PEF 2506 - Projeto de Estruturas Marítimas PLATAFORMA FIXA TIPO JAQUETA Como visto, existem os mais variados tipos de plataformas, cada uma com seus requisitos de projetos. Neste capítulo será abordada a plataforma fixa tipo jaqueta. Muitos conceitos aqui desenvolvidos servirão para aplicação em plataformas auto-elevatórias e torres. As plataformas semi-submersíveis, navios e bóias se enquadram mais na área de projeto do navio. Para o projeto estrutural desta plataforma deve-se possuir um sistema que abranja as mais diferentes áreas de engenharia envolvidas. Vamos dar um apanhado geral sobre o projeto e análise desta estrutura para que depois ataquemos cada etapa específica. O sistema a ser apresentado terá como objetivos básicos o desenvolvimento de procedimentos para síntese e análise de plataformas de produção, definidas como estruturas que consistem basicamente de: I) Uma estrutura tubular chamada jaqueta cujas pernas servem de gabarito para a cravação das estacas e de contraventamento lateral das mesmas; II) Estacas que são cravadas no fundo do mar, ancorando a jaqueta, e que juntamente com ela devem ser projetadas para resistir aos esforços provenientes das ondas, vento etc. III) Conveses que se interligam com a jaqueta, sendo a parte realmente útil da estrutura. (ver fig. 1).
Algumas informações necessárias ao projeto de uma plataforma, podem assim ser resumidas: - As finalidades da plataforma, a qual fornece os primeiros elementos para a concepção da estrutura e que normalmente são: perfuração, produção, sustentação de poços, habitação, etc., ou combinação destas. - A área onde se situará a plataforma nos orienta quanto ao tipo e grandeza dos fenômenos aos quais poderá estar sujeita a estrutura. A localização precisa é também de grande importância para o levantamento dos parâmetros do solo, necessários ao cálculo das fundações, para os dados estatísticos dos estados de mar na região, bem como para uma orientação sobre a escolha da onda de projeto a ser adotada. Outrossim, é importante conhecer o posicionamento da estrutura em relação às direções predominantes do vento, correntes e ondas. - A profundidade da lâmina d água influirá decisivamente nas dimensões da jaqueta, métodos de construção e lançamento. Convém lembrar que, em alguns casos, solicitações estruturais advindas de processos não adequados de construção, transporte e lançamento podem vir a ser mais críticas que as devidas à operação em si. - O número de poços, que dá elementos para a avaliação das áreas de convés necessárias. Os condutores são responsáveis por grande parte da carga lateral, devida às ondas e correntes marinhas, sobre a estrutura. Os poços em número elevado, podem responder por mais de 50% da carga lateral, sendo um fator importante no dimensionamento da jaqueta e das estacas. - A altura dos conveses que deve ser maior que a altura atingida pela maior onda prevista na área durante a vida útil da plataforma, dentro de determinadas probabilidades adotadas no projeto Como se nota, portanto, o projeto e análise de plataformas requerem o conhecimento de várias áreas da ciência, tais como: oceanografia, análise estrutural, mecânica, engenharia de solos, arquitetura, tecnologia de construção etc. São definidos oito subsistemas, que abrangem todas as fases envolvidas no projeto, a saber:
- PREPLA Responsável pela geração de todas as características de geometria, topologia e rigidez da estrutura. - CARMAR Responsável pelo cômputo das cargas impostas pelas ondas, correntes marinhas,vento e gravidade. - SOLO Responsável pelo fornecimento da rigidez do solo nos pontos de iteração com a plataforma. - SAP IV Programa núcleo que, com os dados dos três subsistemas acima, analisa a estrutura. - POSPLA Responsável pela apresentação dos resultados gerados pelo programa-núcleo. - JUNTA Responsável pelo cômputo das tensões agentes nas juntas. - ESTACA Responsável pelo projeto das estacas. - CONSTRU Responsável pelo desenvolvimento dos procedimentos de montagem, construção e manutenção da plataforma.
Na figura 2 ilustra-se a organização do sistema, como reunião dos vários subsistemas. Vamos agora fornecer uma descrição mais clara sobre a função de cada subsistema. SUBSISTEMAS Subsistema PREPLA A preparação dos dados físicos, requeridos para descrever a estrutura ao computador, pode tornar-se uma tarefa tediosa e demorada, com o conseqüente aumento do custo da análise. Todos os usuários de programas de análise matricial estão familiarizados com o tipo de dados necessários, tais como coordenadas dos nós, descrição dos membros, propriedades físicas dos elementos etc. O trabalho torna-se excessivo na análise de grandes plataformas, modeladas por estrutura reticulada tri-dimensional, onde é comum a ocorrência de 500 a 1000 nós e 1000 a 2000 elementos de viga. O subsistema PREPLA é responsável pela geração automática e manipulação desses dados, diminuindo muito o custo da análise. Desenvolvem-se rotinas e técnicas para a descrição dessa espécie de estruturas de modo a reduzir várias vezes o número de cartões de dados de entrada. A estrutura deve ser dada de uma forma quase descritiva e o subsistema encarregase de transformá-la em dados entendíveis pelo programa-núcleo de análise. Usase também um sistema de plotter para gerar desenhos da estrutura que mostram ao analista qual o modelo estrutural que vai ser analisado (fig. 3).
Para descrição da estrutura, de modo geral, temos as seguintes etapas envolvidas: I) Informações sobre a estrutura, tais como número de pernas, número de conveses, etc. II) Dimensões dos vários planos horizontais, necessários à descrição da topologia. III) Tabela, de forma codificada, dos tipos de painéis horizontais, verticais e de condutores, que compõem a estrutura. (fig. 4). IV) Finalmente, a estrutura é especificada, patamar e patamar, dando-se o tipo de painel, bem como o tipo de perna e pilar que ocorre entre cada patamar.
Com esses poucos dados o programa está apto a gerar o modelo estrutural, fornecendo ao programa-núcleo o grande volume de informações necessárias (ver figuras de plotter). Algumas técnicas de modelagem são incorporadas ao sistema, tais como a simulação da iteração entre os membros coaxiais da perna e pilar, a modelagem dos condutores seja como elementos que recebem uma grande parcela da carga proveniente das ondas do mar e correntes descarregando-a sobre a estrutura, seja como elementos que além disso também colaboram na resistência do conjunto. Subsistema CARMAR Este subsistema é responsável pelo cálculo do carregamento sobre a estrutura (ondas, correntes, vento e peso próprio) A onda é o fenômeno que normalmente mais solicita a estrutura. O movimento da superfície do mar é um processo aleatório e a estrutura a cada instante está sob a ação da superposição de vários tipos de onda. Para representarmos o fato, teríamos que somar o efeito de cada onda, supor o processo
linear e computar o resultado. Sendo extremamente trabalhoso tal procedimento, procura-se definir uma onda de projeto, em que se supõe que seu efeito sobre a estrutura seja o máximo esperado dos estados de mar que possam vir a ocorrer durante a vida útil da estrutura. A escolha de tal onda é o primeiro grande problema no cômputo das cargas e depende de dados estatísticos dos estados de mar (e respectivas alturas significativas de onda) na região onde será instalada a plataforma (ver figuras 4 de áreas do oceano, levantamento de estados de mar, probabilidade de onda). Figura 4.a Regiões do Globo
Figura 4.b Número de Ocorrências de Estados de Mar O programa calcula o carregamento externo agente sobre a estrutura para várias posições e direções na onda de projeto incidente. É selecionada a posição ou posições mais desfavoráveis (em combinação com as correntes e vento) usando determinado critério, por exemplo, aquelas posições que resultem numa máxima força cortante na base ou momento de tombamento na estrutura. Tais carregamentos agentes sobre cada elemento de viga são computados a fim de realizar-se a análise estrutural. A força da onda nos elementos da estrutura é a soma de duas parcelas: força de arraste, que de depende da velocidade das partículas d água e força de inércia, que depende da aceleração. No caso de fluxo d água ser perpendicular ao elemento de viga considerado, a força total é determinada pela equação de Morison: F = F a + F i = ½ C d ρ D v 2 + π/4 C m ρ D 2 a onde: F = força total por unidade de comprimento F a = força de arraste por unidade de comprimento F i = força de inércia por unidade de comprimento C d e C m = coeficientes de arraste e de inércia.
O cômputo desses valores para cada caso é um dos problemas mais difíceis do processo. Depende da rugosidade, da dimensão da forma da secção transversal da viga, no número de Reynolds, etc. Existem várias pesquisas desenvolvidas nesse assunto e uma análise detalhada deverá ser levada a cabo para o desenvolvimento de nosso próprio critério de seleção para C d e C m. ρ = densidade d água D = diâmetro externo do caso de tubos (dimensão característica da secção transversal em outros casos) v e a = velocidade e aceleração das partículas d água. Cada onda é assimilada a um determinado formato e comportamento. Existem vários procedimentos para escolher uma determinada equação de movimento às suas partículas. A velocidade e aceleração dependem fundamentalmente da altura de onda, lâmina d água e do período, sendo ambas função do tempo. As várias teorias desenvolvidas de onda são mais ou menos precisas dependendo dos valores de altura de onda, lâmina d água e período de onda de estudo. Como bom guia recomenda-se o uso das curvas da figura 5. Tais curvas podem ser incorporadas ao programa para uma automatizada seleção da teoria mais conveniente. Um exemplo de escolha de C d e C m nas figuras 5.a e 5.b.
Figura 5 Regiões de Validade das Teorias de Onda
No caso da velocidade e aceleração não serem perpendiculares à viga, que é o que geralmente acontece, a equação de Morison está sujeita a várias interpretações. Esses diversos métodos deverão ser comparados e escolhido aquele que, no nosso entender, seja mais lógico e satisfatório. Esta é outra das etapas a ser vencida. No caso de correntes marinhas, sua velocidade pode ser linearmente adicionada à velocidade das partículas da onda e computada a força de arraste total. Procedimentos análogos deverão ser desenvolvidos para o cômputo da força devida ao vento. O peso próprio é facilmente computado e adicionado aos outros carregamentos. O carregamento total é gerado num formato apropriado para ser diretamente aplicado pelo programa núcleo de análise. Subsistema SOLO No projeto e análise de plataformas fixas é usual analisar a estrutura propriamente dita e a região das estacas dentro do selo como dois problemas independentes. Isto é natural pois, enquanto a estrutura pode ser associada a sistema elástico linear, a análise das fundações é de natureza não linear pelo próprio fato do solo ter esse tipo de comportamento (fig. 6). Ora, ao separar as duas porções, condições de contorno conveniente devem ser atribuídas na região do corte. Isso é feito colocando-se na base da estrutura elementos de contorno (vigas ou molas) que tenham a mesma rigidez que o conjunto estaca + solo teria. Mas, devido ao comportamento não linear desse conjunto, não se sabe a priori qual a rigidez necessária nesses pontos. Daí a necessidade de um processo iterativo entre o subsistema SOLO e o SAP IV, caso se necessitem resultados mais precisos. Tal processo pode ser resumido como se segue: I) A estrutura é engastada no solo, sendo analisada pelo sistema SAP IV sob o carregamento advindo do subsistema CARMAR (fig. 2).
II) As reações dos pontos de engastes, advindas de (I) (forças e momentos) são aplicadas como ação na fundação isolada da estrutura. Neste ponto já deveremos ter as curvas do conjunto estaca + solo, que são encontradas no subsistema ESTACA. Tais curvas determinam a relação entre esforço e deslocamento aplicados na região do corte das estacas (fig. 7).
Tais curvas podem ser levantadas a partir dos parâmetros físicos do solo. Existem vários processos para determinar tais curvas, devendo ser escolhido um deles para uso no nosso SISTEMA. Com o uso dessas curvas podemos encontrar os deslocamentos para cada estaca na interface com a estrutura. III) As reações de (I) e os deslocamentos de (II) permitem-nos determinar uma viga equivalente cuja matriz de rigidez (12 x 12) fornece a mesma resistência que o conjunto estaca + solo. IV) A matriz de rigidez dessa viga equivalente é adicionada à estrutura e nova análise é levada a cabo determinando-se um novo conjunto de reações e deslocamentos. Nesta etapa deve-se utilizar técnicas matriciais de modo a reduzir o problema para somente computar as reações e deslocamentos dos nós da interface, reduzindo grandemente o tempo de processamento e tornando o método economicamente viável. V) Com as novas reações calculadas em (IV) utiliza-se o mesmo procedimento de (II), (III) e (IV). O processo é repetitivo até que haja convergência. Subsistema ESTACA Este subsistema além de fornecer as curvas de resistência do conjunto estaca + solo encarrega-se de, a partir das reações finais agentes na interface estaca e estrutura, dimensionar as próprias estacas, (ver figura 7.a de diferentes camadas de terreno). Os cálculos baseiam-se em analisar uma viga contínua (estaca) sobre apoios (solo) de comportamento não linear (fig. 8). As propriedades desses apoios podem ser retiradas das características físicas do solo através de um dos processos existentes na engenharia de solos. Os resultados da análise dessa viga contínua servem para fornecer as curvas de resistência e os esforços solicitantes nas estacas, propiciando seu dimensionamento. Portanto, trata-se aqui de desenvolver programas que resolvam esse problema não linear.
Figura 7.a Diferentes Camadas de um Terreno Subsistema SAP IV Este subsistema é constituído de um programa-núcleo de análise que, a partir dos dados dos subsistemas já citados, realiza a análise linear do modelo estrutural da plataforma. O programa nomeado SAP IV, pode corresponder a qualquer outro programa de análise estrutural. A forma de operação de tais programas é conhecida junto à comunidade que trabalha na área, evitando-se aqui entrar em maiores detalhes.
Subsistema POSPLA Este Subsistema, partindo dos resultados do programa núcleo, tem a finalidade de apresentá-los de forma facilmente entendíveis pelo analista. Entre suas tarefas podemos citar: - cômputo das tensões agentes nos membros. Comparação com as tensões admissíveis. Caso as tensões sejam insatisfatórias, um redimensionamento e nova análise devem ser levados a cabo. - desenhos, através de um sistema de plotter, da estrutura deformada; da estrutura onde estejam assinaladas as vigas cujas tensões são excessivas; vigas onde haja flambagem, etc. - listagem dos elementos e materiais da estrutura para ser usada na construção (Ex.: metros de cada tipo de tubo ou perfis, chapas, peso da estrutura, etc.) - esforços solicitantes de cada junta da estrutura, para serem usados no subsistema JUNTA. Subsistema JUNTA Em plataformas fixas existem vários tipos de juntas (fig. 9), cujos componentes básicos estão mostrados na (fig. 10). É nessas regiões onde ocorrem as máximas tensões. Tem-se constatado a ocorrência de trincas exatamente nesses pontos. Conseqüentemente, devem essas tensões ser calculadas o mais precisamente possível. O modelo de viga utilizado até esta etapa de processo de análise não é capaz de detectar o nível de tensões nessas regiões. Para tanto, a partir dos resultados de esforços agentes no contorno da junta e através de um modelo de elementos finitos de placa em flexão (com comportamento conjunto de membrana) pode-se chegar a bons resultados, usando-se o mesmo programa-núcleo para resolver o problema de análise estrutural, (figuras 11, 12 e 13).
Figura 12 Malha de Elementos Finitos
Figura 13 Tensão Normal Longitudinal e Cicunferencial Apesar desse procedimento resolver o problema, o grande número de juntas, de vários tamanhos e geometrias, existentes em uma plataforma típica, faz prever um custo elevado para a análise total. Portanto, deverá ser tentado o desenvolvimento de um conjunto de equações semi-empíricas para estimar o valor do fator de concentração de tensões nos diferentes tipos de juntas, sob diferentes tipos de carregamentos. Do modo geral, para determinar tais equações, cada tipo de junta terá os parâmetros que governam a distribuição de tensões (diâmetros, comprimentos, espessuras, ângulos, etc.), variando em uma gama de valores. Para cada configuração são calculadas as tensões (usando a técnica de elementos finitos). Análises de regressão convenientes poderão fornecer tais equações. Tal procedimento vem sendo usado em todo mundo e procurar-se-á, a partir do já existente, avançar para procedimentos próprios.
Subsistema CONSTRU Deverão ser desenvolvidos manuais e know-how para uso no montagem, construção e manutenção de plataformas fixas. Alguns problemas, sobre os quais serão desenvolvidos procedimentos podem ser citados: - tipos, técnicas e procedimentos de soldagem, principalmente no aspecto de construção de juntas soldadas. Vantagens e desvantagens dos vários métodos. - procedimentos para reparos de estruturas offshore. O problema da soldagem sob a água. - proteção contra corrosão. Cuidados a serem tomados. Tipos de proteção. - seleção de materiais e seu tratamento. Uso de aços-liga. Alumínio. Uso de aços de alta tensão. Aço inoxidável. Seleção do concreto. - a ocorrência de fissuras em plataformas.procedimentos para evitar seu aparecimento. Previsão de sua propagação.