DIMENSIONAMENTO DA SEÇÃO MESTRA PETROLEIRO EPHESOS

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1 1 UNIVERSIDADE DO ESTADO DO AMAZONAS ESCOLA SUPERIOR DE TECNOLOGIA ENGENHARIA NAVAL PAULO GIOVANNI DE SOUZA CARVALHO MATRÍCULA N : EZEQUIAS MARTINS DE FRANCA MATRÍCULA N : MATEUS MAGALHAES DE FARIAS MATRÍCULA N : DIMENSIONAMENTO DA SEÇÃO MESTRA PETROLEIRO EPHESOS MANAUS AM 2018

2 2 DIMENSIONAMENTO DA SEÇÃO MESTRA PETROLEIRO EPHESOS Trabalho apresentado como requisito parcial para obtenção de aprovação na disciplina de Resistência Estrutural ll, no Curso de Engenharia Naval, na Universidade do Estado do Amazonas. Prof. Marcelo Paiva Hermann. MANAUS AM 2018

3 3 LISTA DE FIGURAS Figura 1- Gráfico de Shade (1951) para cálculo da chapa colaborante Figura 2-Representação das direções das tensões conhecidas de forma analítica Figura 3-Gráfico para encontrar a constante k para o cálculo da tensão terciária Figura 4-Painél estrutural com pontos analisados na composição de tensões Figura 5-Alturas analisadas Figura 6-Seção mestra final do petroleiro

4 4 LISTA DE TABELAS Tabela 1-Tabela da composição de tensões do caso mais crítico

5 5 SUMÁRIO 1. Introdução Análise de dados do trabalho anterior Tensão Secundária Tensão Terciária Composição de Tensões Considerações Finais... 12

6 6 1. Introdução O presente trabalho tem por objetivo dar continuidade ao trabalho já iniciado na disciplina de resistência estrutural l, na qual foram feitos os cálculos de momento fletor, a partir das distribuições de pesos ao longo da embarcação, a qual foi modelada no software Delftship, bem como os cálculos para a análise das tensões globais atuantes na viga-navio. Assim, para este trabalho, destinou-se analisar as tensões locais para que, quando somadas às tensões globais, fosse possível verificar o critério de falha da estrutura.

7 7 2. Análise de dados do trabalho anterior Como informado na introdução, este trabalho é apenas uma continuação, ou seja, muitas das informações utilizadas para os seguintes cálculos foram extraídas da primeira parte do trabalho. Como a tensão primária já foi calculada, precisamos calcular as tensões secundárias e terciárias, isto é, as tensões nos reforçadores e chapas, respectivamente. 3. Tensão Secundária A tensão secundária é a tensão atuante nos reforçadores leves e pesados e é calculado pela mesma fórmula da tensão primária, que é a equação da tensão de flexão para vigas, como pode ser visto a seguir: Onde é feita uma pequena aproximação e, assim, podemos considerar os reforçadores como vigas bi-engastadas. Assim, como definido anteriormente, o vão livre para reforçadores pesados é a distância entre anteparas e para reforçadores leves é a distância entre cavernas gigantes. Desta forma, o momento atuante nos reforçadores é calculado da seguinte forma: Onde L é o vão livre da viga e q é o carregamento que atua nesta, sendo levando em consideração as pressões hidrostáticas e de carga. O valor de q é definido pela seguinte equação: Onde B é a largura de carga e p é a pressão. Vale lembrar que reforçadores pesados recebem tanto pressões hidrostáticas quanto de carga, enquanto que os reforçadores leves recebem apenas um tipo de pressão. Para calcular os valores das inércias e linhas neutras é necessário a utilização de um novo conceito que é o de chapa colaborante. Assim, diferentemente dos cálculos de módulo de seção dos reforçadores, o comprimento da chapa não é mais o s, e sim c que é o valor da chapa colaborante. Para encontrar esses valores, utiliza-se os gráficos propostos por Shade (1951), onde é o dado um gráfico da razão chapa colaborante/largura de carga em função da razão 0,578*vão livre/largura de carga. O gráfico é mostrado a seguir:

8 8 Figura 1- Gráfico de Shade (1951) para cálculo da chapa colaborante. Para facilitar nos cálculos das tensões no excel, realizou-se uma regressão linear da curva acima, uma vez que desta forma era necessário somente colocar o valor de entrada e o resultado era encontrado mais facilmente e com maior precisão e velocidade. 4. Tensão Terciária As tensões terciárias são as tensões atuantes nas chapas. Para o cálculo, utilizase o conceito de unidade de chapeamento, que basicamente é a chapa definida entre dois reforçadores leves e entre duas cavernas. Há uma formulação para o cálculo das tensões nas chapas, porém apenas o centro das laterais, como mostra a figura a seguir: Figura 2-Representação das direções das tensões conhecidas de forma analítica. Considera-se que a chapa é engastada nos 4 lados. Assim, calcula-se as tensões da seguinte forma: Sendo t a espessura da chapa analisada, p a pressão exercida na chapa (hidrostática ou de carga) e k um valor adimensional encontrado graficamente, semelhantemente a chapa colaborante, como mostrado a seguir:

9 9 Figura 3-Gráfico para encontrar a constante k para o cálculo da tensão terciária. De forma análoga ao que foi realizado no gráfico de Shade para a chapa colaborante, foi-se realizada a regressão linear para as curvas do gráfico acima e, desta forma, obte-se maior precisão e velocidade para encontrar os valores de k (dependendo do lado da chapa analisado) e, consequentemente, calcular a tensão terciária propriamente dita. Vale lembrar, como mostrado na figura 2, que as direções das tensões são préestabelecidas, ou seja, para o lado menor encontra-se uma tensão no sentido longitudinal, mas para o lado maior, encontra-se uma tensão no sentido transversal. Como estamos interessados em analisar o critério de falha por escoamento, devemos somar todas as tensões atuantes (primária, secundária e terciária), porém faz-se necessário que estas tensões tenham o mesmo sentido. Portanto, para a tensão encontrada no lado maior (sentido transversal), multiplica-se o valor de tensão encontrado para este lado pelo coeficiente de Poisson. Assim, encontra-se uma componente equivalente desta tensão no sentido longitudinal, como mostrado a seguir: 5. Composição de Tensões De posse das tensões primárias, secundárias e terciárias, parte-se para a composição das tensões, isto é, começam as combinações das tensões encontradas a fim de verificar o ponto em que as tensões mais se intensificam e, dessa forma, verificar se este valor ultrapassa ou não a tensão de escoamento do material da embarcação. Para essa análise, analisa-se em um painel estrutural a seguinte configuração de pontos:

10 10 Figura 4-Painél estrutural com pontos analisados na composição de tensões. Para os reforçadores pesados de fundo/duplo fundo e costado/duplo costado, analisou-se 6 alturas, na qual em cada altura foi analisado os 8 pontos, como mostrado acima. A disposição das alturas mencionadas acima é mostrada a seguir: Figura 5-Alturas analisadas. Para o convés há apenas uma pequena modificação pelo fato de haver apenas uma chapa colaborante e a flange, assim, há menos alturas. Assim como também se considera a pressão no convés como a gerada com 1 m de coluna d água, para eventuais casos de águas e convés e afins. Para reforçadores leves, segue-se a mesma ideia dos reforçadores pesados. A análise das composições de tensões foram feitas para as condições extremas de alquebramento e tosamento, uma vez que, dependendo da condição natural da embarcação, um destes casos pode intensificar os valores das tensões. Realizada as composições de tensões para o Fundo/Duplo Fundo, Costado/Duplo Costado e convés nas duas condições, observou-se que os pontos que possuíam maiores valores de tensões ocorriam na região do fundo na condição de tosamento na altura z0, de acordo com a figura 5. Portanto, estes são tomados como pontos críticos e é a partir deles que se analisam os critérios de falha da estrutura. O

11 11 material que estimada para a estrutura é o aço ASTM 131, o qual possui uma tensão de escoamento de 250 MPa. A tabela da composição de tensão de fundo pode ser observada na tabela a seguir: Tabela 1-Tabela da composição de tensões do caso mais crítico. Pontos Tensão ¹ Tensão ² pesada Tensão ² leve Tensão ³ Total FS 1 101,07-89, , , , ,07-89, , , , ,07 44, , ,1758 1, ,07 44, , ,3267 1, ,07-89, , , ,6589 2, ,07-89, , , , , ,07 44, , , ,2568 1, ,07 44, , , ,2862 1,60993 A partir dos valores encontrados, verifica-se que mesmo para a situação com maior solicitação, a estrutura resiste bem aos esforços com uma margem de segurança aceitável. Ao fim, tem-se a seção mestra final do Petroleiro Ephesos, como mostrado na imagem seguinte: Figura 6-Seção mestra final do petroleiro.

12 12 6. Considerações Finais A partir do trabalho realizado, foi-se possível compreender os fenômenos que envolvem estruturas navais, mais precisamente embarcações, isto é, como fatores como distribuição de pesos e ondas interferem no momento fletor da viga-navio. Foi-se possível, também, compreender a análise estrutural de um navio mercante e suas divisões de tensões (primária, secundária e terciária), assim como o trabalho possibilitou uma familiaridade com normas de sociedades classificadoras, mais especificamente as normas da ABS. Ao fim do trabalho, realizou-se a integração das tensões a fim de analisar os valores de tensões máximos e se estes poderiam ou não fazer com que o material da estrutura escoasse, isto é, foi realizada uma análise estrutural geral (tensões globais e locais) na embarcação. Ao final, a estrutura projetada resistiu bem às tensões solicitadas com uma margem de segurando não tão pequena, mas não tão exagerada, uma vez que uma estrutura rígida ao extremo possui maior custo e peso.