das obras acostáveis Componentes essenciais das estruturas acostáveis Obras de proteção Etapas principais de projeto e cálculo das obras portuárias Síntese do Capítulo TERMINAL DE CONTÊINERES Considerações Gerais Soluções Estruturais Aplicáveis ao Terminal de Contêiner Estrutura Vertical de Paramento Aberto 16

5 iv Estrutura Vertical de Paramento Fechado Local de Implantação Navios porta contêineres Movimentos característicos do navio Áreas do terminal Área do cais Operação de Contêineres na Retroárea Equipamentos de operação Sistemas de Movimentação de Contêineres na Retroárea Síntese do Capítulo NAVIO TIPO E DIMENSIONAMENTO DOS ELEMENTOS DO CAIS DE PARAMENTO FECHADO Navio Tipo Definição das Dimensões do Berço Dimensões da Estaca Prancha Cálculo da ficha da estaca prancha Tapete de Rochas Dimensionamento do tapete de rochas Análise dos Esforços de Acostagem e Amarração do Navio Tipo Estudo da energia de atracação e dimensionamento do sistema de defensas Cabos de amarração do navio, dimensionamento e disposição dos cabeços de amarração (marine bollards) Síntese do Capítulo ESTUDO DAS AÇÕES ATUANTES NO CAIS DE PARAMENTO FECHADO Ação Devida ao Peso Próprio da Laje mais o do Enchimento Local de aplicação de g Empuxo de Terra sobre a Cortina de Estacas Prancha Local de aplicação do empuxo sobre a cortina Empuxo de Terra sobre a Plataforma Carga Vertical Devida ao Portainer 54

6 v Local de aplicação da carga vertical devida ao portainer Carga Horizontal Devida ao Portainer Local de aplicação da carga horizontal devida ao portainer Sobrecarga Vertical Local de aplicação da sobrecarga vertical Sobrecarga Concomitante ao Portainer Local de aplicação da sobrecarga concomitante ao portainer Tração sobre os Cabeços de Amarração Local de aplicação da tração sobre os cabeços de amarração Síntese do Capítulo MODELAGEM DA SEÇÃO TRANSVERSAL DO CAIS DE PARAMENTO FECHADO Considerações sobre o Uso de Programas Estruturais Considerações acerca do FTOOL Breve Comentário sobre o Método dos Deslocamentos e Método da Rigidez Direta Modelo da Seção Transversal Layout do modelo Dados de entrada no FTOOL Modelagem da ação dos solos do terreno e do aterro sobre as estruturas Combinação de carregamentos e resultados obtidos para a seção transversal Síntese do Capítulo MODELAGEM DA SEÇÃO LONGITUDINAL DO CAIS DE PARAMENTO FECHADO Análise Comparativa entre os Modelos das Duas Seções Longitudinais Layouts dos modelos Dados de entrada no FTOOL Carregamento transferido pelo portainer às vigas Resultados obtidos 83

7 vi Aspectos observados em relação à análise comparativa entre os dois modelos Estudo acerca das Metodologias Utilizadas na Análise Estrutural das Vigas de Suporte do Portainer Layouts dos modelos Dados de entrada do FTOOL Casos de carga Resultados obtidos Aspectos observados a respeito do estudo acerca das metodologias utilizadas e da influência da seção da viga sobre a distribuição dos esforços Síntese do Capítulo DIMENSIONAMENTO E DETALHAMENTO DOS ELEMENTOS ESTRUTURAIS DO CAIS DE PARAMENTO FECHADO Cálculo da Estaca Prancha Cálculo da armadura resistente ao momento fletor Cálculo da armadura resistente ao esforço cortante Cálculo das Estacas da Fundação Método proposto por Alonso, U. R. (2006) Método proposto por Süssekind, J. C. (1984) Aspectos observados em relação aos métodos utilizados e resultados Cálculo da Laje do Cais Cálculo das Vigas de Suporte do Portainer Armadura longitudinal Armadura transversal Síntese do Capítulo CONSIDERAÇÕES SOBRE A DURABILIDADE DO CONCRETO ARMADO EXPOSTO AO AMBIENTE MARINHO Segunda Conferência Internacional sobre o Desempenho do Concreto em Ambiente Marinho Artigo 01: Durabilidade do concreto exposto ao ambiente marinho

8 vii um novo olhar Entrevista com o Engenheiro Civil Robson Gaiofatto Dados do entrevistado Perguntas e respostas Recomendações das Normas Brasileiras ABNT NBR 6118/2003 Projeto de Estruturas de Concreto Procedimento Síntese do Capítulo CONSIDERAÇÕES SOBRE A CONSTRUÇÃO DE UM CAIS DE PARAMENTO FECHADO Detalhes sobre a Cravação das Estacas Concretagem dos primeiros oito metros Detalhes sobre a Cravação das Estacas Prancha Detalhes sobre a Montagem da Plataforma de Trabalho para Arrasamento das Estacas Detalhes sobre o Arrasamento das Estacas Detalhes sobre a Concretagem da Laje Detalhes sobre a Execução do Aterro Hidráulico Síntese do Capítulo CONCLUSÃO DO PROJETO 149 BIBLIOGRAFIA 150

9 viii LISTA DE FIGURAS Figura 1 - Terminal misto de contêineres e carga geral, tipo roll on/roll off, ref. [20]... 7 Figura 2 Terminal de contêineres, tipo lift on/lift off, ref. [20]... 8 Figura 3 Solução em cais contínuo, contíguo a terra, em opções de paramento fechado e aberto, ref. [27]... 8 Figura 4 Solução em plataforma contínua, tipo finger, ou píer, ref. [27]... 9 Figura 5 Terminal constante de elementos discretos para graneis fluidos, ref. [27] Figura 6 Terminal constante de elementos discretos, adaptado para terminais de minérios, ref. [27] Figura 7 Complexo portuário protegido contra a ação das ondas por uma linha de molhes, ref. [27] Figura 8 Solução típica para um terminal offshore protegido por um molhe em L, ref. [27] Figura 9 Layout de um terminal típico de contêineres, ref. [20] Figura 10 Estrutura de paramento aberto, ref. [20] Figura 11 Motor propulsor lateral (Bow truster), ref. [20] Figura 12 - Estrutura de paramento fechado com muro de gravidade, ref. [20] Figura 13 - Seção típica da estrutura de paramento fechado com parede de estaca prancha Figura 14 - Graus de liberdade de movimento de um navio, ref. [27] Figura 15 - Seção típica de um cais e recomendações, ref. [34] Figura 16 - Sistema a), ref. [20] Figura 17 - Sistema b), ref. [20] Figura 18 - Empuxos de terra sobre a estaca prancha Figura 19 - Ação do jato d'água gerado pelo hélice, ref. [29] Figura 20 - Gráfico para determinação do diâmetro e potência do hélice, ref. [29] Figura 21 - Gráfico para obtenção de U max /U o, ref. [29]... 38

10 ix Figura 22 - Gráfico para determinação do D50, ref. [29] Figura 23 - Tipos de cabos de amarração, ref. [27] Figura 24 - Local de aplicação de g Figura 25 - Diagrama de empuxos sobre a estaca prancha Figura 26 - Local de aplicação do empuxo sobre a estaca prancha Figura 27 - Empuxo de terra sobre a plataforma Figura 28 - Carregamento resultante do empuxo sobre a plataforma Figura 29 - Local de aplicação da carga vertical do portainer Figura 30 - Local de aplicação da carga horizontal do portainer Figura 31 - Local de aplicação da sobrecarga vertical Figura 32 - Local de aplicação da sobrecarga concomitante ao portainer Figura 33 - Local de aplicação da tração sobre os cabeços Figura 34 - Modelo estrutural da seção transversal Figura 35 - Seção da laje Figura 36 - Seção da estaca prancha Figura 37 - Seção das estacas até 8,0 metros de profundidade Figura 38 - Seção das estacas a partir de 8,0 metros de profundidade Figura 39 - Modelo de Winkler, ref. [3] Figura 40 - Modelo estrutural com as molas Figura 41 Modelo 1, referente à viga entre as linhas A1 e A Figura 42 Modelo 2, referente à viga sobre a linha F Figura 43 - Seção da viga Figura 44 - Seção das estacas até 8,0 metros de profundidade para o primeiro modelo Figura 45 - Seção das estacas a partir de 8,0 metros de profundidade para o primeiro modelo Figura 46 - Carregamento equivalente ao peso do portainer Figura 47 - Caso de carga 1 aplicado ao modelo 1 (análogo para o modelo 2) Figura 48 - Caso de carga 2 aplicado ao modelo 2 (análogo para o modelo 2) Figura 49 - Caso de carregamento 3 aplicado ao modelo 1 (análogo para o modelo 2) Figura 50 - Diagrama de momento fletor resultante da análise do modelo 1 Caso

11 x Figura 51 - Diagrama de momento fletor resultante da análise do modelo 2 Caso Figura 52 Configuração da elástica do modelo 1 Caso Figura 53 - Configuração da elástica do modelo 2 Caso Figura 54 - Diagrama de momento fletor resultante da análise do modelo 1 Caso Figura 55 - Diagrama de momento fletor resultante da análise do modelo 2 Caso Figura 56 - Configuração da elástica do modelo 1 Caso Figura 57 - Configuração da elástica do modelo Figura 58 - Diagrama de momento fletor resultante da análise do modelo 1 Caso Figura 59 - Diagrama de momento fletor resultante da análise do modelo 2 Caso Figura 60 - Configuração da elástica do modelo 1 Caso Figura 61 - Configuração da elástica do modelo 2 Caso Figura 62 - Modelo estrutural em viga contínua Figura 63 - Seção da viga com 1,0 x 1,0 m Figura 64 Caso da carga vertical concentrada no modelo 1 (análogo ao modelo de viga contínua) Figura 65 - Diagrama de momento fletor resultante da análise do modelo 1 para a seção de 1,0 x 1,8 m Caso Figura 66 - Diagrama de momento fletor resultante da análise do modelo em viga contínua para a seção de 1,0 x 1,8 m Caso Figura 67 Configuração da elástica do modelo 1 para a seção de 1,0 x 1,8 m Caso Figura 68 - Configuração da elástica do modelo em viga contínua para a seção de 1,0 x 1,8 m Caso Figura 69 - Diagrama de momento fletor resultante da análise do modelo 1 para a seção de 1,0 x 1,0 m Caso Figura 70 - Diagrama de momento fletor resultante da análise do modelo em viga contínua para a seção de 1,0 x 1,0 m Caso Figura 71 - Configuração da elástica do modelo 1 para a seção de 1,0 x 1,0 m Caso

12 xi Figura 72 - Configuração da elástica do modelo em viga contínua para a seção de 1,0 x 1,0 m Caso Figura 73 - Diagrama de momento fletor resultante da análise do modelo 1para a seção de 1,0 x 1,8 m Carga vertical concentrada Figura 74 - Diagrama de momento fletor resultante da análise do modelo em viga contínua para a seção de 1,0 x 1,8 m Carga vertical concentrada Figura 75 Configuração da elástica do modelo 1 para a seção de 1,0 x 1,8 m Carga vertical concentrada Figura 76 - Configuração da elástica do modelo em viga contínua para a seção de 1,0 x 1,8 m Carga vertical concentrada Figura 77 - Diagrama de momento fletor resultante da análise do modelo 1 para a seção de 1,0 x 1,0 m Carga vertical concentrada Figura 78 - Diagrama de momento fletor resultante da análise do modelo em viga contínua para a seção de 1,0 x 1,0 m Carga vertical concentrada Figura 79 Configuração da elástica do modelo 1 para a seção de 1,0 x 1,0 m Carga vertical concentrada Figura 80 - Configuração da elástica do modelo em viga contínua para a seção de 1,0 x 1,0 m Carga vertical concentrada Figura 81 Esquema da seção da estaca prancha em centímetros Figura 82 Diagrama de momentos fletores do modelo de estaca prancha Figura 83 - Diagrama de esforços cortante do modelo de estaca prancha Figura 84 - Esquema da seção das estacas (cm), até 8 metros de profundidade (esquerda) e a partir de oito metros (direita) Figura 85 - Ábaco de Montoya para flexo-compressão de seções circulares com uso de aço CA-50 e relação da/db = 0,85, ref. [3] Figura 86 - Diagrama de esforços cortantes das vigas de suporte do guindaste - Caso Figura 87 - Corrosão do aço na laje da ponte sobre o Canal Hood ref. [15] Figura 88 - Corrosão do aço em um dos pilares da ponte sobre o Canal Hood, ref. [15] Figura 89 - Corrosão do aço de uma das vigas de coroamento da ponte San Mateo- Hayward Figura 90 - Perfuração com flutuante Figura 91 - Perfuratriz Wirth

13 xii Figura 92 Colocação da armadura em um tubulão Figura 93 Cais de paramento fechado composto por vigas de coroamento e prélajes

14 xiii LISTA DE TABELAS Tabela 1 Dimensões do navio tipo, ref. [19] Tabela 2 - Dimensões de Rochas (densidade de 2,6 t/m³ ou 25,9 kn/m³, ref, [29] Tabela 3 - Características do tapete de rochas dimensionado Tabela 4 - Velocidade de atracação para o cálculo da energia de atracação, ref. [9] Tabela 5 - Resumo dos Materiais Utilizados no Modelo Estrutural Tabela 6- Valores da constante do coeficiente de reação horizontal ηh, ref. [3].. 66 Tabela 7 - Reações verticais da estaca prancha e das estacas A1, A2, B e C Tabela 8 - Reações verticais das estacas C2, D, E e F Tabela 9 - Reação de momento da estaca prancha e das estacas A1, A2, B e C1. 69 Tabela 10 - Reação de momento das estacas C2, D, E e F Tabela 11 - Reações verticais da estaca prancha e das estacas A1, A2, B e C Tabela 12 - Reações verticais das estacas C2, D, E e F Tabela 13 - Reação de momento da estaca prancha e das estacas A1, A2, B e C Tabela 14 - Reação de momento das estacas C2, D, E e F Tabela 15 - Comparação entre as reações de momento dos dois modelos Tabela 16 - Reações de momento na laje do cais Tabela 17 Quadro comparativo com os piores casos analisados Caso de carga Tabela 18 - Quadro com os piores casos Caso de carga Tabela 19 - Quadro comparativo com os piores casos analisados - Caso de carga Tabela 20 - Quadro com os piores casos - Caso de Carga Tabela 21 - Quadro comparativo com os piores casos analisados - Caso de carga Tabela 22 - Quadro com os piores casos - Caso de carga

15 xiv Tabela 23 - Quadro com os valores críticos obtidos após a comparação entre os dois modelos Tabela 24 - Espaçamentos adotados para as armaduras de flexão Tabela 25 - Comprimento básico de ancoragem calculado para as barras, aço CA

16 xv LISTA DE SÍMBOLOS E ABREVIATURAS V Rd2 = esforço cortante resistente de cálculo, relativo à ruina das diagonais comprimidas de concreto f bd = resistência de aderência de cálculo entre armadura e concreto na ancoragem de armaduras passivas f ctb = resistência a tração direta de cálculo

17 xvi l b = comprimento de ancoragem η 1 = coeficiente para cálculo da tensão de aderência de barras nervuradas η 2 = coeficiente para cálculo da tensão de aderência para barras localizadas na zona de má aderência η 3 = coeficiente para cálculo da tensão de aderência para barras localizadas na zona de má aderência μ = momento fletor parametrizado utilizado como dado de entrada no ábaco φ = diâmetro da estaca σ s = tensão máxima atuante no aço tracionado para garantir a abertura prefixada das fissuras ν = esforço normal parametrizado utilizado com dado de entrada no ábaco ABNT Associação Brasileira de Normas Técnicas ACI American Concrete Institute CANMET Canada Centre for Mineral and Energy Technology NBR Norma Brasileira

18 xvii PIANC Permanent International Commission for Navigation Congress PUC Pontifícia Universidade Católica RTG Rubber Tyred Gantry TECON Terminal de Contêineres

19 xviii GLOSSÁRIO 1. Acostar: ou atracar, diz-se quando uma embarcação se aproxima de uma costa; encostar o navio no cais ou em outra embarcação. 2. Berço: local de atracação e de movimentação das cargas a serem embarcadas e descarregadas. 3. Cabeço: coluna de ferro, que fica encravada à beira de um cais ou junto à borda de uma embarcação, para nela se amarrar as cordas que mantêm o navio atracado ao cais. Em inglês é denominado marine bollard. 4. Cais: é uma estrutura portuária contígua à costa; plataforma em parte da margem de um rio ou porto de mar ao qual atracam os navios e onde se faz o embarque ou desembarque de pessoas e/ou mercadorias. 5. Defensa: peça feita de sola ou de cabo, pneu, estopa, ou outro material, que são amarradas no cais ou na própria embarcação, nos lugares mais salientes do casco, permanentemente ou apenas na atracação, com a finalidade de protegê-los de danos que podem resultar de choque com a borda do cais. 6. Derrocagem: processo de retirada ou destruição de rochas submersas que impedem a navegação adequada das embarcações. 7. Doca: termo geral utilizado para denominar estruturas portuárias que sirvam para a atracação e amarração de embarcações, com o objetivo de carregar ou descarregar mercadorias, ou que sirva para o embarque e desembarque de passageiros. 8. Dolfins: Estruturas marítimas que servem para a amarração ou atracação das embarcações. 9. Dragagem: ato de dragar, serviço de escavação nos canais de acesso e áreas de atracação dos portos para manutenção ou aumento da profundidade. 10. Empuxo de terra: ação horizontal produzida por um maciço de solo sobre as obras com ele em contato. 11. Enroncamento: maciço composto por blocos de rocha compactados.

20 xix 12. Estaca elemento vertical com a função de transferir as cargas transmitidas pela estrutura acima dele ao solo; 13. Esporão: em Portugal chamado espigão, 14. Hinterland ou Hinterlândia: termo alemão que representa um território contíguo à costa marinha ou a um rio. É o potencial gerador de cargas do porto da sua área de influência terrestre interior. 15. Molhe: estrutura de defesa que tem por finalidade principal proteger a costa ou um porto da ação das ondas do mar. Sua característica principal é que possui uma extremidade em terra e a outra dentro d água. 16. Offshore: termo inglês que significa literalmente fora da costa. Em relação a estruturas portuárias, se refere a obras localizadas no mar, ligadas à costa apenas por pontes de acesso. 17. Píer: estrutura portuária que se projeta sobre o mar, em linha reta ou em outras formas, como T ou L. 18. Quebra-mar: ou talha-mar, é uma estrutura de defesa que tem por finalidade principal proteger a costa ou um porto da ação das ondas do mar. A característica principal do quebra-mar é que suas duas extremidades estão dentro d água. 19. Retroárea: área onde se encontram os locais de estocagem, circulação rodo-ferroviária, e os prédios de apoio operacional. A retroárea é basicamente constituída pelos armazéns e silos, os pátios de estocagem (para contêineres, granéis sólidos, produtos siderúrgicos, tanques para estocagem de granéis líquidos), as vias de circulação rodoviária, as vias de circulação ferroviária, e os prédios de apoio (onde se encontram a administração, receita federal, vestiários, refeitório, oficinas, portaria e controle, subestação, etc.). 20. Retroporto: área geralmente instalada em terrenos próximos a um porto de mar aberto ou fluvial. Neste setor são colocados os contêineres usados para carga e descarga de produtos que serão comercializados naquele país, ou região. A administração do setor é feita por particulares e há grande movimentação de máquinas e estivadores. 21. Tubulão: elemento de fundação profunda, cilíndrico ou retangular, executado com ou sem revestimento, manual ou mecanicamente. Pode ser

21 xx feito a céu aberto ou sob ar comprimido (pneumático), e ter ou não base alargada.

22 INTRODUÇÃO 1 1 INTRODUÇÃO 1.1. Considerações Gerais O presente trabalho diz respeito ao Projeto de Graduação em Engenharia Civil e representa a conclusão do meu curso pela Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro (PUC-Rio). O Projeto nasceu do interesse em me aprofundar no tema de estruturas marítimas, em especial obras portuárias. A possibilidade de vir a trabalhar com estruturas portuárias, somada à experiência do Engenheiro Jetson de Almeida Cavalcante, com quem trabalho diretamente, e a oportunidade de cursar uma cátedra ministrada pelo também conhecedor do assunto, Eng. Vicente Garambone Filho, despertaram em mim o desejo de conhecer, mesmo que em nível acadêmico, um pouco mais a respeito deste tipo de obra, tão importante para o desenvolvimento de um país, e que certamente me fará evoluir como aluno e futuro profissional de Engenharia Civil. Sendo assim, decidi em conjunto com meu orientador elaborar um projeto de estrutura de um terminal de contêiner, do tipo Cais 1 de Paramento Fechado. Os paramentos básicos que determinaram as características do cais foram estabelecidos pelas recomendações do professor orientador Garambone, profissional experiente neste tipo de obras. Dessa forma, é importante esclarecer que o trabalho, devido às limitações descritas acima e à deficiência na análise estrutural, por falta de softwares profissionais como o SAP 2000, se trata de um projeto estrutural em nível acadêmico, não correspondendo às exigências de um projeto real. 1 Definição 4. do Glossário.

23 INTRODUÇÃO Objetivo O objetivo principal deste trabalho é o dimensionamento e detalhamento de todos os elementos estruturais presentes no Cais de Paramento Fechado Metodologia de Trabalho A metodologia utilizada no desenvolvimento deste projeto baseou-se principalmente no acompanhamento da cátedra Estruturas Fluviais e Marítimas, ministrado pelo orientador. Além dos conhecimentos obtidos ao longo do curso de Engenharia Civil, busquei opiniões de profissionais conhecedores dos temas abordados pelo trabalho. Ainda, realizei uma análise interpretativa de fatos relativos ao projeto nos livros disponíveis na biblioteca da PUC-Rio, em dissertações, teses e normas brasileiras Organização do Trabalho O trabalho em onze capítulos que visam envolver, a partir de uma breve explanação a respeito das estruturas portuárias, as diferentes etapas para elaboração de um projeto de Cais de Paramento Fechado. Os temas abordados nos capítulos serão resumidos a seguir: Capítulo 2 Revisão Bibliográfica: nesse capítulo, serão abordados temas gerais acerca de obras portuárias, apresentados com o intuito de preparar o leitor para os próximos capítulos; Capítulo 3 Terminal De Contêineres: serão apresentadas as características principais de um terminal de contêineres, como as soluções estruturais possíveis, as particularidades acerca do local de implantação, os equipamentos de operação das cargas e os principais navios porta contêineres; Capítulo 4 Navio e Dimensionamento dos Elementos do Cais de Paramento Fechado: serão definidos os paramentos necessários para a elaboração do projeto. Será determinado o tipo de navio que irá utilizar o terminal

24 INTRODUÇÃO 3 e outras características dos elementos presentes no cais fechado, essenciais para a futura análise estrutural do cais; Capítulo 5 Estudo dos Esforços Atuantes no Cais de Paramento Fechado: nessa seção, serão definidos os casos de carga existentes no Cais de Paramento Fechado, baseando-se nas recomendações da ABNR NBR Ações em Estruturas Portuárias, Marítimas ou Fluviais; Capítulo 6 Modelagem da Seção Transversal do Cais de Paramento Fechado: a partir dos dados obtidos no Capítulo 5, será definido um modelo estrutural da seção transversal do cais, que simulará o comportamento da laje do cais, da estaca prancha e das estacas da fundação; Capítulo 7 Modelagem da Seção Longitudinal do Cais de Paramento Fechado: analogamente ao Capítulo 6, será definido um modelo estrutural da seção longitudinal do cais, que analisará o comportamento das vigas de suporte do portainer; Capítulo 8 Dimensionamento e Detalhamento dos Elementos Estruturais do Cais de Paramento Fechado: nessa seção, serão reunidas todas as informações resultantes dos estudos realizados nos Capítulos5, 6 e 7 para então dimensionar e detalhar todas as estruturas presentes no cais; Capítulo 9 Considerações sobre a Durabilidade do Concreto Armado Exposto ao Ambiente Marinho: será apresentado um estudo, contendo informações pesquisadas em livros e normas brasileiras sobre o impacto do ambiente marinho sobre as obras de concreto armado, além de uma entrevista com um profissional especializado nesse assunto. e recomendações sobre o impacto que o ambiente marinho causa às obras de concreto armado; Capítulo 10 Considerações sobre a Construção de um Cais de Paramento Fechado: nesse capítulo, serão apontados detalhes importantes para o bom desenvolvimento de um cais de paramento fechado; Capítulo 11 Conclusão: a conclusão será apresentada ao leitor juntamente a um retrospecto sobre os assuntos abordados pelo trabalho; Anexo A Características do Navio Tipo e Seções Típicas de um Cais de Paramento Fechado: serão apresentados nesse anexo os desenhos acerca do 2 Ref. [9]

25 INTRODUÇÃO 4 navio tipo adotados como referência, além de seções típicas de uma cais de paramento fechado, similar ao que será projetado; Anexo B Seção do Cais de Paramento Fechado, Planta de Localização das Estacas, Dimensionamento e Detalhamento de Seus Elementos Estruturais: serão apresentados nesse anexo os desenhos específicos do Cais de Paramento Fechado especificados conforme o que foi apresentado no trabalho.

26 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA 5 2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA Este capítulo tem como objetivo resumir os temas que envolvem uma obra portuária. Após sua leitura, a compreensão dos capítulos seguintes será facilitada, uma vez que serão estabelecidas algumas definições e nomenclaturas características de obras portuárias Conceituações, Classificação, Componentes e Etapas Principais das Obras e Estruturas Portuárias Porto é o abrigo natural ou artificial para os navios, munido de instalações necessárias ao embarque e desembarque de mercadorias ou passageiros. Dispõe de construções e equipamentos apropriados para receber, armazenar e reembarcar mercancias. Tais instalações constam de desembarcadouros, depósitos, rebocadores, carregadores e descarregadores mecânicos, barcos de passagem, vagões e caminhões (Dicionário Aurélio). Diversos fatores estão ligados às características e definições de uma estrutura portuária. Ao se implantar uma obra deste tipo, é importante ressaltar que ela deverá ser inserida em um determinado meio e cumprir determinada função. Muitas vezes a escolha do local de implantação de uma estrutura portuária é determinada pelas condições do hinterland 3, como, por exemplo, a localização dos meios de transporte terrestre ou hidroviários de penetração, de infraestrutura industrial e de produção. O local de implantação escolhido deve oferecer boas condições de abrigo e proteção às ações marítimas e exigir obras especiais de defesa. As condições ideais de localização correspondem à possibilidade de ser encontrada uma enseada 3 Definição 14. do Glossário

27 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA 6 abrigada e com profundidade de água suficiente para permitir o acesso das embarcações, sem obras adicionais de dragagem 4 ou derrocagem 5. Caso o local não disponha das condições ideais, serão exigidas obras adicionais de abrigo, como quebra-mar 6, além de serviços de dragagem, que, muitas vezes, representam custos da mesma ordem de grandeza ou superiores aos investimentos correspondentes às estruturas de acostagem 7. Na impossibilidade de serem encontradas condições adequadas para a implantação das obras na região costeira, é necessário que se recorra às instalações offshore 8, nas quais os navios operam com seus próprios recursos e são apoiados por sistemas auxiliares de boias de fixação. É o caso, por exemplo, de alguns terminais petroleiros em mar aberto. É importante ressaltar que a construção de uma obra portuária é agressiva ao meio ambiente, alterando as condições físicas e biológicas do meio. Dessa forma, é necessário que haja um estudo desse impacto ambiental que, a partir de um diagnóstico socioeconômico e ambiental de toda a área afetada, realize um prognóstico das consequências da construção e sugira medidas com o objetivo de minimizar os impactos considerados negativos e maximizar os positivos Classificação e tipos principais das obras acostáveis A classificação das obras acostáveis, segundo Mason, Jayme (1981) 9, é dada pelos seguintes pontos de vista: Localização: as obras acostáveis podem ser marítimas, fluviais ou lacustres; Condições de abrigo: as obras podem ser protegidas (localizadas em baías ou enseadas naturais protegidas, ou abrigadas por obras de defesa e tranquilização) ou em mar aberto (terminais offshore); Função da obra (o mais determinante): sob este ponto de vista, as obras acostáveis podem ser para carga geral ou podem ser terminais 4 Definição 9. do Glossário 5 Definição 6. do Glossário 6 Definição 18. do Glossário 7 Definição 1. do Glossário 8 Definição 16. do Glossário 9 Ref. [27]

28 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA 7 para granéis sólidos e líquidos (terminais de petróleo, mineraleiros, de cereais, entre outros); Tipo de equipamento empregado: terminais em carregadores deslizantes (deslizam ao longo da frente acostável, impondo a necessidade de um cais ou plataforma contínuos) e terminais em carregadores setoriais (a carga é feita por lanças que pivotam em torno de pontos de articulação e se apoiam em estruturas setoriais, resultando um tipo de obra em elementos estruturais discretos). Sistema de carga e descarga dos navios: caracterizam os tipos de terminais, tais como os terminais de contêineres (onde as cargas são postas em contêineres de dimensões padronizadas, de modo a facilitar a armazenagem e transferência das mercadorias), ou terminais roll-on/roll-off (ocorrem quando o acesso das cargas aos navios é direto, através de rampas de ligação com o cais), ou terminais lift-on/lift-off (tipo de terminal com a característica de deixar as carretas vazias alinhadas uma a uma para serem carregadas e depois da mesma maneira, ficam armazenadas até a chegada do caminhão para transportar a carga ao seu destino); Figura 1 - Terminal misto de contêineres e carga geral, tipo roll on/roll off, ref. [20]

29 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA 8 Figura 2 Terminal de contêineres, tipo lift on/lift off, ref. [20] Tipo estrutural ou natureza da estrutura: a obra pode ter uma estrutura contínua (normalmente soluções em cais de paramento aberto ou fechado Figura 3), ou estrutura discreta (subdividida em elementos isolados, realizando funções específicas de acostagem, suporte de equipamentos e amarração dos navios). Para o melhor entendimento das caracterizações de alguns tipos de obras e elementos citados anteriormente, algumas ilustrações esquemáticas serão ilustradas a seguir: Figura 3 Solução em cais contínuo, contíguo a terra, em opções de paramento fechado e aberto, ref. [27]

30 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA 9 [27] Figura 4 Solução em plataforma contínua, tipo finger, ou píer, ref. A Figura 3 ilustra uma solução em cais corrido, com um lado acostável, em opções de paramento fechado e aberto. No item (b) da figura, está representada a solução em paramento fechado, na qual o terrapleno de retaguarda é contido por uma cortina. Tal solução, também pode ser chamada cais com plataforma de alívio, pois a plataforma protege a cortina contra os empuxos. No item (c) da figura, é representado o paramento aberto, na qual o terreno se apresenta em talude, sob a plataforma. A Figura 4ilustra uma solução em plataforma contínua, tipo finger, ou píer 10, com dois lados acostáveis. A estrutura neste caso é, em geral, vazada e consta de uma plataforma apoiada em estacas 11 ou tubulões 12. Podem existir, como representado pelo corte B-B, cais auxiliares para pequenas embarcações de apoio (rebocadores ou lanchas). Logicamente, a solução com dois lados acostáveis apresenta um maior rendimento operacional em relação à com apenas um lado. Entretanto, a sua adoção, conforme foi apresentado anteriormente, depende de uma série de circunstâncias adicionais, como condições topográficas e batimétricas do fundo da bacia, desempenho dos equipamentos, entre outras. 10 Definição 12. do Glossário 11 Definição 10. do Glossário 12 Definição 21. do Glossário

31 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA 10 É possível perceber que as soluções em cais contínuos são mais adaptáveis a equipamentos do tipo deslizante, ou seja, que se desloca ao longo da frente acostável. A seguir, serão apresentados dois tipos de soluções esquemáticas de estruturas acostáveis em elementos discretos: Na Figura 5 está representado um terminal para granéis líquidos, em particular, para navios petroleiros, embora este esquema também possa ser utilizado para certos tipos de granéis sólidos. A obra conta com diversos elementos e plataformas isoladas, cada uma desempenhando sua própria função. Em (1), está representada a plataforma de carga ou descarga, que suporta os respectivos equipamentos e é ligada à retroárea 13 por uma ponte de acesso (4). Tal ponte conduz as tubulações e permite o tráfego de veículos. A plataforma de carga ou descarga é recuada em relação à linha de acostamento e é protegida contra possíveis choques dos navios, por estacas de proteção (6). Já os dolfins 14 de atracação (2) permitem a acostagem das embarcações e estão equipadas por defensas de grande capacidade de absorção de impactos (7). A amarração dos navios e a sua fixação para fins de operação se dá através dos dolfins de amarração (3). Para efeitos de manutenção, são previstas passarelas (5) que ligam ambas as plataformas. Figura 5 Terminal constante de elementos discretos para graneis fluidos, ref. [27] 13 Definição 19. do Glossário 14 Definição 8. do Glossário

32 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA 11 Já na Figura 6, é apresentado um terminal constante de elementos discretos, porém adaptado para terminais de minérios. Nestes terminais, as lanças dos carregadores (5) se deslocam sobre vigas de apoio (3), lançando o minério nos porões dos navios. As plataformas do tipo (4) servem para a transferência do fluxo de minério levado por um sistema de esteiras transportadoras, para as lanças dos carregadores. O terminal é completado, portanto, pelos dolfins de amarração (1) e atracação (2). Figura 6 Terminal constante de elementos discretos, adaptado para terminais de minérios, ref. [27] Com os poucos exemplos demonstrados anteriormente, foi possível perceber a variedade de tipos de estruturas acostáveis e a sua dependência em relação à função que esta obra deverá atender Componentes essenciais das estruturas acostáveis As explicações e ilustrações do item anterior permitem concluir que em as obras de acostagem, geralmente, existem alguns elementos estruturais básicos e essenciais, destinados a realizar funções básicas. Os componentes básicos essenciais constituem as estruturas de suporte dos equipamentos, as estruturas de acostagem, os elementos de fixação dos navios e os elementos de proteção contra impactos.

33 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA 12 Em alguns terminais, as funções realizadas por tais estruturas podem estar totalmente separadas (Figuras 5 e 6) e, em outros, integradas em um só ou em diversos elementos (Figuras 3 e 4). A escolha, dentre as inúmeras possibilidades que existem, cabe ao projetista e depende das condições específicas de cada situação e dos riscos que serão, ou não, assumidos Obras de proteção As obras de proteção são necessárias nos casos em que a localização das estruturas de acostagem não apresenta boas condições de abrigo e proteção contra condições do meio, como ocorre em terminais offshore. Molhes 15 enrocamento 16, diques refletores de ondas e quebra-mares são exemplos destes tipos de obras especiais de proteção, ilustradas nas figuras a seguir: de Figura 7 Complexo portuário protegido contra a ação das ondas por uma linha de molhes, ref. [27] 15 Definição 14. do Glossário 16 Definição 11. do Glossário

34 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA 13 Figura 8 Solução típica para um terminal offshore protegido por um molhe em L, ref. [27] Etapas principais de projeto e cálculo das obras portuárias De forma a concluir o item 2.1. serão exposto, de forma sucinta, os problemas básicos com os quais um projetista se depara ao desenvolver uma estrutura portuária. Segundo Mason, Jayme (1981), o projeto e cálculo destas obras necessitam de conhecimentos multidisciplinares e que envolvem as áreas da Hidrodinâmica e Hidráulica Marítima (fornecem subsídios para a determinação das ações do mar e processos litorâneos, como transporte de sedimentos), Mecânica dos Solos (uma vez que os terrenos nestes locais são, em geral, argilosos, trabalhos de consolidação e estabilização do solo são necessários bem como estudos relativos às fundações e estabilidade dos terraplenos), Estática e Dinâmica das Estruturas (determinam o dimensionamento das estruturas que compõe as obras), Engenharia Naval (necessária para conhecer as características das embarcações, tais dimensões e condições de flutuação e estabilidade), Navegação (problemas relacionados às manobras e aproximação das embarcações), Equipamentos (determinam o tipo de solução e a fixação das solicitações a que as obras estão sujeitas), Operação e Planejamento Portuários.

35 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA 14 Em resumo, o projeto e a concepção de uma obra portuária acostável deverão abordar os seguintes tópicos: Definição do tipo de obra, de acordo com a sua função e às condições topográficas, hidráulicas e geotécnicas do local escolhido; Fixação dos paramentos de projeto e esforços sobre a obra, em função do tipo de embarcações que dela se servirão, bem como dos equipamentos portuários; Dimensionamento e detalhamento das obras estruturais e de defesa eventualmente necessárias, além de outras complementares Síntese do Capítulo 2 Nessa seção, destacou-se que o meio de implantação da construção é caracterizado pelas condições de mar, de terreno, do regime de ventos e outras condições climáticas. Além disso, classificaram-se os tipos de obras portuárias e, para cada um, expuseram-se ilustrações com o intuito de detalhar as estruturas de forma mais didática. Ao final, ficou claro que a concepção de uma estrutura portuária depende de diversas determinações, que serão feitas com base no tipo de obra (qual a função e condições do entorno), nos paramentos de projetos e esforços, além do dimensionamento e detalhamento das estruturas. Com a base formada, será possível aprofundar-se acerca dos aspectos característicos de um terminal de contêineres, que serão abordados no capítulo seguinte.

36 TERMINAL DE CONTÊINERES 15 3 TERMINAL DE CONTÊINERES O objetivo deste capítulo é, a partir da base formada pelo Capítulo 2, aprofundar-se, ainda mais, a respeito das características próprias de um terminal de contêineres Considerações Gerais De maneira geral, os terminais de contêineres (TECON s) são compostos pelo cais e retroárea. Cais, conforme foi visto no Capítulo 2, é a estrutura contígua à costa que recebe todos os equipamentos de operação de carga e descarga de contêineres. Diversos esforços são impostos a tais estruturas devidos à atracação e amarração do navio, ações de ventos, correntes marítimas, além das geotécnicas, como os empuxos de terra. Já a retroárea é definida como o local onde são carregados e descarregados os contêineres e onde se localizam os prédios de apoio operacional. Nos terminais de contêineres, deve ser previsto um espaço para triagem e armazenamento das cargas que entram e saem do cais. Logicamente, o modo em que os contêineres serão armazenados está diretamente ligado ao tipo de equipamento que será utilizado na movimentação das cargas e na capacidade resistente da estrutura. Além das características acima citadas, é importante que o terminal seja uma extensão dos modais rodoviário e ferroviário. Isso significa que o cais deve estar interligado aos outros modais, de modo a tornar a logística que envolve a movimentação de contêiner deve estar interligada de modo tornar mais eficiente em relação à diminuição de tempo e custos. Os próximos itens deste capítulo esclarecerão algumas das mais importantes características do terminal de contêiner a ser projetado.

37 TERMINAL DE CONTÊINERES 16 Figura 9 Layout de um terminal típico de contêineres, ref. [20] 3.2. Soluções Estruturais Aplicáveis ao Terminal de Contêiner contêiner: Existem duas principais soluções estruturais para o cais do terminal de i. Estrutura Vertical de Paramento Aberto; ii. Estrutura Vertical de Paramento Fechado Estrutura Vertical de Paramento Aberto Entende-se como paramento (ou paramento) aberto a ausência de uma parede frontal vertical de fechamento do cais, podendo apenas existir na retaguarda do cais. Dessa forma, é importante que o solo da região abaixo do cais permita a formação de um talude suave de modo que o fim do talude atinja a linha de dragagem que deverá estar próximo à projeção da linha mais externa do berço 17. Thoresen, C. A. (2003) 18 recomenda que o início do talude esteja a um metro para dentro do cais; a figura a seguir ilustra este tipo de solução: 17 Definição 2. do Glossário 18 Ref. [34]

38 TERMINAL DE CONTÊINERES 17 Figura 10 Estrutura de paramento aberto, ref. [20] Geralmente, se trata de estruturas mais leves e o princípio estático está na transferência de esforços verticais pelas estacas verticais e esforços horizontais por tirantes e enrocamento. Apesar da estrutura não ter que suportar o empuxo de solo imposto ao fechamento, existe um empuxo de solo exercido sobre a parede atrás do cais e que deve ser levada consideração no dimensionamento e detalhamento da estrutura. O talude sob o cais costuma ser de enrocamento. Sua inclinação, de acordo com Thoresen, C. A. (2003), varia entre 1:1,25 e 1:1,5. É essencial para a conservação da estrutura que haja a proteção do enrocamento. Isso se deve à ação do hélice e dos propulsores laterais do navio (em inglês, bow truster) que podem formar gerar a erosão no talude. Figura 11 Motor propulsor lateral (Bow truster), ref. [20]

39 TERMINAL DE CONTÊINERES 18 No ponto mais alto do talude é importante que se faça uma proteção que envolve, em geral, uma camada de 50 centímetros de brita e outra camada sobre ela de uma manta de geotêxtil. Dessa forma, a fuga de material será controlada e a vida útil do talude será mantida. Nesse tipo de estrutura é indicado que não haja estaca inclinada. Isso se deve ao fato de que o solo sob o enrocamento pode sofrer recalque e isso, uma vez que o talude é feito após a cravação, pode causar o rompimento das estacas. A grande desvantagem de se ter um cais de paramento aberto é que, devido ao enrocamento, não é possível expandir o terminal, caso se necessite aumentar a profundidade do cais para a atracação de navios de calados maiores Estrutura Vertical de Paramento Fechado As estruturas verticais de paramento (ou paramento) fechado são construções que possuem uma parede vertical na frente cais para a contenção do terrapleno sob o terminal e que sofrem ação direta das ondas. O paramento frontal pode ser formado por muros de gravidade ou parede de estacas prancha Muros de gravidade O princípio do equilíbrio estático básico deste tipo de estrutura é a utilização de estruturas pesadas para transferência de cargas à fundação, ou seja, o peso dos blocos proporciona uma força de atrito na base da parede. Isso significa que os esforços horizontais são suportados pelo empuxo passivo do solo, quando houver, somado ao atrito na região da base, ou apenas o atrito na base para suportar o empuxo de solo e a atracação. Muros de gravidade são utilizados, em geral, quando não é possível a cravação de estacas, porém, devido ao grande peso dessas estruturas, deveriam ser executadas em solos de grande capacidade de carga para evitar recalques diferenciais. Para esse tipo de estrutura não se devem usar equipamentos de grande porte, como portainers, uma vez que pequenos recalques inviabilizam a operação. Alguns exemplos de muros de gravidade estão ilustrados na figura a seguir:

40 TERMINAL DE CONTÊINERES 19 ref. [20] Figura 12 - Estrutura de paramento fechado com muro de gravidade, Parede de estacas prancha As estacas prancha podem ser feitas de madeira, para estruturas menores e mais simples, de concreto armado ou protendido, ou de aço. Atualmente, o material mais utilizado é o aço. Ao contrário do cais de gravidade, estruturas com paredes de estaca prancha são mais leves e, normalmente, são soluções com custos menores. Como complemento ao suporte de cargas horizontais, a estrutura pode ser composta por paredes de estaca prancha e tirantes, ou no lugar de tirantes, cavaletes (estacas inclinadas). Geralmente, os cavaletes são utilizados em regiões de solos com baixa capacidade resistente, onde seriam necessários grandes comprimentos de ancoragem para os tirantes. O paramento deve ser projetado para absorver momentos fletores causados por empuxos de solo, hidrostático e de cargas acidentais. A parede será cravada de modo a absorver todos esses esforços. A ficha (trecho cravado) da estaca prancha deve ser tal que as condições de equilíbrio entre o empuxo de solo, a pressão hidrostática exercida na parede e o empuxo de carga acidental sejam satisfeitas. Figura 13 - Seção típica da estrutura de paramento fechado com parede de estaca prancha

41 TERMINAL DE CONTÊINERES Local de Implantação O projetista deve sempre buscar que o local e seus recursos disponíveis estejam diretamente ligados à otimização da produção, de modo a atender às exigências das autoridades portuárias, dos operadores e das companhias responsáveis pela movimentação dos contêineres. A capacidade do porto se dá através da quantidade de carga movimentada e da eficiência em relação à capacidade de manejo dos contêineres com o menor custo possível. Uma análise prévia para identificar os possíveis locais de implantação do terminal e sua provável capacidade é extremamente necessária. A análise deve conter, também, estudos que indiquem áreas reservadas para futuras expansões do porto, além de estabelecer diretrizes para tal desenvolvimento. Não foi parte do escopo deste trabalho desenvolver este estudo prévio, uma vez que o grande objetivo é dimensionar e detalhar a estrutura de um cais de paramento aberto. Entretanto, é importante que o máximo de cuidado seja tomado em relação à determinação do local de implantação do terminal de contêineres. Segundo recomendações encontradas em Thoresen, C. A. (2003), os estudos devem abordar os seguintes tópicos: i. Disponibilidade de área suficiente; ii. iii. iv. Possibilidade de futuras expansões; Disponibilidade de conexão intermodal com o hinterland; Acessibilidade e distância apropriada do mar; v. Natureza do subsolo e riscos geotécnicos; vi. vii. viii. Obras de proteção e abrigos contra marés, correntes marítimas e ventos; Riscos relacionados a terremotos; Estudo de impacto ambiental Navios porta contêineres O objetivo principal do terminal é ter espaço suficiente para que um navio de grande porte possa atracar sem problemas.

42 TERMINAL DE CONTÊINERES 21 De acordo com Thoresen, C. A. (2003), atualmente, os navios mais utilizados em terminais são: a) Feeder ship navios de abastecimento que tem como tarefa a coleta de carga em portos de menor porte e o transporte para terminais maiores. Normalmente, este tipo de embarcação tem capacidade variando entre 50 e 300 TEU s 19. b) Navios do tipo PANAMAX 20 navio porta contêiner com boca de aproximadamente 32 metros. Os navios deste tipo são subdivididos de acordo com a sua geração, que é determinada pela sua capacidade: 1ª Geração com capacidade de até TEU s; 2ª Geração com capacidade de até TEU s; 3ª Geração com capacidade de até TEU s; c) Navios do tipo Pós-PANAMAX 4ª Geração com capacidade de até TEU s; 5ª Geração com capacidade de até TEU s; 6ª Geração com capacidade de até TEU s; d) Navios do tipo Pós-PANAMAX-Plus-size (PPP) 7ª Geração com capacidade de até TEU s; e) Navios do tipo ULCS (Ultra Large Container Ships) este tipo de navio possui uma capacidade de TEU s, tem boca de 60 m e calado máximo de 14,5 m; sua velocidade varia entre 23 e 25 nós Movimentos característicos do navio Sob a ação do mar, o navio está sujeito a movimentos, cujo conhecimento deve é importante para o projeto de uma obra acostável. É possível quantificar matematicamente estes movimentos, uma vez definidos os esforços atuantes sobre o navio devido às reações do fluido, à ação das ondas às forças restauradoras dos cabos de amarração e ao amortecimento. Entretanto, a quantificação de tais movimentos não fará parte do escopo deste trabalho. 19 TEU (Twenty-foot Equivalent Unit) dimensão padrão de um contêiner com 6,1 m de comprimento x 2,44 m de largura x 2,59 m de altura 20 PANAMAX termo utilizado para navios que, devido às suas dimensões, alcançam o tamanho limite para passar nas eclusas do Canal do Panamá

43 TERMINAL DE CONTÊINERES 22 Dessa forma, esta seção se limitará apenas à caracterização e definição dos movimentos, apresentados na figura abaixo: Figura 14 - Graus de liberdade de movimento de um navio, ref. [27] Seguindo o sistema de eixos ortogonais x, y, z, como ilustrado acima, temse os seguintes movimentos: Segundo o eixo x, disposto ao longo do comprimento do navio, denominado: deslocamento em inglês, surge; Segundo o eixo y, disposto em um plano horizontal e transversal ao eixo x, denominado: abatimento em inglês, sway; Segundo o eixo z, vertical, denominado: arfagem em inglês, heave; Rotação em torno do eixo x, denominada: balanço em inglês, roll; Rotação em torno do eixo y, denominada: caturro em inglês, pitch; Rotação em torno do eixo z, denominada: cabeceio em inglês, yaw. O conhecimento, ao menos em ordem de grandeza, do montante de alguns dos movimentos é importante para fixar certos paramentos de projeto, tais como folgas de profundidade abaixo da quilha do navio e de gabarito dos equipamentos portuários. Tais considerações serão definidas ao se determinar as dimensões do Cais de Paramento Fechado Áreas do terminal principais: Thoresen, C. A. (2003), divide a local de implantação do cais em três áreas

44 TERMINAL DE CONTÊINERES Área do cais (em inglês apron): localizada logo atrás da frente do berço de atracação; 2. Área do pátio principal: área reservada para o armazenamento dos contêineres; 3. Área do pátio secundário: local onde se encontram a entrada, estacionamento, edifícios administrativos, estoque de contêineres vazios, áreas de reparos e outras instalações. Dentre as áreas relacionadas acima, a única que fará parte do escopo do projeto é a área do cais, pois suas dimensões são influenciadas pelos tipos de equipamentos a serem utilizados e pelas estruturas a serem definidas nos próximos capítulos. Tanto a área principal, quanto à secundária, apesar de não serem definidas nesse projeto, são essenciais para o bom funcionamento do terminal de contêineres, uma vez que tratam do armazenamento dos contêineres e de toda a administração envolvida no processo logístico. No Brasil, as duas áreas juntas são definidas como um único local, a retroárea Área do cais A área do cais, normalmente, varia entre 15 e 50 metros dependendo do tipo de equipamento utilizado na movimentação dos contêineres. As dimensões da seção do terminal de contêiner foram determinadas a partir de estudos realizados no livro de referência [34] e de recomendações do orientador. Dessa forma, dois aspectos principais foram levados em consideração: i. A distância entre a face do berço e o trilho do portainer não deve ser ii. inferior a 2,5 metros. Essa dimensão deve levar em consideração o tamanho do cabeço 22 de amarração e da canaleta de serviço (espaço da laje do cais utilizado para passagem de tubulações de alimentação de água e energia); A distância entre os trilhos do portainer varia entre 10 e 35 metros; Levando em consideração os aspectos acima, adotou-se, como equipamento de manuseio de contêiner, um portainer com bitola de 100 pés (30,48 metros). Além disso, segundo o orientador, deixou-se um espaço de 3,5 metros entre a face 21 Definição 19. do Glossário 22 Definição 3. do Glossário

45 TERMINAL DE CONTÊINERES 24 do berço e o trilho do equipamento. O detalhe da seção típica do cais pode ser verificado no Anexo A Características do Navio Tipo e Seções Típicas de um Cais de Paramento Fechado Operação de Contêineres na Retroárea Equipamentos de operação Como foi explicado anteriormente, o tipo de equipamento de operação é determinante no projeto e na eficiência de um terminal portuário. Existem diversos tipos de equipamentos, dentre eles podemos citar: a) Portainer é o principal equipamento de um terminal de contêineres. Trata-se de um guindaste que tem a função de carregar e descarregar o navio, podendo apoiar o contêiner diretamente sobre o cais ou sobre a carreta. Pode se locomover sore pneus ou sobre trilhos (que é o caso deste trabalho); b) MHC (Mobile Harbour Crane) uma alternativa ao portainer, também tem grandes dimensões e mobilidade superior ao portainer. Movimenta-se sobre pneus e pode percorrer qualquer trajeto. No momento da operação, o MHC é patolado na estrutura de modo a garantir o apoio para a estabilidade do equipamento; c) Transtêiner tipo de guindaste muito utilizado com a função de locomover os contêineres na retroárea e de carregar e descarregar o trem. São equipamentos menores que os portainers e movimentamse somente em linha reta, pois são operados sobre trilhos; d) RTG (Rubber Tyred Gantry) tipo de guindaste sobre pneus que também opera em linha reta. A sua vantagem em relação ao transtêiner é a facilidade para locomover-se na retroárea. e) Reach Stacker equipamento móvel, de pequeno porte, para movimentação unitária de contêiner. Possui grande mobilidade e por isso torna-se um equipamento de grande importância na retroárea. Sua função é de agrupar os contêineres, empilhá-los e carregar ou descarregar as carretas.

46 TERMINAL DE CONTÊINERES 25 f) Carretas e trem são as possibilidades modais de transporte mais usuais para distribuir a carga ao seu destino, ou trazer do seu destino Características do portainer O portainer foi o equipamento adotado como referência neste trabalho. A partir dessa definição, foi possível estimar o comprimento da seção típica do cais e, posteriormente, a carga que transmite à estrutura será levada em consideração no dimensionamento e detalhamento das mesmas. Alguns aspectos a respeito das características do portainer foram definidos por Thoresen, C. A. (2003) e serviram de referência para este trabalho: i. A altura mínima requerida entre a parte inferior da lança do ii. iii. iv. portainer e o nível do berço deve ser de 30 metros. O portainer deve ter acesso a todos os contêineres no navio; O alcance mínimo da lança, medido a partir da face da defensa, deve ser de 35 metros; o máximo deve ser aproximadamente 45,2 metros. Já o alcance mínimo na retaguarda deve ser de 15 metros; O portainer deve ser capaz de alcançar um comprimento equivalente a 13 contêineres, ao se tratar de um navio do tipo PANAMAX; A bitola do portainer (espaço entre o eixo dos trilhos) deve variar entre 16 e 35 metros. Uma bitola de 35 metros permite o posicionamento de seis carretas entre as pernas do portainer; v. A distância mínima entre as pernas do guindaste deve ser de vi. 16 metros; A lança deve ser capaz de levantar, no mínimo, 400 kn; vii. O portainer tem capacidade, em média, de 40 a 50 viii. ix. contêineres por hora; A velocidade de içamento varia de 3 m/s, para a lança vazia, e 1,5 m/s, para a lança carregada; O portainer deve contar com um controle operacional programável e um sistema de detecção de falhas;

47 TERMINAL DE CONTÊINERES 26 x. Deve conter, ainda, um sistema que detecte velocidades de ventos excessivas e um sistema de desligamento emergencial. A figura abaixo ilustra os aspectos abordados acima: Figura 15 - Seção típica de um cais e recomendações, ref. [34] Sistemas de Movimentação de Contêineres na Retroárea Os sistemas mais comuns de movimentação e empilhamento de contêineres, segundo Thoresen, C. A. (2003), são: a) Sistema utilizando empilhadeira e reach stacker nesse sistema, o portainer posiciona o contêiner sobre uma carreta auxiliar, que leva a carga para a área de empilhamento. Nesse local, tanto a empilhadeira, quanto o reach stacker, podem atuar de modo a empilhar os contêineres;

48 TERMINAL DE CONTÊINERES 27 Figura 16 - Sistema a), ref. [20] b) Sistema utilizando o RTG nesse sistema, o portainer posiciona a carga sobre a carreta auxiliar, que leva o contêiner para a área de estocagem, onde o RTG faz o empilhamento. Esse tipo de solução permite um aprimoramento do controle da retroárea, entretanto os custos são maiores. Figura 17 - Sistema b), ref. [20] 3.7. Síntese do Capítulo 3 Com os assuntos abordados nesta seção, as características determinantes do terminal de contêineres foram mais bem explicadas, a partir das recomendações obtidas nos livros referência.

49 TERMINAL DE CONTÊINERES 28 Dessa forma, o leitor já está suficientemente embasado de modo a entender os assuntos abordados no Capítulo 4, que visa definir todas as características apresentadas neste capítulo.

50 NAVIO TIPO E DIMENSIONAMENTO DOS ELEMENTOS DO CAIS DE PARAMENTO FECHADO 29 4 NAVIO TIPO E DIMENSIONAMENTO DOS ELEMENTOS DO CAIS DE PARAMENTO FECHADO Este capítulo tem como objetivo a definição dos principais elementos determinantes do cais de paramento fechado a ser projetado, abordados no Capítulo 3. Serão determinados o tipo de navio que o terminal irá receber, a extensão do berço de atracação, a ficha (comprimento cravado) necessária para estabilidade da estaca prancha e as dimensões do tapete de pedras que deve existir para evitar a erosão no nível do terreno. Serão analisados, também, os esforços devidos à amarração e atracação do navio e, a partir destas informações, serão definidos as defensas 23 e os cabeços de amarração necessários para suportar tais esforços Navio Tipo Um elemento de essencial para o desenvolvimento de obras marítimas e acostáveis é o estudo das solicitações impostas pelos navios sobre a estrutura portuária. A partir da determinação do tipo de navio que irá utilizar o porto, é possível caracterizar os esforços que a embarcação transmite à estrutura durante as manobras de atracação e os esforços de fixação do mesmo após a atracação. Além da determinação dos esforços solicitantes, para se elaborar um projeto de obra acostável, é necessário conhecer algumas características básicas das embarcações que operarão no terminal. Tais características definirão as dimensões necessárias do berço do Cais de Paramento Fechado. A embarcação foi definida em conjunto com o orientador. Portanto, escolheu-se o navio do tipo Pós-PANAMAX da 4ª geração.as dimensões características utilizadas como base para o projeto do cais de paramento fechado 23 Definição 5. do Glossário

51 NAVIO TIPO E DIMENSIONAMENTO DOS ELEMENTOS DO CAIS DE PARAMENTO FECHADO 30 foram obtidas a partir da tabela da referência [19], resumidas na tabela abaixo: Tabela 1 Dimensões do navio tipo, ref. [19] Porte Bruto Deslocamento LOA Lbp Boca Calado N de Geração ( ) Contêineres dwt t m m m m TEU N ,3 13, ª O desenho com as vistas do navio, com as dimensões e as nomenclaturas características é apresentado no Anexo A Características do Navio Tipo e Seções Típicas de um Cais de Paramento Fechado. 4.2.Definição das Dimensões do Berço A dimensão do berço de atracação é determinada em função das dimensões do navio tipo. Os cálculos e considerações feitas foram realizados segundo as recomendações do Professor Orientador. A fórmula utilizada para se calcular o comprimento é seguinte: Onde, L berço : comprimento do berço; ;. Resultando em: Na prática, a construção de um cais é divida em módulos, ou seja, toda a laje é divida em partes separadas para facilitar a execução da obra. Dessa maneira, o resultado obtido na conta anterior foi arredondado para 312,0 m, pois com tal valor é possível dividir a laje em seis módulos exatos com 52,0 m cada. Logo,. O desenho com as vistas do navio, com as dimensões e as nomenclaturas características é apresentado no ANEXO A Características do Navio Tipo e Seções Típicas de um Cais de Paramento Fechado.

52 NAVIO TIPO E DIMENSIONAMENTO DOS ELEMENTOS DO CAIS DE PARAMENTO FECHADO Dimensões da Estaca Prancha Determinou-se, em conjunto com o orientador, que as estacas prancha utilizadas neste projeto de Cais de Paramento Fechado serão de concreto prémoldado. Um dos aspectos mais importantes a ser determinado é o tamanho da ficha (trecho cravado no fundo do mar) da estaca prancha. O cálculo utilizado para a determinação da ficha foi realizado a partir da combinação entre as recomendações do orientador, a teoria de Rankine 24 e o Método Fixed Earth Support Cálculo da ficha da estaca prancha A figura abaixo auxiliará na compreensão dos cálculos: Figura 18 - Empuxos de terra sobre a estaca prancha Acima é possível notar as cotas 26 estipuladas para o cais os carregamentos triangulares devidos ao empuxo do aterro sobre o paramento; R O e R T representam 24 Ref. [35] 25 Ref. [20] e [27] 26 As cotas foram determinadas pelo orientador em função da variação das marés e do calado do navio tipo

53 NAVIO TIPO E DIMENSIONAMENTO DOS ELEMENTOS DO CAIS DE PARAMENTO FECHADO 32 as reações de apoio fictícias admitidas pelos métodos para se calcular a ficha da estaca prancha. O princípio básico utilizado se trata de estabelecer o equilíbrio da estaca prancha em relação ao empuxo ativo do aterro. O empuxo do aterro é dado por: Onde: Logo, A altura a referente à distância entre o fundo do mar e o apoio fictício é dada pela seguinte fórmula: Onde: ( ) Logo, Sabendo a distância a, H e as forças resultantes dos carregamentos triangulares, é possível fazer um somatório de momentos no ponto O, onde está localizada a reação R O, com todas as forças atuantes. O cálculo das forças resultantes do carregamento nada mais é do que a integral dos triângulos (área 1 e 2 da Figura 18), ou seja, trata-se da área da figura representativa do carregamento. É importante notar que o ponto de aplicação delas fica localizado a 1/3 da base de seu respectivo triângulo. Dessa forma:

54 NAVIO TIPO E DIMENSIONAMENTO DOS ELEMENTOS DO CAIS DE PARAMENTO FECHADO 33 Logo, Com o somatório de momentos em O é possível encontrar o valor de R T : Onde: ( ) Logo, Com o somatório de forças horizontais é possível encontrar o valor de R O : Logo, /m O cálculo de x depende dos resultados obtidos até este momento e se baseia nos mesmos métodos utilizados acima: ( ) Logo, Com os resultados de a e x, é possível calcular a ficha, z necessária para manter a estabilidade da estaca prancha; soma-se a e x e multiplica-se por um fator de segurança recomendado pelo Orientador: { } Logo, O tamanho da ficha e o valor do carregamento provocado pelo empuxo do aterro voltarão a ser utilizados no modelo estrutural do cais.

55 NAVIO TIPO E DIMENSIONAMENTO DOS ELEMENTOS DO CAIS DE PARAMENTO FECHADO Tapete de Rochas Atualmente, grande parte dos navios porta contêineres, já não faz uso de rebocadores para poderem atracar nos terminais portuários. A atracação se dá por meio da utilização de propulsores laterais (bow trusters) e pela ação do hélice. Os jatos d água gerados por esta movimentação do navio causam erosões nos taludes de enrocamento (no caso de cais de paramento aberto) e no fundo do mar, comprometendo a estabilidade da parede de estacas prancha (no caso de cais de paramento fechado) e consequentemente toda a estrutura. Dessa forma, é vital para a vida útil da obra que exista algum tipo de proteção (em inglês scour protection) de modo evitar tal dano à estrutura. O objetivo, portanto, desta seção do capítulo é dimensionar a proteção necessária para o Cais de Paramento Fechado. Todos os cálculos e métodos utilizados nesse dimensionamento se basearam na referência [29] e [36]. Tal documento foi desenvolvido a partir de resultados obtidos em um questionário proposto pelos membros da PIANC 27. O questionário foi enviado aos portos americanos e seu objetivo era identificar danos relacionados à erosão causada pelo hélice e propulsores e se possuíam, ou não, uma proteção adequada. Constatou-se, ao final a grande importância deste tipo de proteção, uma vez que a maioria dos terminais pesquisados possuía algum tipo de dano, em maior ou menor escala, em relação a este tema. A proteção, segundo o relatório, deve ter as seguintes propriedades: Ser resistente às correntes causadas pelo hélice e propulsores laterais; Ser resistente ao ataque das ondas; Ser permeável ao fluxo d água causada pela alteração de poropressão do aterro; Impedir a fuga de material do aterro; Ser capaz de ser instalado debaixo d água; Ser flexível de modo a se ajustar em casos de adensamento; Ser resistente a deslizamentos do talude, ou subpressões; Ser resistente a impactos; 27 Permanent International Association of Navigation Congress

56 NAVIO TIPO E DIMENSIONAMENTO DOS ELEMENTOS DO CAIS DE PARAMENTO FECHADO 35 Ser capaz de receber reparos, caso haja algum dano; Ter o menor custo possível. Apesar de ser um relatório a respeito de cais de paramento aberto, como o próprio nome do livro diz, as referências e recomendações são suficientes para dimensionar o tapete de pedras que servirá como proteção contra a erosão do terreno sobre a estrutura a ser projetada Dimensionamento do tapete de rochas Existe mais de um tipo de proteção, porém, neste projeto, será adotada a solução rip-rap 28, uma vez que a PIANC define este tipo como sendo o mais utilizado em terminais portuários ao redor do mundo. No caso do cais de paramento fechado, o efeito mais severo em relação à erosão é devido à ação do jato d água gerado pelo hélice. Entretanto, é recomendado verificar se a ação do hélice é pior ou não à do bow truster. Tal verificação foi realizada e constatou-se que a ação do hélice é mais severa. Por serem procedimentos similares, não se julgou necessário a exposição dos cálculos relativos à ação do truster e, portanto, apenas o estudo da ação do hélice será levado em consideração para o dimensionamento do tapete de rochas que servirá para a proteção do fundo do terminal portuário. Figura 19 - Ação do jato d'água gerado pelo hélice, ref. [29] Os dados iniciais necessários para o cálculo são: 28 Camada de rochas e fragmentos de rochas duráveis, posicionadas em colchões para dissipar a energia da água e proteger taludes, bancos de canais ou de praias da erosão causada por correntes, ondas, ou outras ações

57 NAVIO TIPO E DIMENSIONAMENTO DOS ELEMENTOS DO CAIS DE PARAMENTO FECHADO 36 i. Capacidade do navio tipo dwt; ii. O gráfico a seguir define o diâmetro e a potência do hélice. Figura 20 - Gráfico para determinação do diâmetro e potência do hélice, ref. [29] Logo, e, onde: Obs.: o subscrito p é referente à propeller, que significa hélice em inglês; Com tais dados, calcula-se a velocidade e diâmetro do jato gerado pelo hélice: a) Cálculo da velocidade U o do jato gerado no eixo do hélice. [ ] Onde: Para casos onde o jato não é canalizado (regime turbulento), Para casos onde o jato é canalizado (regime linear), Logo, utilizando o primeiro valor de c por questões de segurança,

58 NAVIO TIPO E DIMENSIONAMENTO DOS ELEMENTOS DO CAIS DE PARAMENTO FECHADO 37 b) Cálculo do diâmetro D o do jato gerado pelo hélice. Para casos onde o jato não é canalizado (regime turbulento), Para casos onde o jato é canalizado (regime linear), Logo, Após os cálculos acima, determina-se a distância H p entre o eixo do hélice (eixo do jato) e o fundo do cais: Onde: Logo, Em seguida, define-se a velocidade da corrente U max causada pelo hélice no fundo do mar (a velocidade levada em consideração no cálculo de dimensionamento do tapete): Com o valor de, utiliza-se a figura 7.1 do livro referência, para se determinar o valor de.

59 NAVIO TIPO E DIMENSIONAMENTO DOS ELEMENTOS DO CAIS DE PARAMENTO FECHADO 38 Figura 21 - Gráfico para obtenção de U max /U o, ref. [29] Logo, Portanto, Para terminar, utiliza-se o valor de U max no ábaco ilustrado na figura 7.2 do livro referência, para encontrar o diâmetro médio D 50 necessário para a rocha de proteção:

60 NAVIO TIPO E DIMENSIONAMENTO DOS ELEMENTOS DO CAIS DE PARAMENTO FECHADO 39 Figura 22 - Gráfico para determinação do D50, ref. [29] Logo, A partir do diâmetro, com da tabela a seguir, determina-se o peso médio W 50 da rocha:

61 NAVIO TIPO E DIMENSIONAMENTO DOS ELEMENTOS DO CAIS DE PARAMENTO FECHADO 40 Tabela 2 - Dimensões de Rochas (densidade de 2,6 t/m³ ou 25,9 kn/m³, ref, [29] Tamanho Peso (kg) Diâmetro Equivalente (mm) Lado do Cubo Equivalente (mm) Determinado por Peneira, ou Inspeção Visual (mm) Logo, O guia da PIANC recomenda que as rochas utilizadas para a primeira camada do tapete variem entre 50% e 200% do W 50 encontrado. Portanto, a granulometria das rochas ficará limitada a rochas de 150 a 600 kg. O guia recomenda, também, que a espessura da camada de rochas fique entre 1,5 e 1,8 do D 50 encontrado. Logo, a primeira camada do tapete de rochas terá espessura igual a 1,0 metro. O guia indica que deve haver uma segunda camada, que ficará abaixo da primeira, composta por rochas de 1/10 a 1/15 do peso das rochas da primeira camada. Por questões práticas, serão utilizadas rochas de 10 a 50 kg. A tabela 5.1 da referência [29] define que as rochas de 50 kg têm o diâmetro de aproximadamente 330 milímetros, o que daria uma espessura de 0,6 metros. Entretanto, é recomendado que a espessura da segunda camada seja, no mínimo, de 1,0 metro.

62 NAVIO TIPO E DIMENSIONAMENTO DOS ELEMENTOS DO CAIS DE PARAMENTO FECHADO 41 Além, das duas camadas de rochas, é recomendado o uso de um geotêxtil para evitar que o material do fundo do mar penetre no tapete de rochas. Um resumo com as características do tapete de rochas é mostrado na tabela abaixo: Tabela 3 - Características do tapete de rochas dimensionado Camada Peso das Rochas (kg) Espessura (m) Primeira (rip-rap) kg 1,0 Segunda (rip-rap) kg 1,0 Geotêxtil - A ser especificado pelo geotécnico ou outro especializado 4.5. Análise dos Esforços de Acostagem e Amarração do Navio Tipo Dentre os paramentos mais importantes para o projeto estrutural de obras portuárias, podem-se citar os esforços devido à acostagem e à amarração da embarcação tipo. Os esforços de acostagem são determinados pela ação do impacto do navio sobre a estrutura devido à atracação. Já os esforços de amarração são decorrentes das ações exercidas pelos cabos de amarração da embarcação nos cabeços, ou outros dispositivos, a partir das forças atuantes sobre o navio pela ação dos ventos e correntes. É possível que haja outros efeitos importantes, como, por exemplo, os efeitos de oscilação do navio sob a ação das ondas, porém este tema não será abordado neste trabalho Estudo da energia de atracação e dimensionamento do sistema de defensas Como já explicado, os esforços de atracação são decorrentes dos choques entre o navio e a estrutura de acostagem. Com o intuito de reduzir os efeitos de tais impactos, é necessário que se dimensione um sistema adequado de defensas da obra acostável. As informações básicas para o projeto do sistema de defensa do cais são fornecidas pelo estudo do impacto da embarcação contra as estruturas de

63 NAVIO TIPO E DIMENSIONAMENTO DOS ELEMENTOS DO CAIS DE PARAMENTO FECHADO 42 atracação. Ao tocar a estrutura, o navio transmite a ela parte da energia cinética resultante de sua movimentação. O objetivo principal desta análise é determinar qual a parcela da energia cinética é efetivamente transmitida ao cais. O estudo de atracação foi realizado de acordo com as recomendações da ABNT NBR 9782:87, ref. [9]. A equação utilizada para determinação da energia cinética, segundo a Norma, é: Os elementos da equação serão definidos e calculados nas seções Massa deslocada pelo navio (M 1 ) Segundo a ref. [9], a massa deslocada pelo navio depende do tipo de instalação portuária. Nas instalações do descarregamento de navios a massa a ser considerada é a máxima que o navio pode deslocar. Nas instalações de carregamento, a massa a ser considerada corresponde à situação do navio em lastro, ou parcialmente carregado. Admite-se nesta situação considerar como massa deslocada pelo navio o valor de 0,9 M, onde M é a massa correspondente à capacidade de carga total do navio. Sendo assim, para termos de cálculo, utilizou-se o valor de deslocamento máximo, definido na Tabela 1: Onde: Portanto, Massa de água adicional (M 2 ) Segundo a Norma utilizada, M 2 corresponde à massa de água que se movimenta em conjunto com o navio durante a atracação 29. A equação obtida da Norma é: 29 Em inglês, o termo utilizados para este fenômeno é drag

64 NAVIO TIPO E DIMENSIONAMENTO DOS ELEMENTOS DO CAIS DE PARAMENTO FECHADO 43 Onde: Portanto, ; ; Velocidade de aproximação do navio (V). A velocidade de aproximação dos navios perpendicular à linha de atracação, de acordo com a referência [9], é afetada por uma série de fatores: tamanho do navio, condições de abrigo, uso de rebocadores habilidade do piloto e condições meteorológicas. O valor utilizado no cálculo da energia de atracação foi obtido a partir da tabela obtida da Norma, que indica os valores mínimos para cálculo da energia de atracação. Condição Vento e ondas fortes Vento e ondas fortes Vento e ondas moderadas Tabela 4 - Velocidade de atracação para o cálculo da energia de atracação, ref. [9] Aproximação Velocidade Perpendicular à Linha de Atracação Até TPB Até TPB Até TPB Navios maiores Difícil 0,75 0,55 0,40 0,30 Favorável 0,60 0,45 0,30 0,20 Aceitável 0,45 0,35 0,20 0,15 Protegido Difícil 0,25 0,20 0,15 0,10 Protegido Favorável 0,20 0,15 0,12 0,10 Dessa forma, admitiu-se que o local de implantação do cais possui condições de vento e ondas fortes, com aproximação do navio favorável, o que resulta em:

65 NAVIO TIPO E DIMENSIONAMENTO DOS ELEMENTOS DO CAIS DE PARAMENTO FECHADO Coeficiente de excentricidade (C e ). O coeficiente de excentricidade, segundo a referência [9], leva em consideração a energia dispendida no movimento de rotação do navio, e é determinada pela fórmula: Onde: l = distância entre o ponto de contato e o centro de gravidade do navio, medida paralelamente à linha de atracação. Uma vez que o ponto de contato não é conhecido, admite-se uma aproximação de 35% do comprimento do navio. r = raio de giro do navio. A Norma permite que o raio de giro seja considerado como aproximadamente 25% do comprimento do navio. Dessa forma, o coeficiente de excentricidade resultante é: Portanto, Coeficiente de rigidez (C r ) O coeficiente de rigidez, segundo a referência [9], leva em consideração a parcela da energia de atracação absorvida pela deformação do costado do navio. Dependendo da rigidez do sistema de defensas, o valor adotado varia entre 0,90 e 0,95. No caso deste projeto o valor adotado será de: Cálculo da energia de atracação, dimensionamento e disposição do sistema de defensas A partir dos itens obtidos anteriormente, é possível realizar o cálculo adequado da energia de atracação, que futuramente será utilizado no dimensionamento do sistema de defensas necessário..

66 NAVIO TIPO E DIMENSIONAMENTO DOS ELEMENTOS DO CAIS DE PARAMENTO FECHADO 45 A expressão utilizada para a avalição das forças devidas à energia cinética do navio (forças causadas pelo impacto) é: Onde: Portanto: A ABNT NBR 9782:87 determina que, para efeito de dimensionamento do sistema de defensas, a força correspondente à energia característica do impacto seja majorada por um coeficiente definido no item da referência [9]. Logo, Onde: Portanto: Ainda de acordo com a referência [9], para se absorver a energia de atracação do navio, as estruturas de acostagem devem ser equipadas com um sistema de defensas que atenda aos seguintes requisitos: a. O sistema deve ter capacidade para absorver a energia característica E c, majorada pelo coeficiente de ponderação q ; b. Em a. deve-se levar em consideração a perda da capacidade da defensa pela possibilidade de compressão desuniforme devido à acostagem não paralela à linha de atracação. O ângulo mínimo a ser considerado é de 5 ; c. O sistema deve ser dimensionado para absorver toda a energia de impacto em apenas um ponto de atracação, quando a atracação for inclinada; d. As defensas empregadas devem ter curvas de deformação reação e deformação energia confiáveis bem caracterizadas e estabelecidas a partir de ensaios realizados em laboratórios idôneos. As tolerâncias

67 NAVIO TIPO E DIMENSIONAMENTO DOS ELEMENTOS DO CAIS DE PARAMENTO FECHADO 46 admitidas em relação aos valores de referência devem ser perfeitamente definidas; e. O sistema de defensas deve ser dimensionado de forma a absorver a energia de atracação do navio sem causar deformações permanentes na estrutura de atracação ou nas unidades de defensas. Para o dimensionamento das defensas, fez-se uso do catálogo da empresa MARITIME International Inc., referência [23]. Entretanto, há uma infinidade de empresas que fornecem equipamentos do mesmo tipo 30. Para se dimensionar o sistema de defensas, é necessário determinar o valor da energia E d e, a partir deste valor determinar o tipo de defensa com auxílio do catálogo. Sendo assim, determinou-se que a defensa mais econômica possível e que transmite a menor reação à estrutura. Consequentemente, escolheu-se a defensa do tipo ME Leg Fenders MCS 1250 G3.6, páginas 10, 11, 12 e 13 da referência [23]. O catálogo informa o resultado reação que a defensa provoca sobre o cais e, a partir do valor de pressão máxima permitida no casco, é possível calcular as dimensões do painel: Onde: Logo, As defensas no berço, segundo recomendações do Orientador, devem estar espaçadas em 10% do comprimento do navio (LOA). Sendo assim, uma vez que o berço tem comprimento de 312 metros e seus módulos 52 metros, definiu-se que as defensas ficarão distantes 26 metros uma da outra, em relação aos seus respectivos eixos, exemplificado no Anexo A Características do Navio Tipo e Seções Típicas de um Cais de Paramento Fechado. 30 Outros exemplos de empresas fabricantes de defensas: Bridgestone, Yokohama, Shibata, Trellex, Fentex e Sea Guard

68 NAVIO TIPO E DIMENSIONAMENTO DOS ELEMENTOS DO CAIS DE PARAMENTO FECHADO 47 Outra recomendação importante feita pelo professor orientador é que sejam colocadas defensas secundárias, mais baratas, apenas por questões de segurança. O motivo, segundo ele, é evitar os casos nos quais o navio atraque demasiadamente angulado. O comprimento deve ser menor que 50% do principal, pois quando o navio atraca de forma adequada, a defensa principal se contrai cerca de 50%, exemplificado no Anexo A Características do Navio Tipo e Seções Típicas de um Cais de Paramento Fechado Cabos de amarração do navio, dimensionamento e disposição dos cabeços de amarração (marine bollards) O navio constitui um sistema com seis graus de liberdade, podendo executar todos os movimentos indicados na Figura 14 (Capítulo 3), dos quais, segundo Mason, Jayme (1981), os mais importantes são os de deslocamento (no sentido do eixo x), de abatimento (no sentido do eixo y) e de cabeceio (rotação em torno do eixo z). Os cabos e sistemas de amarração têm como objetivo principal eliminar, ou limitar, os movimentos da embarcação, em especial os mais importantes. Os tipos mais comuns de linhas de amarração são ilustrados na figura abaixo, podendo, de acordo com a referência [27], ser considerados como atuando no plano horizontal, apesar de possuírem também inclinações verticais. Figura 23 - Tipos de cabos de amarração, ref. [27] Os cabos, como ilustra a Figura 23, são divididos em três tipos: Cabo do tipo 1: denominado cabo lançante, cuja finalidade é resistir às forças das correntes, com o navio sensivelmente alinhado com a direção das mesmas;

69 NAVIO TIPO E DIMENSIONAMENTO DOS ELEMENTOS DO CAIS DE PARAMENTO FECHADO 48 Cabo do tipo 2: denominado cabo transversal, cuja finalidade é resistir às forças transversais de vento; Combinação do tipo 3: denominada linhas spring (springlines), que têm finalidade complementar, tanto para as forças longitudinais, como para as transversais. No caso do projeto do cais de paramento fechado, o sistema de amarração mais adequado é o composto por cabeços de amarração (em inglês, denominados marine bollards) 31. O dimensionamento dos cabeços foi feito, assim como o no caso do sistema de defensas, a partir do catálogo da empresa MARTIME International Inc., referência [24]. De acordo com a ABNT NBR 9782:7, navios com deslocamento de até t, provocam uma tração de kn nos cabeços, o que representa, aproximadamente, uma força de 100 t. A partir da determinação da grandeza da tração, obtém-se do catálogo o dimensionamento dos cabeços de amarração. Segundo o catálogo, portanto, o cabeço escolhido é o T-Head Bollard MT100, suas especificações estão presentes nas páginas 11 e 12 da referência [24]. Os cabeços, segundo o Orientador, devem estar distantes em no máximo 30 metros e, portanto, serão colocados nos mesmos eixos das defensas (26 metros) e distantes 30 centímetros da face mais externa do berço, conforme apresentado no Anexo A Características do Navio Tipo e Seções Típicas de um Cais de Paramento Fechado Síntese do Capítulo 4 A partir desta seção, foi possível determinar as dimensões, paramentos e características do berço do Cais de Paramento Fechado. Além disso, definiu-se o navio tipo. Tais definições possibilitam determinar algumas das cargas solicitantes que serão apresentadas no Capítulo No caso de terminais petroleiros, faz-se uso de um elemento chamado gato de escape rápido, que permite que o navio desatraque rapidamente através de um dispositivo acionado automaticamente

70 ESTUDO DAS AÇÕES ATUANTES NO CAIS DE PARAMENTO FECHADO 49 5 ESTUDO DAS AÇÕES ATUANTES NO CAIS DE PARAMENTO FECHADO Neste Capítulo serão fixados os valores representativos das ações que devem ser consideradas no projeto estrutural do Cais de Paramento Fechado. O estudo será realizado de acordo com as recomendações do professor orientador, em conjunto com a ABNT NBR 9782:1987 Ações em Estruturas Portuárias, Marítimas ou Fluviais, referência [9] Ação Devida ao Peso Próprio da Laje mais o do Enchimento O peso próprio da estrutura e do enchimento é classificado como ações permanentes diretas, ou seja, ocorrem com valores praticamente constantes durante toda a vida útil da construção. A referência [9] permite que, em caso de falta de determinação experimental, o peso específico do concreto armado seja 25 kn/m³. Já para o peso específico do enchimento, foi utilizado 18 kn/m³, um valor recomendado pelo orientador. Dessa forma, foi possível estimar os valores deste carregamento: Onde: Logo,

71 ESTUDO DAS AÇÕES ATUANTES NO CAIS DE PARAMENTO FECHADO Local de aplicação de g 1 Naturalmente, o carregamento devido ao peso próprio da laje e do enchimento será aplicado ao longo de toda a laje característica da seção do cais de paramento fechado. Figura 24 - Local de aplicação de g Empuxo de Terra sobre a Cortina de Estacas Prancha Neste caso, serão estudados os efeitos do empuxo causado pelo aterro de retaguarda sobre a cortina de estacas prancha. O aterro de retaguarda toca a cortina na cota -0,5 metros e segue em contato com ela ao longo de todo seu comprimento. Da mesma forma, o solo do fundo do mar, na face contrária, toca a cortina na cota -15,0 metros e segue ao longo de seu comprimento. Figura 25 - Diagrama de empuxos sobre a estaca prancha

72 ESTUDO DAS AÇÕES ATUANTES NO CAIS DE PARAMENTO FECHADO 51 Para o cálculo do empuxo sobre a cortina, será quantificado o carregamento localizado no lado direito da Figura 25, o empuxo ativo 32. Todo o cálculo foi baseado nos estudos de Mecânica dos Solos, associados à Teoria de Rankine. Como resultado de tais estudos, verificou-se que as tensões efetivas verticais e horizontais estão relacionadas por meio de um coeficiente k a, denominado, nesse caso, coeficiente de empuxo ativo: Onde, A Teoria de Rankine determina k a por meio da fórmula: Onde, ( ) ângulo formado entre a direção das superfícies de ruptura e a direção da tensão vertical por: Dessa forma, na cota -15,0 metros (valor máximo) o empuxo ativo é dado Onde, Logo: 32 Empuxo ativo representa a situação em que o solo empurra a estrutura, que reage, tendendo a afastar-se do maciço

73 ESTUDO DAS AÇÕES ATUANTES NO CAIS DE PARAMENTO FECHADO Local de aplicação do empuxo sobre a cortina O empuxo será aplicado de forma triangular, conforme ilustrado na Figura 26. A extensão da estaca prancha abaixo da cota -15,0 metros será determinada a partir do cálculo da ficha, em Figura 26 - Local de aplicação do empuxo sobre a estaca prancha 5.3. Empuxo de Terra sobre a Plataforma O cálculo do empuxo sobre a plataforma associa a base teórica apresentada em 5.2. e às recomendações da referência [9] a respeito dos efeitos das sobrecargas verticais sobre terraplenos. A figura abaixo ilustra a situação: Figura 27 - Empuxo de terra sobre a plataforma É possível notar que existe a combinação de dois empuxos, p 1 e p 2, resultados da ação do solo em contato com a plataforma e do efeito devido à ação da sobrecarga sobre o terrapleno, respectivamente.

74 ESTUDO DAS AÇÕES ATUANTES NO CAIS DE PARAMENTO FECHADO 53 Os dois carregamentos se somam, formando um carregamento vertical trapezoidal com o seguinte formato: Figura 28 - Carregamento resultante do empuxo sobre a plataforma Para determinar o valor de p 1, deve-se atentar ao item da referência [9] que permite a consideração da aplicação de um coeficiente de 0,80 sobre o valor atribuído à sobrecarga vertical. O valor da sobrecarga é dado pela Tabela 1 da referência [9] e determina que, para cais ou píer de carga geral (classe especial), seja aplicado um valor de 50,0 kn/m². Já para o caso de p 2, utilizam-se as mesmas teorias explicadas em 5.2., porém o peso específico do solo, nesse caso, será de 10,0 kn/m³, uma vez que o solo não está submerso. Dessa forma, o cálculo do empuxo é: Onde: p1 = empuxo devido à atuação da sobrecarga sobre o terrapleno qv = sobrecarga vertical = 50,0 kn/m² p2 = empuxo ativo do solo sobre a laje elaje = espessura da plataforma = 1,80 m s = peso específico do solo em contato com a plataforma = 10, kn/m² Portanto, O carregamento trapezoidal resultante do empuxo sobre a plataforma será representado pela força horizontal equivalente. A força horizontal corresponde à área do trapézio de altura 1,8 m, com base superior equivalente a p 1 e base inferior igual a p 2 :

75 ESTUDO DAS AÇÕES ATUANTES NO CAIS DE PARAMENTO FECHADO Carga Vertical Devida ao Portainer O portainer adotado foi resultado da recomendação do professor orientador. Segundo ele, o ideal para este projeto seria adotar um portainer com truque de 12 rodas, espaçadas de 1,2 m. A carga admitida sobre cada roda é 600 kn. Portanto, ao longo do truque (dividindo a carga por roda pelo espaçamento entre elas), será gerado um carregamento de: Local de aplicação da carga vertical devida ao portainer portainer. As cargas verticais devem ser aplicadas sobre o eixo dos trilhos do Figura 29 - Local de aplicação da carga vertical do portainer 5.5. Carga Horizontal Devida ao Portainer Segundo o item da referência [9], ações horizontais atuando na direção dos trilhos e no sentido transversal dos mesmos podem ser estipuladas entre 10% e 15% das ações verticais transmitidas pelas rodas. 5.4.: Nesse projeto, adotou-se 10% da força vertical do portainer calculada em Local de aplicação da carga horizontal devida ao portainer A carga horizontal calculada será aplicada sobre ao longo da laje, conforme a figura a seguir:

76 ESTUDO DAS AÇÕES ATUANTES NO CAIS DE PARAMENTO FECHADO 55 Figura 30 - Local de aplicação da carga horizontal do portainer 5.6. Sobrecarga Vertical Sobrecargas verticais são ações uniformemente distribuídas aplicadas às estruturas para representar as ações de natureza não definida que podem ocorrer durante sua vida útil (ABNT NBR 9782:1987). De acordo com a Tabela 1 da referência [9], para o caso de cais para carga geral (de classe especial), é permitido adotar a sobrecarga de 50,0 kn/m². Logo, No item da mesma referência, define-se que na área compreendida entre o trilho externo do portainer e o paramento do cais, a sobrecarga uniformemente distribuída pode ser reduzida a 40% do seu valor, desde que este valor não seja inferior a 10 kn/m². Portanto, Local de aplicação da sobrecarga vertical A sobrecarga será aplicada, ao longo de toda a laje do cais. Figura 31 - Local de aplicação da sobrecarga vertical

77 ESTUDO DAS AÇÕES ATUANTES NO CAIS DE PARAMENTO FECHADO Sobrecarga Concomitante ao Portainer Segundo o item da referência [9], a sobrecarga vertical atuando no interior do pórtico do equipamento e sob o alcance da lança do mesmo é reduzida a 50% do seu valor característico. Ainda, segundo o item da mesma referência, será aplicado 40% deste valor sobre o trecho entre o trilho externo e o paramento, desde de que não seja inferior a 10%. Logo, Local de aplicação da sobrecarga concomitante ao portainer A ABNT NBR 9782:1987 define, no item 4.6, que as sobrecargas verticais devem ser colocadas nas posições capazes de produzir os efeitos mais desfavoráveis para o cálculo de cada elemento estrutural. Nesse mesmo item, ela recomenda que a aplicação simultânea de cargas verticais não seja considerada em uma faixa com largura de 1,0 m para cada lado de trilhos ocupados por equipamentos de manuseio (portainer). Figura 32 - Local de aplicação da sobrecarga concomitante ao portainer 5.8. Tração sobre os Cabeços de Amarração O estudo da tração sobre os cabeços de amarração é definido pelo item 8 Ações de Amarração da referência [9]. Segundo a Tabela 5 da mesma referência, para o navio tipo adotado neste projeto (com deslocamento de kn), permite-se adotar uma tração de kn nos cabeços. Devido

78 ESTUDO DAS AÇÕES ATUANTES NO CAIS DE PARAMENTO FECHADO 57 ao espaçamento adotado de 26 metros entre os cabeços, a força horizontal para cada cabeço será de: Local de aplicação da tração sobre os cabeços de amarração Naturalmente, a tração será aplicada sobre os cabeços de amarração, conforme a ilustração abaixo: Figura 33 - Local de aplicação da tração sobre os cabeços 5.9. Síntese do Capítulo 5 Neste capítulo determinaram-se as ações impostas ao Cais de Paramento Fechado, conforme estabelecido pela ABNT NBR 9782:1987. Com isso, será possível simular o comportamento das estruturas, a partir dos modelos que serão criados nos Capítulos 6 e 7.

79 MODELAGEM DA SEÇÃO TRANSVERSAL DO CAIS DE PARAMENTO FECHADO 58 6 MODELAGEM DA SEÇÃO TRANSVERSAL DO CAIS DE PARAMENTO FECHADO O Capítulo 6 abordará um tema de suma importância, a modelagem estrutural da seção transversal do cais de paramento fechado, com o objetivo de simular o comportamento dos elementos estruturais nela representados (laje, estaca prancha e estacas da fundação), ver Anexo A Características do Navio Tipo e Seções Típicas de um Cais de Paramento Fechado. O modelo estrutural adotado foi determinado em conjunto com o orientador e será simulado com o auxílio do software FTOOL Considerações sobre o Uso de Programas Estruturais Nos dias atuais, os softwares utilizados para a criação de modelos estruturais são indispensáveis. O projetista atual tem em mãos um grande recurso e o mercado possui uma vasta gama de programas deste tipo. É importante, todavia, que se atende ao fato que os programas são apenas uma ajuda. É essencial que o calculista tenha sensibilidade suficiente para interpretar os resultados obtidos pelo software e para criticá-los, ou seja, ser capaz de entender e decidir se os resultados são coerentes ou não com a realidade da estrutura. Por se tratar de um projeto ainda em nível acadêmico, fez-se uso do software FTOOL, que é gratuito e difundido em todo o Brasil, criado pelo Ph.D. em Engenharia Estrutural Luiz Fernando Martha, professor do Departamento de Engenharia Civil da PUC-Rio Considerações acerca do FTOOL O programa FTOOL é bastante didático e simples de ser utilizado. O softwarese destina ao ensino do comportamento estrutural de pórticos planos,ocupando um espaço pouco explorado por programas educativos, que se

80 MODELAGEM DA SEÇÃO TRANSVERSAL DO CAIS DE PARAMENTO FECHADO 59 preocupam mais com o ensino das técnicas numéricas de análise, ou por versões educacionais de programas comerciais, mais preocupados em introduzir os estudantes às suas interfaces. Seu objetivo básico é motivar o aluno para aprender o comportamento estrutural. Os cálculos realizados pelo FTOOL, assim como em diversos outros programas de cálculo estrutural, são baseados na versão matricial do Método dos Deslocamentos, conhecido como Método da Rigidez Direta Breve Comentário sobre o Método dos Deslocamentos e Método da Rigidez Direta 33 O Método dos Deslocamentos considera, na análise estrutural, três grupos de condições básicas: i. Condições de compatibilidade; ii. iii. Leis constitutivas dos materiais; Condições de equilíbrio. A metodologia de análise do método consiste em: Somar uma série de soluções básicas (chamadas de casos básicos) que satisfazem as condições de compatibilidade, mas não satisfazem as condições de equilíbrio da estrutura original, para, na superposição, restabelecer as condições de equilíbrio. Esse procedimento, descrito acima, é o inverso do que é feito na solução proposta pelo Método das Forças. Cada caso básico satisfaz isoladamente as condições de compatibilidade (continuidade interna e compatibilidade com respeito aos vínculos externos da estrutura). Entretanto, os casos básicos não satisfazem as condições de equilíbrio da estrutura original, pois são necessários forças e momentos adicionais para manter o equilíbrio. As condições de equilíbrio da estrutura ficam restabelecidas quando se superpõem todas as soluções básicas. O Método dos Deslocamentos é, portanto, o método mais direcionado a uma implementação computacional e o Método da Rigidez Direta, nada mais é do que uma nova roupagem dele, uma formalização matricial deste método. 33 Mais informações acerca dos dois Métodos podem ser encontradas na ref. [26]

81 MODELAGEM DA SEÇÃO TRANSVERSAL DO CAIS DE PARAMENTO FECHADO Modelo da Seção Transversal A modelagem da seção transversal do cais se faz necessária para saber quais são os esforços impostos à laje, estaca prancha e estacas da fundação, de modo a poder dimensionar e detalhar as armaduras necessárias para o bom funcionamento da estrutura Layout do modelo O layout do modelo é ilustrado abaixo: Figura 34 - Modelo estrutural da seção transversal Dados de entrada no FTOOL Materiais utilizados O FTOOL exige como dado de entrada os materiais referentes a cada um dos elementos estruturais modelados. Todos os materiais foram especificados pelo orientador e estão apresentados na tabela abaixo:

82 MODELAGEM DA SEÇÃO TRANSVERSAL DO CAIS DE PARAMENTO FECHADO 61 Tabela 5 - Resumo dos Materiais Utilizados no Modelo Estrutural Elemento Estrutural Laje Estaca Prancha Estaca (até 8,0 m de profundidade) Estaca (a partir dos 8,0 m de profundidade) Coeficiente Módulo de Peso Material Coeficiente de Dilatação Elasticidade Específico Utilizado de Poisson ν Térmica α (MPa) (kn/m³) (10-5 / C) Concreto ,0 0,20 1,0 25,0 Armado Concreto ,0 0,20 1,0 25,0 Armado Concreto ,0 0,20 1,0 25,0 Armado Aço ,30 1,2 77,0 O FTOOL possui dois tipos básicos de materiais já catalogados, o concreto isotrópico e o aço isotrópico. Ambos os materiais têm os valores do módulo de elasticidade, coeficiente de Poisson, coeficiente de dilatação térmica e peso específico pré-determinados pelo software. Entretanto, esses valores podem ser modificados a partir das necessidades do usuário. No caso deste Projeto, mantiveram-se as propriedades do aço. Entretanto, uma vez que será utilizado o concreto com fck 40 Mpa para a laje, estaca prancha e parte das estacas da fundação, foi necessário modificar o módulo de elasticidade do material utilizado. O item da ABNT NBR 6118:2003, referência [4], recomenda que se determine o módulo de elasticidade a partir de ensaios descritos pela NBR 8522, o que não faz parte do escopo deste Trabalho. Entretanto, ainda segundo a Norma, permite-se estimar o valor do módulo utilizando as seguintes fórmulas: Onde: ; ;

83 MODELAGEM DA SEÇÃO TRANSVERSAL DO CAIS DE PARAMENTO FECHADO 62 Logo, Em seguida, calcula-se o módulo de elasticidade secante a ser utilizado nas análises plásticas de projeto, especialmente para determinação de esforços solicitantes e verificação de estados limites de serviço, que será utilizado como o módulo de elasticidade do concreto no Projeto da laje, estaca prancha e estacas da fundação até 8,0 metros de profundidade: Onde: Logo, ; ; Um grande aspecto a ser enfatizado é que as estacas da fundação, para a análise estrutural, serão compostas de dois materiais diferentes. A primeira parte da estaca, até 8,0 metros de profundidade, será de concreto armado e a segunda, a partir desta cota até o final da estaca, será de aço. Tal divisão foi recomendada pelo orientador devido à corrosão provocada pelo ambiente marinho, que é mais severa nos oito primeiros metros, podendo comprometer o tubulão de aço que envolve a estaca de concreto. Portanto, apesar de na realidade, o tubulão envolver a estaca em todo o seu comprimento toda a estaca, ele não será levado em consideração no cálculo nos oito primeiros metros, o que será favorável à segurança Seções utilizadas O dimensionamento das peças não fez parte do escopo deste trabalho, uma vez que não houve suficientes informações a respeito da região de implantação do terminal. Como exemplo disso, pode-se citar a falta de um perfil geológicogeotécnico, essencial para o dimensionamento da quantidade de estacas e da seção das mesmas. Dessa forma, as seções dos elementos estruturais analisados foram determinadas com base nas recomendações do orientador, baseado na sua experiência em projetos de estruturas marítimas deste tipo.

84 MODELAGEM DA SEÇÃO TRANSVERSAL DO CAIS DE PARAMENTO FECHADO Seção da laje abaixo: A seção da laje utilizada no modelo do FTOOL corresponde à ilustração Figura 35 - Seção da laje Seção da estaca prancha seguir: A seção da estaca prancha utilizada no modelo do FTOOL será ilustrada a Figura 36 - Seção da estaca prancha

85 MODELAGEM DA SEÇÃO TRANSVERSAL DO CAIS DE PARAMENTO FECHADO Seção das estacas da fundação (até 8,0 metros de profundidade) A seção das estacas da fundação até a profundidade de 8,0 metros utilizada no modelo do FTOOL será uma seção cheia com 80 centímetros de diâmetro, conforme a ilustração abaixo: Figura 37 - Seção das estacas até 8,0 metros de profundidade Seção das estacas da fundação (a partir de 8,0 metros de profundidade até o fim do comprimento) A seção das estacas da fundação a partir de 8,0 metros de profundidade utilizada no modelo do FTOOL será vazada com diâmetro de 83,2 centímetros e espessura de 1,6 centímetros, ilustrada abaixo: Figura 38 - Seção das estacas a partir de 8,0 metros de profundidade

86 MODELAGEM DA SEÇÃO TRANSVERSAL DO CAIS DE PARAMENTO FECHADO Modelagem da ação dos solos do terreno e do aterro sobre as estruturas Segundo o orientador e Alonso, U. R. (2006) 34, os efeitos que as ações do aterro e do solo do fundo do mar provocam sobre a estaca prancha e sobre as estacas da fundação podem ser simulados através do Modelo de Winkler para vigas sobre apoio elástico. Embora este modelo não represente, na totalidade, a realidade física do problema, é o que tem sido mais utilizado no estudo de deslocamentos e esforços em estacas. A figura abaixa ilustra a situação descrita anteriormente: Figura 39 - Modelo de Winkler, ref. [3] Para se estudar a estaca prancha e as estacas da fundação carregadas, há a necessidade de se prever a variação do módulo de reação horizontal k com a profundidade, ou seja, os valores das constantes de mola a serem aplicadas ao modelo. Segundo o orientador, o cálculo das constantes é dado pela seguinte fórmula: Onde: ; ; φ = diâmetro da estaca = 0,8 m para estacas da fundação e 0,6 para estaca prancha; ; 34 Ref. [3]

87 MODELAGEM DA SEÇÃO TRANSVERSAL DO CAIS DE PARAMENTO FECHADO 66 Obs. 1: os valores de η h se basearam na tabela apresentada no Capítulo 4 da referência [3] e resumida na Tabela 6; Obs. 2: no caso da estaca prancha, que possui seção poligonal, o φ utilizado foi obtido a partir do lado do quadrado circunscrito à seção. Tabela 6- Valores da constante do coeficiente de reação horizontal ηh, ref. [3] Compacidade da Areia ou Valor de η h (MN/m³) Consistência da Argila Seca Submersa Areia fofa 2,6 1,5 Areia medianamente 8,0 5,0 Areia compacta 20,0 12,5 Silte muito fofo - 0,1 a 0,3 Argila muito mole - 0,55 A partir da definição dos dados acima, divide-se a o aterro e o fundo do mar em subcamadas com 1,0 metro de espessura ( l ) e, a cada subcamada, colocam-se molas representativas com o módulo k determinado a partir da fórmula descrita acima. É importante ressaltar que o solo determinado pelo orientador, uma vez que não se obteve o perfil geológico-geotécnico da área, é composto por areia, tanto para o aterro, quanto para o solo do fundo do mar. Além disso, deve-se levar em consideração que a compacidade da areia aumenta em função da profundidade devido ao peso próprio das camadas. O modelo estrutural resultante, com suas respectivas molas simuladoras da ação do solo, é representado na Figura 40, a seguir.

88 MODELAGEM DA SEÇÃO TRANSVERSAL DO CAIS DE PARAMENTO FECHADO 67 Figura 40 - Modelo estrutural com as molas Combinação de carregamentos e resultados obtidos para a seção transversal A partir do modelo estrutural definido anteriormente, aplicaram-se as cargas conforme indicado no Capítulo 5, uma a uma, separadamente. Para cada caso de carga, obtiveram-se diferentes reações de apoio dos elementos estruturais. Essa metodologia utilizada, onde cada carregamento é estudado separadamente, foi recomendada pelo orientador, com o objetivo de identificar o comportamento da estrutura sob a ação dos carregamentos mais relevantes. Ao final, combinaram-se os esforços mais prováveis segundo as recomendações da referência [9] e do orientador. As combinações analisadas foram: i. Carregamento 1 + Carregamento 2 + Carregamento 3; ii. iii. Carregamento 1 + Carregamento 2 + Carregamento % do Carregamento % do Carregamento 8; Carregamento 1 + Carregamento 2 + Carregamento % do Carregamento 6 + Carregamento 8; Lembrando que:

89 MODELAGEM DA SEÇÃO TRANSVERSAL DO CAIS DE PARAMENTO FECHADO 68 Carregamento 1 peso próprio da laje + enchimento; Carregamento 2 empuxo de terra sobre a cortina de estacas prancha; Carregamento 3 empuxo de terra sobre a plataforma; Carregamento 6 sobrecarga vertical; Carregamento 7 sobrecarga concomitante ao portainer; Carregamento 8 tração sobre os cabeços de amarração Reações nos elementos verticais As tabelas a seguir sintetizam os resultados encontrados após a análise estrutural da ação das combinações sobre a estaca prancha e estacas da fundação: C1 Tabela 7 - Reações verticais da estaca prancha e das estacas A1, A2, B e Reações Verticais nos Elementos Verticais Modelo com Molas Combinação (Parte 1/2) Estaca Prancha A1 A2 B C1 (kn/m) (kn/m) (kn/m) (kn/m) (kn/m) i -234,80 268,00 247,40 197,20 314,20 ii -197,22 498,05 529,40 309,21 420,47 iii -222,90 318,18 358,07 377,24 463,26 Caso mais Desfavorável -234,80 498,05 529,40 377,24 463,26

90 MODELAGEM DA SEÇÃO TRANSVERSAL DO CAIS DE PARAMENTO FECHADO 69 Tabela 8 - Reações verticais das estacas C2, D, E e F Reações Verticais nos Elementos Verticais Modelo com Molas Combinação (Parte 2/2) C2 D E F (kn/m) (kn/m) (kn/m) (kn/m) i -64,10 209,70 258,00 134,60 ii -60,65 297,64 401,19 648,46 iii 19,93 405,10 492,36 270,39 Caso mais Desfavorável -64,10 405,10 492,36 648,46 Tabela 9 - Reação de momento da estaca prancha e das estacas A1, A2, B e C1 Reações de Momento nos Elementos Verticais Modelo com Molas Combinação (Parte 1/2) Estaca Prancha A1 A2 B C1 (kn.m/m) (kn.m/m) (kn.m/m) (kn.m/m) (kn.m/m) i 0,00 0,90 0,60 0,60 5,10 ii 0,00 1,53 0,53 0,56 6,76 iii 0,00 1,14 0,91 0,70 7,10 Caso mais Desfavorável 0,00 1,53 0,91 0,70 7,10

91 MODELAGEM DA SEÇÃO TRANSVERSAL DO CAIS DE PARAMENTO FECHADO 70 Tabela 10 - Reação de momento das estacas C2, D, E e F Reações Momento nos Elementos Verticais Modelo com Molas Combinação (Parte 2/2) C2 D E F (kn.m/m) (kn.m/m) (kn.m/m) (kn.m/m) i 2,00 0,70-0,10 0,10 ii 2,36 0,83 0,00 0,45 iii 1,13 0,87-0,10-0,22 Caso mais Desfavorável 2,36 0,87-0,10 0, Observações a respeito dos resultados Alguns aspectos essenciais para o entendimento da análise devem ser esclarecidos: Reações positivas significam esforços de compressão, enquanto que reações negativas, esforços de tração; Momentos negativos, pela convenção, tem sentido horário, enquanto que os positivos tem sentido anti-horário; A análise estrutural da seção transversal foi feita por metro de laje, por isso as unidades estão em kn/m e kn.m/m, para a reação vertical e de momento respectivamente; O baixo valor dos momentos já era esperado, uma vez que as estacas estão envoltas pelo aterro e, principalmente, porque o cais possui duas linhas de estacas inclinadas que absorvem praticamente todo o binário gerado pelos carregamentos. Para demonstrar a importância da linha de estacas inclinadas e do aterro para a absorção dos binários gerados, simularam-se os mesmos carregamentos no modelo estrutural, porém, dessa vez, sem as molas que representam o aterro. Os resultados foram os seguintes:

92 MODELAGEM DA SEÇÃO TRANSVERSAL DO CAIS DE PARAMENTO FECHADO 71 e C1 Tabela 11 - Reações verticais da estaca prancha e das estacas A1, A2, B Reações Verticais nos Elementos Verticais Modelo sem Molas Combinação (Parte 1/2) Estaca Prancha A1 A2 B C1 (kn/m) (kn/m) (kn/m) (kn/m) (kn/m) i -241,70 262,80 252,20 196,40 544,40 ii -209,03 492,69 538,59 307,65 728,79 iii -232,07 311,00 364,63 377,74 731,39 Caso mais Desfavorável -241,70 492,69 538,59 377,74 731,39 Tabela 12 - Reações verticais das estacas C2, D, E e F Reações Verticais nos Elementos Verticais Modelo sem Molas Combinação (Parte 2/2) C2 D E F (kn/m) (kn/m) (kn/m) (kn/m) i -294,40 208,50 260,30 141,40 ii -369,35 295,03 401,55 660,24 iii -248,55 402,89 498,21 275,99 Caso mais Desfavorável -369,35 402,89 498,21 660,24

93 MODELAGEM DA SEÇÃO TRANSVERSAL DO CAIS DE PARAMENTO FECHADO 72 Tabela 13 - Reação de momento da estaca prancha e das estacas A1, A2, B e C1 Reações de Momento nos Elementos Verticais Modelo sem Molas Combinação (Parte 1/2) Estaca Prancha A1 A2 B C1 (kn.m/m) (kn.m/m) (kn.m/m) (kn.m/m) (kn.m/m) i 0,00-33,80-21,90 18,30 20,60 ii 0,00-53,06-26,36 12,93 12,13 iii 0,00-41,09-30,66 13,32 16,98 Caso mais Desfavorável 0,00-53,06-30,66 18,30 20,60 Tabela 14 - Reação de momento das estacas C2, D, E e F Reações Momento nos Elementos Verticais Modelo sem Molas Combinação (Parte 2/2) C2 D E F (kn.m/m) (kn.m/m) (kn.m/m) (kn.m/m) i -27,80-29,00-28,80-15,80 ii -36,76-37,33-42,41-28,74 iii -32,47-35,00-34,73-10,61 Caso mais Desfavorável -36,76-37,33-42,41-28,74 Foi possível perceber que as reações verticais mantiveram-se com valores proporcionais em ambos os casos. A grande diferença foi em relação às reações de momento, apresentadas na Tabela 15, a seguir.

94 MODELAGEM DA SEÇÃO TRANSVERSAL DO CAIS DE PARAMENTO FECHADO 73 Tabela 15 - Comparação entre as reações de momento dos dois modelos Comparação entre as Reações de Momento Estaca Reação de Momento Modelo com Mola Reação de Momento Modelo sem Mola (kn.m/m) (kn.m/m) A1 1,53-53,06 A2 0,91-30,66 B 0,70 18,30 C1 7,10 20,60 C2 2,36-36,76 D 0,87-37,33 E -0,10-42,41 F 0,45-28,74 A partir da comparação entre os dois resultados, percebeu-se o aumento de até 40 kn.m/m em algumas estacas. Dessa forma, ficou esclarecida a importância que o aterro e a linha de estacas inclinadas têm em relação à estabilidade do cais de paramento fechado. Se, por exemplo, as estacas das linhas C1 e C2 fossem retas, em vez de inclinadas, o aumento dos momentos seria ainda mais notório o que comprovaria, mais uma vez, a importância das estacas inclinadas em relação à absorção dos momentos fletores Reações no elemento horizontal As tabelas a seguir sintetizam os resultados encontrados após a análise estrutural da ação das combinações sobre a laje do cais:

95 MODELAGEM DA SEÇÃO TRANSVERSAL DO CAIS DE PARAMENTO FECHADO 74 Tabela 16 - Reações de momento na laje do cais Combinação Reações de Momento no Elemento Horizontal Modelo com Molas Momento + (kn.m) Momento (kn.m) i 385,90 217,40 ii 762,16 377,90 iii 493,36 369,23 Caso mais Desfavorável 762,16 377, Síntese do Capítulo 6 Ficou definida neste Capítulo a metodologia utilizada para criação do modelo estrutural da seção transversal do Cais de Paramento Fechado, necessária para a determinação dos esforços impostos à laje, estaca prancha e estacas da fundação. Ao final, determinaram-se todas as cargas solicitantes de maior valor, que serão utilizadas futuramente como paramentos para o dimensionamento e detalhamento das armaduras necessárias para o bom funcionamento da estrutura do cais. O próximo capítulo fará uma análise similar do comportamento do cais. Entretanto, a seção a ser modelada será a longitudinal, utilizada para verificar o comportamento das vigas de suporte do portainer.

96 MODELAGEM DA SEÇÃO LONGITUDINAL DO CAIS DE PARAMENTO FECHADO 75 7 MODELAGEM DA SEÇÃO LONGITUDINAL DO CAIS DE PARAMENTO FECHADO O Capítulo7 tratará da modelagem estrutural da seção longitudinal do cais de paramento fechado, com o objetivo de dimensionar e detalhar as vigas de suporte do portainer. Como foi explanado anteriormente, existem duas vigas ao longo do berço do cais 35 que suportam as cargas transmitidas pelo portainer. A primeira está localizada entre as linhas de estacas A1 e A2, e a segunda sobre a linha de estacas F 36. Dessa forma, será necessário realizar dois modelos, um para cada viga de suporte. Com os resultados obtidos no FTOOL, será determinado o caso mais desfavorável entre as duas, de modo a definir quais são as cargas que serão os paramentos para o dimensionamento e detalhamento das vigas. Além desta análise, será realizado um estudo acerca de duas metodologias utilizadas para o cálculo das vigas. A primeira refere-se ao modelo em pórtico plano (a viga é o elemento horizontal e as estacas os elementos verticais), que será definido na etapa anterior, e a segunda se trata da análise do modelo em viga contínua (onde a viga é o elemento horizontal e as estacas são representadas por apoios de segundo gênero). Ao final do Capítulo, ficará claro para o leitor qual a melhor forma de se modelar a seção longitudinal do cais de paramento fechado Análise Comparativa entre os Modelos das Duas Seções Longitudinais A modelagem da seção longitudinal do cais se faz necessária para determinar os valores dos esforços impostos às vigas de suporte do portainer. A 35 Ver Anexo A Características do Navio Tipo e Seções Típicas de um Cais de Paramento Fechado 36 Ver Anexo B Planta de posicionamento e seção das estacas

97 MODELAGEM DA SEÇÃO LONGITUDINAL DO CAIS DE PARAMENTO FECHADO 76 partir destes resultados é possível entender o comportamento da estrutura, permitindo o dimensionamento e detalhamento adequados das armaduras. Sendo assim, serão analisadas as duas seções longitudinais representativas do cais 37, a primeira relativa à viga entre as linhas de estacas A1 e A2, e a segunda referente à viga sobre a linha de estacas F 38. Ao final, após a análise comparativa dos resultados, será possível determinar qual o caso mais desfavorável entre os dois modelos criados e, portanto, determinar as cargas necessárias para o bom dimensionamento e detalhamento das armaduras das vigas Layouts dos modelos O primeiro modelo estrutural se trata da seção longitudinal do cais que simula as reações da viga localizada entre as linhas de estacas A1 e A2. A figura abaixo ilustra o primeiro modelo: Figura 41 Modelo 1, referente à viga entre as linhas A1 e A2 O segundo modelo estrutural simulará a seção longitudinal do cais relativa à viga sobre a linha de estacas F. A figura abaixo ilustra o segundo modelo: 37 A visualização do Anexo A Características do Navio Tipo e Seções Típicas de um Cais de Paramento Fechado facilitará o entendimento do posicionamento das vigas 38 Ver o Anexo B Seção do Cais de Paramento Fechado, Planta de Localização das Estacas, Dimensionamento e Detalhamento de Seus Elementos Estruturais

98 MODELAGEM DA SEÇÃO LONGITUDINAL DO CAIS DE PARAMENTO FECHADO 77 Figura 42 Modelo 2, referente à viga sobre a linha F Dados de entrada no FTOOL Materiais utilizados Os materiais utilizados nesta análise seguem a mesma linha dos apresentados na Tabela 5, em Seções utilizadas Seção da viga A seção da viga utilizada em ambos os modelos do FTOOL foi sugerida pelo orientador e está ilustrada a seguir.

99 MODELAGEM DA SEÇÃO LONGITUDINAL DO CAIS DE PARAMENTO FECHADO 78 Figura 43 - Seção da viga Segundo o professor Garambone, é importante que a seção da viga seja robusta, para que seja capaz de absorver a grande parte dos esforços devidos ao portainer e distribuí-los de forma mais adequada Seções das estacas (até 8,0 metros de profundidade) As seções das estacas deverão ser diferentes nos dois modelos. Isso acontece porque a primeira viga se encontra entre duas linhas de estacas, diferentemente da segunda, que está apenas sobre uma linha. Portanto, de modo a simular o primeiro modelo da melhor maneira possível, será necessário que as seções das suas estacas modelo tenham o dobro de área e de momento de inércia. Para o segundo modelo, a seção das estacas do segundo modelo permanecerá igual à apresentada em , Figura 37. Figura 44 - Seção das estacas até 8,0 metros de profundidade para o primeiro modelo

100 MODELAGEM DA SEÇÃO LONGITUDINAL DO CAIS DE PARAMENTO FECHADO 79 É importante notar que dobrar a área e o momento de inércia da seção circular não significa dobrar seu raio. Tal conclusão seria equivocada e comprometeria a análise, uma vez que dobrar o raio significa quadruplicar a área da seção Seções das estacas da fundação (a partir de 8,0 metros de profundidade até o fim do comprimento) Assim como em , será necessário dobrar a área e o momento de inércia da seção transversal do tubulão utilizado no primeiro modelo. A seção do tubulão do segundo modelo permanecerá igual à apresentada em , Figura 38. Figura 45 - Seção das estacas a partir de 8,0 metros de profundidade para o primeiro modelo Carregamento transferido pelo portainer às vigas Para a correta simulação da ação do portainer sobre as vigas, é necessário definir o carregamento equivalente. Para tanto, deve-se atentar para os seguintes assuntos: O truque do portainer utilizado possui 12 rodas e cada uma transmite 600 kn à viga; A distância entre os eixos das rodas é de 1,2 metros; A altura da seção viga no desenho da seção do cais é de 1,80 metros;

101 MODELAGEM DA SEÇÃO LONGITUDINAL DO CAIS DE PARAMENTO FECHADO 80 A carga vertical total transmitida deve ser espraiada, com um ângulo de 45, a partir da parte superior da viga até a linha neutra da mesma (situada na metade da altura); Após o espraiamento, verifica-se o novo comprimento de aplicação da carga e divide-se o total por essa dimensão, de forma a determinar o carregamento correspondente. Os cálculos do carregamento equivalente, e que será utilizado nos modelos, estão apresentados abaixo: Logo, após espraiar F total, a 45, até a linha neutra da viga de seção 1,8 metros, encontra-se um novo comprimento: Portanto, A ilustração a seguir demonstra este processo:

102 MODELAGEM DA SEÇÃO LONGITUDINAL DO CAIS DE PARAMENTO FECHADO 81 Figura 46 - Carregamento equivalente ao peso do portainer Casos de aplicação do carregamento O ideal para se avaliar o efeito do portainer sobre as vigas é analisar o trem tipo referente à movimentação do portainer, a fim de localizar os pontos mais são exigidos por tal solicitação. Entretanto, essa análise não foi necessária, uma vez que o orientador descreveu os três piores casos de carregamento. 39 Este desenho também está presente no Anexo B Seção do Cais de Paramento Fechado, Planta de Localização das Estacas, Dimensionamento e Detalhamento de Seus Elementos Estruturais

103 MODELAGEM DA SEÇÃO LONGITUDINAL DO CAIS DE PARAMENTO FECHADO 82 Caso de carga 1: modelo 2) Figura 47 - Caso de carga 1 aplicado ao modelo 1 (análogo para o Caso de carga 2: modelo 2) Figura 48 - Caso de carga 2 aplicado ao modelo 2 (análogo para o

104 MODELAGEM DA SEÇÃO LONGITUDINAL DO CAIS DE PARAMENTO FECHADO 83 Caso de carga 3: Figura 49 - Caso de carregamento 3 aplicado ao modelo 1 (análogo para o modelo 2) Resultados obtidos Nesta seção serão avaliadas todas as reações devidas aos casos de carga para ambos os modelos apresentados anteriormente. Ao final, após a comparação entre todos os resultados, serão determinados os valores críticos, que serão utilizados como paramentos para o dimensionamento e detalhamento das vigas de suporte do portainer. Os resultados serão apresentados conforme os diagramas de momento fletor, deformadas e valores de reações obtidos com auxílio do FTOOL Resultados do caso de carga 1 Diagramas de momento fletor e reações de apoio:

105 MODELAGEM DA SEÇÃO LONGITUDINAL DO CAIS DE PARAMENTO FECHADO 84 Figura 50 - Diagrama de momento fletor resultante da análise do modelo 1 Caso 1 Figura 51 - Diagrama de momento fletor resultante da análise do modelo 2 Caso 1 Configurações das elásticas e reações de apoio:

106 MODELAGEM DA SEÇÃO LONGITUDINAL DO CAIS DE PARAMENTO FECHADO 85 Figura 52 Configuração da elástica do modelo 1 Caso 1 carga 1: Figura 53 - Configuração da elástica do modelo 2 Caso 1 Tabelas com os resultados finais das análises estruturais para o caso de

107 MODELAGEM DA SEÇÃO LONGITUDINAL DO CAIS DE PARAMENTO FECHADO 86 Tabela 17 Quadro comparativo com os piores casos analisados Caso de carga 1 40 Piores Casos para Cada Modelo Ação Reação Vertical + (kn) Reação Vertical (kn) Momento + (kn.m) Momento (kn.m) Caso de Carga 1 Modelo 1 Modelo , ,5 Estaca 2 Estaca 1 90,7 44,9 Estaca 5 Estaca ,3 410,6 Vão entre Estacas 2 e 3 Vão entre Estacas 4 e ,4 960,0 Nó da Estaca 1 Estaca 1 Tabela 18 - Quadro com os piores casos Caso de carga 1 Piores Casos Gerais Caso 1 Ação Resultado Posição Reação Vertical + (kn) 2.836,3 Estaca 2 do Modelo 1 Reação Vertical - (kn) 90,7 Estaca 5 do Modelo 1 Momento + (kn.m) 1.579,3 Vão entre as estacas 2 e 3 do Modelo 1 Momento (kn.m) 1.049,4 Nó relativo à estaca 1 do Modelo Resultados do caso de carga 2 Diagramas de momento fletor e reações de apoio: modelo 2 40 As estacas do modelo 1 estão marcadas com apóstrofe para serem diferenciadas do

108 MODELAGEM DA SEÇÃO LONGITUDINAL DO CAIS DE PARAMENTO FECHADO 87 Figura 54 - Diagrama de momento fletor resultante da análise do modelo 1 Caso 2 Figura 55 - Diagrama de momento fletor resultante da análise do modelo 2 Caso 2 Configurações das elásticas e reações de apoio:

109 MODELAGEM DA SEÇÃO LONGITUDINAL DO CAIS DE PARAMENTO FECHADO 88 Figura 56 - Configuração da elástica do modelo 1 Caso 2 carga 2: Figura 57 - Configuração da elástica do modelo 2 Tabelas com os resultados finais das análises estruturais para o caso de

110 MODELAGEM DA SEÇÃO LONGITUDINAL DO CAIS DE PARAMENTO FECHADO 89 de carga 2 Tabela 19 - Quadro comparativo com os piores casos analisados - Caso Ação Reação Vertical + (kn) Reação Vertical (kn) Momento + (kn.m) Momento (kn.m) Piores Casos para Cada Modelo Caso 2 Modelo 1 Modelo , ,7 Estaca 1 Estaca 1 79,1 50,8 Estaca 4 Estaca ,1 44,6 Vão entre Estacas 1 e 2 Nó da Estaca 9 960, ,4 Nó da Estaca 1 Estaca 4 Tabela 20 - Quadro com os piores casos - Caso de Carga 2 Piores Casos Gerais Caso 2 Ação Resultado Posição Reação Vertical + (kn) 2.450,7 Estaca 1 do Modelo 1 Reação Vertical (kn) 79,1 Estaca 4 do Modelo 1 Momento + (kn.m) 1.378,1 Vão entre as estacas 1 e 2 do Modelo 1 Momento (kn.m) 1.005,4 Nó relativo à estaca 4 do Modelo Resultados do caso de carga 3 Diagramas de momento fletor e reações de apoio:

111 MODELAGEM DA SEÇÃO LONGITUDINAL DO CAIS DE PARAMENTO FECHADO 90 Figura 58 - Diagrama de momento fletor resultante da análise do modelo 1 Caso 3 Figura 59 - Diagrama de momento fletor resultante da análise do modelo 2 Caso 3 Configurações das elásticas e reações de apoio:

112 MODELAGEM DA SEÇÃO LONGITUDINAL DO CAIS DE PARAMENTO FECHADO 91 Figura 60 - Configuração da elástica do modelo 1 Caso 3 carga 3: Figura 61 - Configuração da elástica do modelo 2 Caso 3 Tabelas com os resultados finais das análises estruturais para o caso de

113 MODELAGEM DA SEÇÃO LONGITUDINAL DO CAIS DE PARAMENTO FECHADO 92 de carga 3 Tabela 21 - Quadro comparativo com os piores casos analisados - Caso Ação Reação Vertical + (kn) Reação Vertical (kn) Momento + (kn.m) Momento (kn.m) Piores Casos para Cada Modelo Caso de Carga 3 Modelo 1 Modelo , ,1 Estaca 2 Estaca 3 84,8 43,8 Estaca 5 Estaca , ,6 Vão entre Estacas 1 e 2 Vão entre Estacas 4 e ,7 888,5 Nó da Estaca 1 Estaca 7 Tabela 22 - Quadro com os piores casos - Caso de carga 3 Piores Casos Gerais Caso 3 Ação Resultado Posição Reação Vertical + (kn) 2.920,1 Estaca 2 do Modelo 1 Reação Vertical (kn) 84,8 Estaca 5 do Modelo 1 Momento + (kn.m) 1.745,4 Vão entre as estacas 1 e 2 do Modelo 1 Momento (kn.m) 1.092,7 Nó relativo à estaca 1 do Modelo Aspectos observados em relação à análise comparativa entre os dois modelos Após todas as análises realizadas nos subcapítulos, observaram-se os seguintes aspectos:

114 MODELAGEM DA SEÇÃO LONGITUDINAL DO CAIS DE PARAMENTO FECHADO 93 Os diagramas de momento fletor e configurações de elástica variaram em função do tipo de carregamento adotado e do modelo simulado; Notou-se, através da configuração das elásticas, que o modelo 2 distribui de forma mais uniforme os esforços solicitantes, provavelmente devido ao menor tamanho de vão (menor espaçamento entre estacas); A forma com que as cargas são distribuídas no primeiro modelo resultou em reações verticais de valores maiores dos que os encontrados no modelo 2; Percebeu-se que o modelo 1 representa o caso mais desfavorável, devido aos maiores valores referentes às reações verticais e aos momentos e por isso será utilizado como paramento para detalhamento das vigas. A tabela abaixo resume e discrimina os maiores valores calculados pelo FTOOL: Tabela 23 - Quadro com os valores críticos obtidos após a comparação entre os dois modelos Caso mais Desfavorável entre Todos os Resultados Obtidos Ação Resultado Modelo Local Caso de Carga Reação Vertical + Estaca ,1 Modelo 1 (kn) (x = 8,0 m) 3 Reação Vertical Estaca 5 90,7 Modelo 1 (kn) (x = 26,0 m) 1 Momento + Vão entre estacas 1 e ,4 Modelo 1 (kn.m) (entre x = 2,0 e x = 8,0) 3 Momento Estaca ,4 Modelo 1 (kn.m) (x = 2,0 m) 1 A Tabela 23 demonstra que o modelo 1 é o mais exigido. Isso acontece, conforme exposto acima, porque o espaçamento entre suas estacas é maior do que as do modelo 2, que tem 3,0 metros de vão.

115 MODELAGEM DA SEÇÃO LONGITUDINAL DO CAIS DE PARAMENTO FECHADO 94 Portanto, os valores resumidos acima serão as referências acerca das cargas a serem utilizadas no dimensionamento e detalhamento das armaduras das vigas de suporte do portainer Estudo acerca das Metodologias Utilizadas na Análise Estrutural das Vigas de Suporte do Portainer Seguindo as recomendações do orientador, realizou-se um estudo comparativo entre duas metodologias de análise estrutural para cálculo dos esforços das vigas de suporte. A primeira metodologia simula a seção longitudinal como se fosse um pórtico plano (exatamente como foi feito em 7.1.); a segunda simula a mesma seção longitudinal como se fosse uma viga contínua, onde as estacas serão representadas pelos apoios de segundo gênero. Para o modelo em pórtico plano, será usado o modelo 1 estabelecido em 7.1., que representa o caso mais desfavorável, conforme demonstrado em Adicionalmente a este estudo, serão utilizadas duas seções de vigas, a primeira com 1,0 x 1,8 m (utilizada anteriormente), e a segunda com 1,0 x 1,0. Os objetivos dessa seção serão, portanto, avaliar a metodologia de análise estrutural mais próxima à realidade e, ao mesmo tempo, comprovar que seções com maiores momentos de inércia são mais eficientes em relação à distribuição dos esforços Layouts dos modelos O layout da primeira metodologia de análise será o mesmo adotado para o modelo 1, definido na Figura 41, localizada em O layout da segunda metodologia de análise é apresentado abaixo: Figura 62 - Modelo estrutural em viga contínua

116 MODELAGEM DA SEÇÃO LONGITUDINAL DO CAIS DE PARAMENTO FECHADO Dados de entrada do FTOOL Materiais utilizados Os materiais utilizados como entradas no FTOOL serão os mesmos utilizados para concreto e aço anteriormente Seções utilizadas As seções utilizadas para as próximas análises serão as mesmas utilizadas nas seções anteriores. Entretanto, neste caso, deverá ser definida a seção da viga com 1,0 x 1,0 m. A seção da viga de 1,0 metros de altura está ilustrada a seguir: Figura 63 - Seção da viga com 1,0 x 1,0 m Casos de carga Neste estudo, serão adotados dois casos de carga. O primeiro diz respeito ao caso de carga 1 ilustrado em No segundo caso, será aplicada uma carga vertical concentrada de kn, conforme a figura a seguir: