24º Congresso Nacional de Transporte Aquaviário, Construção Naval e Offshore

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1 24º Congresso Nacional de Transporte Aquaviário, Construção Naval e Offshore Rio de Janeiro, 15 a 19 de Outubro de 2012 Modelagem numérica da popa para adaptação de acoplamento mecânico em barcaça não propulsada para uso em navegação interior Felipe Tempel Stumpf Alessandro Gallina Joaquim Francisco Bertuol Porto Eduardo Pered Fernandes Vieira Ignacio Iturrioz Luis Eduardo Kosteski NOTAq Núcleo Orientado a Tecnologias Aquaviárias Departamento de Engenharia Mecânica Universidade Federal do Rio Grande do Sul Resumo: A navegação interior da região sul do país está passando por mudanças de modelo. O transporte fluvial de mercadorias na região se realiza, tradicionalmente, através de embarcações autopropelidas. Com motivo de diminuir valores de fretes aumentando a produtividade do transporte através da dinâmica logística, há uma proposta de utilização de conjuntos combinados articulados (empurrador + barcaça articulados). A viabilidade desse modelo na região passa por uma conexão mecânica entre empurrador e barcaça que garante a navegação segura em condições adversas. Essa é uma das particularidades que dificultou até então a implementação de comboios na região. A adaptação de barcaças existentes para sistemas semelhantes é necessária, portanto, modelagens numéricas deverão ser realizadas para o correto dimensionamento das adaptações necessárias. Com base nesta nova situação, no presente trabalho se apresenta inicialmente a simulação da popa de uma barcaça nova, que já foi projetada para se acoplar ao empurrador por intermédio de um sistema ATB (articouple tug and barge), analisando como é a distribuição de esforços. Também se apresenta a simulação computacional da popa de uma barcaça tradicional antiga, na qual é necessário adaptar a estrutura original da barcaça para poder realizar o acoplamento. Mostram-se as vantagens das duas opções no âmbito puramente estrutural e a eficiência da adaptação para realizar o acoplamento a respeito do sistema projetado para isto. 1 Introdução Motivadas por uma busca de aumento na eficiência de seus fretes, empresas de navegação interior atuantes na Bacia do Sudeste/RS estão passando por uma mudança de filosofia quanto à configuração de comboios para transporte de cargas. As atuais embarcações autopropulsadas de navegação interior são empregadas para o transporte de sólidos graneis ou carga unitizadas e líquidos petroquímicos e derivados de petróleo. No entanto, nos moldes em que ele é usado, e considerando as potencialidades de cada modelo, este modelo de transporte é economicamente desvantajoso quando comparado com o sistema empurrador-barcaça. O principal argumento é a rotatividade possível para a unidade propulsora (empurrador) com a estagnação nos terminais da unidade propulsada versus a ineficiência do sistema atual decorrente dos tempos nos terminais. O modelo proposto não é novo, nem mesmo na Bacia do Sudeste. Porém, sua utilização é restrita a condições de navegação favoráveis devido à forma de conexão entre embarcações (cabos) não resistir às condições adversas de navegação existentes na Laguna dos Patos. Esta modalidade simplificada de acoplamento é empregada com sucesso normalmente, restringindo-se quando há ondas e ventos com significada magnitude, como no caso específico. Além disso, para esses casos, a navegação acaba sendo interrompida 1

2 gerando custos que acabam sendo, consequentemente, pagos pelos embarcadores. Buscando-se um aumento na eficiência do transporte hidroviário interior feito por meio de comboios empurrador-barcaça na região da Bacia do Sudeste, uma alternativa viável encontrada é a utilização de sistemas de acoplamentos mecânicos que solucionem a problemática dos cabos. Para contornar este problema, está sendo estudada a implantação nas embarcações da Bacia do Sudeste de sistemas de acoplamento mecânico articulado por pino, capaz de não restringir o movimento de arfagem relativa entre as embarcações acopladas. Maiores detalhes sobre este sistema de acoplamento serão apresentados no Capítulo 2. O objetivo deste trabalho é desenvolver uma metodologia de simulação computacional através de elementos finitos do acoplamento mecânico empurrador-barcaça através de pino. A primeira embarcação que será analisada está em fase de construção e já teve seu projeto orientado para o sistema de acoplamento, de modo que nenhuma adaptação estrutural para instalação do sistema de acoplamento será necessária. Isto significa que os resultados de esforços e deformações obtidos em sua simulação servirão como valores de referência para verificação dos resultados da simulação de uma segunda embarcação. Esta segunda embarcação já existe e, portanto, deverá ter a estrutura de sua popa adaptada para receber a estrutura necessária para montagem do sistema de acoplamento. Os resultados entre as duas simulações serão comparados qualitativamente e quantitativamente a fim de obter um projeto adequado para a estrutura treliçada a ser instalada na popa da barcaça existente. 2 O Sistema de Acoplamento Além do sistema de amarração por cabos já mencionado, há diversas maneiras diferentes de se realizar acoplamento mecânico entre um empurrador e uma barcaça, desde sistemas articulados por dois ou mais pinos (Figura 1), como por sistemas de cremalheiras (Figura 2) ou até baseado no atrito entre sapatas localizadas no empurrador e entalhes feitos na popa da barcaça (Figura 3). Figura 1 Tipos de acoplamentos articulados por pinos Figura 2- Exemplo de acoplamento articulado com cremalheira Figura 3 Exemplo de acoplamento por atrito Por motivos que não convêm serem detalhados aqui, as empresas atuantes no transporte hidroviário de cargas da Bacia do Sudeste chegaram à conclusão que o sistema por articulação através de pinos é o mais adequado para a sua frota e, portanto, neste trabalho, este será o único sistema a ser analisado. O acionamento dos pinos é geralmente feito hidraulicamente e tanto eles como toda a estrutura necessária para seus acionamentos é instalada na proa do empurrador. Uma vez que o empurrador é alinhado à barcaça a ser empurrada, os pinos são acionados e extraídos até serem encaixados em estruturas metálicas, chamadas de guias gigantes, soldadas à popa da barcaça. Para garantir que os pinos sejam adequadamente fixados às guias gigantes, estas possuem diversos furos de diâmetro semelhante aos pinos ao longo de seus comprimentos (ver Figura 4). A presença de diversos furos se faz necessária para levar em conta as diferenças entre os calados das embarcações. 2

3 reforços internos às estruturas tanto dos parachoques como da própria popa, aproveitando-se os reforços internos do espelho e do convés da popa da barcaça. Figura 4 Detalhe das guias gigantes e seus furos para encaixe dos pinos Em um caso de barcaça cheia, o acoplamento ocorrerá em um furo mais superior e vice-versa. Isto, é claro, resultará em diferentes resultados sob o ponto de vista do campo de tensões atuantes na região do furo, e o caso de carga que resultar em maiores esforços será o foco de análise dos resultados de elementos finitos. Como mencionado no Capítulo 1, serão realizadas análises via elementos finitos em duas diferentes barcaças, das quais uma já foi projetada para recebimento da estrutura das guias gigantes (doravante denominada Barcaça I) e outra terá de sofrer uma adaptação estrutural para comportar as guias (doravante denominada Barcaça II). É a respeito desta estrutura de adaptação que trata o próximo capítulo. Figura 5 Modelo tridimensional simplificado da interação empurrador-barcaça para Barcaça II As barras da treliça foram consideradas todas iguais e de geometria tubular com dimensões de diâmetro externo ϕe = 143 mm e espessura t = 15, 88mm. Detalhes da conexão das barras à estrutura da popa da barcaça também não foram incluídos, pois não se desejava este nível de detalhamento estrutural. 3 Estrutura para adaptação da popa da Barcaça II É bom deixar claro que o objetivo deste trabalho não é a obtenção do projeto ótimo de uma estrutura para receber as guias gigantes, e sim de uma estrutura de forma e resistência coerentes para posterior comparação dos níveis de tensões e deformações com a barcaça já pronta para receber as guias. A Figura 5 mostra um modelo tridimensional simplificado da popa da Barcaça II e da proposta de estrutura treliçada. Os detalhes da fixação das guias gigantes às treliças não foram mostrados, pois não são o foco de atenção deste trabalho. Mesmo assim, pode-se ter uma ideia de como será a interação entre as guias e as treliças e entre as treliças e a popa da Barcaça II. Esta embarcação apresenta duas estruturas do tipo parachoque em sua popa, que quando acoplada ao empurrador alinha com outras duas estruturas semelhantes anexadas a ele. As treliças foram desenhadas de modo que as barras que chegam à popa coincidam com os Figura 6 Detalhe da estrutura treliçada (em azul) para instalação da guia gigante (em verde). 4 Geometria das Embarcações e Modelos de Elementos Finitos A Tabela 1 resume as dimensões principais de cada embarcação analisada. As geometrias das popas das Barcaças I e II foram feitas em detalhes em um programa de modelagem tridimensional e inseridos posteriormente em um programa de análise de elementos finitos. Para contemplar a influência estrutural do restante da embarcação, os corpos paralelos das mesmas foram 3

4 modelados como elementos de vigas e unidos às regiões detalhadas das popas através de elementos do tipo rígidos. Tabela 1 Dimensões principais das embarcações Barcaça I Barcaça II Comprimento [m] 93,6 59,5 Boca [m] 15,5 11,7 Pontal [m] 6,7 3,62 Para levar em conta a influência da força da água ao longo das embarcações, as mesmas foram consideradas simplesmente apoiadas em elementos de molas em todos os seus comprimentos. Estas molas tiveram suas rigidezes calibradas para que, dadas as massas de cada embarcação, a deformação total das molas resultasse no valor de calado de projeto para cada barcaça. Desta maneira pode-se considerar que o modelo está calibrado e a influência da força de sustentação da água é levada em conta nas estruturas. A Figura 7 detalha as malhas de elementos finitos construídas para ambas as barcaças. Figura 7 Malhas de elementos finitos para as Barcaças I e II, respectivamente Como pode ser visto na Tabela 1, a Barcaça I tem quase o dobro do comprimento da Barcaça II, portanto a malha referente à viga-navio do corpo paralelo do modelo da Barcaça I da Figura 7 está sendo mostrada apenas pela metade. Todas as chapas foram modeladas utilizando-se elementos bidimensionais de 8 nós e, quando necessário, os reforços e demais elementos estruturais delgados foram modelados com elementos finitos bidimensionais de vigas de 3 nós. 4.1 Condições de contorno Consideremos as seguintes orientações do eixo coordenado cartesiano em ambos os modelos: eixo x é o eixo horizontal, paralelo à linha d água orientado na direção popa-proa de cada embarcação; eixo y é o eixo horizontal, paralelo à linha d água orientado na direção boreste-bombordo de cada embarcação; eixo z é o eixo vertical localizado na linha de centro de cada embarcação. Foram consideradas duas condições de carregamento para as barcaças: leve e carregada. A Tabela 2 resume os valores de massa bruta de cada embarcação para cada uma das situações citadas. Tabela 2 Massas consideradas para ambas as embarcações sob diferentes condições Barcaça I Barcaça II Massa bruta leve 877 ton 332 ton Massa bruta carregada 5220 ton 1883 ton Além das situações de carregamento, foi considerada ainda uma situação de manobra do comboio carregado, o que se espera que gere uma condição mais severa de tensões e deformações nas estruturas em análise. Os valores de força em cada um dos pinos dos acoplamentos para cada uma das situações analisadas são mostrados na Tabela 3. Os valores de força por pino da Barcaça I foram obtidos por indicação do próprio fabricante deste tipo de acoplamento. Tabela 3 - Forças por pino em ambas as barcaças, para cada situação analisada Barcaça II Fx [kn] Fy [kn] Fz [kn] Situação leve Situação carregada Situação de manobra /-400 Apesar de a Barcaça I ser mais pesada e maior do que a Barcaça II, a fim de se ter um resultado conservativo, serão aplicadas as mesmas forças nos acoplamentos de ambas as barcaças. Estas forças são localizadas no espaço exatamente onde os pinos que se encontram no empurrador se encaixariam nas guias gigantes, as quais não foram modeladas, pois a análise de suas estruturas não é o objetivo deste trabalho. Por considerar que as guias são suficientemente mais rígidas do que as estruturas das popas das barcaças, os pontos de aplicação das forças foram conectados às embarcações por meio de elementos rígidos diretamente nas regiões de solda entre as guias e, ou a estrutura da popa (no caso da Barcaça I), ou as treliças (no caso da Barcaça II). 4

5 5 Resultados Como mencionado, o objetivo deste trabalho não é o de obtenção de estruturas ótimas para interface entre as guias gigantes e as popas das barcaças, mas sim de comparar os resultados obtidos entre uma embarcação já projetada para receber este equipamento e uma embarcação que deve sofrer alterações estruturais para poder recebê-lo. Por isso, o que se busca é criticar os critérios adotados para localização dos elementos das treliças que se ligam à popa da Barcaça II, tendo como parâmetros os níveis de tensões equivalentes de von Mises nestas regiões. Outro parâmetro de análise serão os deslocamentos totais nas estruturas treliçadas em comparação aos deslocamentos obtidos na estrutura da Barcaça I. Com esta segunda análise, procura-se descobrir o quão longe a estrutura treliçada está, em termos de deslocamentos, dos deslocamentos admitidos pelo projeto do acoplamento. As tensões equivalentes de von Mises para a estrutura da popa da Barcaça I na pior situação de serviço - manobra da barcaça carregada - são mostradas nas Figuras 8 e 9, e pode-se ver claramente que os níveis alcançados estão bastante distantes dos 250 MPa considerados como parâmetro de tensão máxima admissível para evitar a plastificação do material, segundo a Teoria da Máxima Energia de Deformação. Figura 9 Campo de tensões de von Mises [MPa] no interior da estrutura da popa da Barcaça I Para fins de comparação, a Figura 10 detalha o mesmo resultado para a estrutura da Barcaça II. Figura 8 Campo de tensões de von Mises [MPa] para Barcaça I sob situação de manobra quando carregada. Figura 10 Campo de tensões de von Mises [MPa] na interação entre treliça e convés da Barcaça II em situação de manobra quando carregada. Nota-se novamente que as tensões atuantes estão bastante abaixo da admissível. Há, é claro, alguns pontos de concentração de tensões nas regiões de interface entre a treliça e o convés da embarcação, mas isto é um efeito numérico devido ao tipo de modelagem feito, onde um nó de elemento finito de viga 5

6 encontra diretamente um nó de elemento de placa. A Figura 11 mostra o campo de tensões de von Mises na estrutura de um ponto de vista interior à estrutura da embarcação. Mais uma vez, apesar de alguns pontos isolados de concentração de tensões, isto já era esperado e não configura motivo para preocupação. Uma medida de cautela, no entanto, pode ser a sugestão de inserção de alguns elementos reforçadores naquelas regiões. Figura 13 Campo de deslocamentos nodais [mm] na estrutura da Barcaça I para situação de manobra quando carregada Figura 11 Campo de tensões de von Mises [MPa] no interior da estrutura da popa da Barcaça II. Os resultados de deslocamentos nodais na treliça da Barcaça II se encontram na Figura 12 novamente para o caso carregado com manobra. O deslocamento máximo obtido nas simulações foi de 14 mm na direção lateral, o que, considerando as dimensões da embarcação, não caracteriza um resultado preocupante sob o ponto de vista da integridade estrutural do acoplamento. Figura 12 Campo de deslocamentos nodais [mm] na estrutura da Barcaça II para situação de manobra quando carregada. A Figura 13, por sua vez, mostra o campo de deslocamentos nodais na estrutura da Barcaça I. O máximo deslocamento nodal calculado foi de 11 mm no sentido lateral à embarcação, o que pode ser considerado aceitável, tanto do ponto de vista da integridade estrutural da embarcação como da confiabilidade do sistema de acoplamento. 6 Conclusões Neste trabalho foi apresentada uma metodologia de análise estrutural via método dos elementos finitos de uma estrutura projetada para instalação de um sistema de acoplamento mecânico empurrador-barcaça. Os modelos tridimensionais consistiram em desenhos detalhados das estruturas das popas das barcaças, enquanto seus corpos paralelos foram modelados como vigas, cujas principais propriedades de seção transversal foram inseridas como parâmetros de entrada no programa de elementos finitos. Com isso, se ganha um completo entendimento do campo de tensões e deslocamentos locais das popas, sem perder a influência da rigidez estrutural do restante da embarcação. Para considerar a influência da força de sustentação da água na estrutura, elementos elásticos foram inseridos abaixo das embarcações, cujas rigidezes foram calibradas de modo a garantir um deslocamento equivalente ao calado de cada embarcação. As forças nos pinos referentes à interação entre empurrador e barcaça foram aplicadas em um único ponto, que por sua vez está ligado por um elemento rígido à região da popa (no caso da Barcaça I) ou da treliça (no caso da Barcaça II) em que as guias gigantes estão soldadas. Desta forma considera-se as guias muito mais rígidas do que o restante da estrutura. Os níveis de tensão equivalente de von Mises não ultrapassaram valores preocupantes nem na treliça projetada e nem nas estruturas 6

7 já existentes da popa da Barcaça II, exceto em alguns pontos isolados. Isto, no entanto, não deve ser motivo de preocupação, pois suas ocorrências se devem a fatores puramente numéricos. No entanto, estas regiões devem ser foco de uma maior atenção quando do projeto detalhado da estrutura, podendo-se até sugerir inserção de alguns reforços. O mesmo pode ser dito quanto aos deslocamentos totais da treliça, cujo valor máximo foi de 14 mm, o que pode ser considerado aceitável, dado que as forças nos pinos foram superdimensionadas. Se comparados com os 11 mm de deslocamento máximo na popa da Barcaça I, podemos considerar que os modelos estão coerentes tanto qualitativamente como quantitativamente. 7