DIMENSIONAMENTO DA SEÇÃO MESTRA PETROLEIRO … · Tabela 5: Espessuras das chapas ... pesados,...

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1 UNIVERSIDADE DO ESTADO DO AMAZONAS ESCOLA SUPERIOR DE TECNOLOGIA ENGENHARIA NAVAL PAULO GIOVANNI DE SOUZA CARVALHO MATRÍCULA N°: 1515200587 EZEQUIAS MARTINS DE FRANCA MATRÍCULA N°: 1515200026 MATEUS MAGALHAES DE FARIAS MATRÍCULA N°: 1315200124 DIMENSIONAMENTO DA SEÇÃO MESTRA PETROLEIRO EPHESOS MANAUS AM 2017

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UNIVERSIDADE DO ESTADO DO AMAZONAS

ESCOLA SUPERIOR DE TECNOLOGIA

ENGENHARIA NAVAL

PAULO GIOVANNI DE SOUZA CARVALHO – MATRÍCULA N°: 1515200587

EZEQUIAS MARTINS DE FRANCA – MATRÍCULA N°: 1515200026

MATEUS MAGALHAES DE FARIAS – MATRÍCULA N°: 1315200124

DIMENSIONAMENTO DA SEÇÃO MESTRA – PETROLEIRO EPHESOS

MANAUS – AM

2017

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DIMENSIONAMENTO DA SEÇÃO MESTRA – PETROLEIRO EPHESOS

Trabalho apresentado como requisito parcial

para obtenção de aprovação na disciplina de

Resistência Estrutural l, no Curso de

Engenharia Naval, na Universidade do

Estado do Amazonas.

Prof. Marcelo Paiva Hermann.

MANAUS – AM

2017

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LISTA DE FIGURAS

Figura 1-Ajuste da forma do casco através de imagens em background...................................... 7

Figura 2-Modelagem final do casco........................................................................................... 7

Figura 3 - Gráfico da SAC. ....................................................................................................... 8

Figura 4 - Gráfico de Momnento Fletor (Método Analítico)..................................................... 10

Figura 5:Seção Mestra modelada em AutoCad ........................................................................ 17

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LISTA DE TABELAS

Tabela 1: Dimensões do Navio .................................................................................................. 7

Tabela 2: Pesos utilizados ......................................................................................................... 8

Tabela 3: Momentos calculados .............................................................................................. 10

Tabela 4: Espaçamento dos reforçadores ................................................................................. 11

Tabela 5: Espessuras das chapas .............................................................................................. 12

Tabela 6: Módulos de seções da ABS e usados ........................................................................ 15

Tabela 7: Dados calculados ..................................................................................................... 16

Tabela 8: Momentos em Onda................................................................................................. 16

Tabela 9: Tensão Primária (MPa) - Momento em Onda (ABS) ................................................ 17

Tabela 10: Tensão Primária (MPa) - Momento em Onda (Método Analítico)........................... 17

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SUMÁRIO

1. INTRODUÇÃO ............................................................................................................... 6

2. MODELAGEM 3D DO CASCO..................................................................................... 7

3. ESFORÇO CORTANTE E MOMENTO FLETOR ...................................................... 8

4. DIMENSIONAMENTO ESTRUTURAL ..................................................................... 10

4..1. ESPAÇAMENTO ...................................................................................................... 10

4..2. ESPESSURAS ........................................................................................................... 11

4..2.1. ESPESSURA DA CHAPA DO COSTADO E ANTEPARA LONGITIDINAL... 11

4..2.2. ESPESSURA DA CHAPA DE FUNDO ................................................................ 11

4..2.3. ESPESSURA DA CHAPA DO CONVÉNS .......................................................... 12

4..2.4. ESPESSURA CHAPA DO DUPLO FUNDO ........................................................ 12

4..2.5. ESPESSURA CHAPA DO DUPLO COSTADO .................................................. 12

4..2.6. ESPESSURA CHAPA/QUILA .............................................................................. 12

4..3. MÓDULO DA SEÇÃO DOS REFORÇADORES.................................................... 12

4..3.1. SICORDAS ............................................................................................................ 12

4..3.2. ESCOAS................................................................................................................. 13

4..3.3. LOGARINAS ......................................................................................................... 13

4..3.4. REFORÇADORES DO FUNDO........................................................................... 13

4..3.5. REFORÇADORES DE DUPLO FUNDO ............................................................. 14

4..3.6. REFORÇADORES DO CONVÉNS ..................................................................... 14

4..3.7. REFORÇADORES DO DUPLO CASTADO/COSTADO ................................... 14

4..3.8. REFORÇADORES DA ANTEPARA LONGINTUDINAL ................................. 15

5. MÓDULOS DE SEÇÕES ............................................................................................. 15

5..1. MÓDULO DE SEÇÃO REQUERIDO (ABS) .......................................................... 15

5..2. MÓDULO DE SEÇÃO MÍNIMO (ABS) .................................................................. 15

5..3. MÓDULO DA SEÇÃO DA SEÇÃO MESTRA ....................................................... 16

6. TENSÃO PRIMÁRIA ................................................................................................... 16

7. SEÇÃO MESTRA ......................................................................................................... 17

8. CONSIDERAÇÕES FINAIS ........................................................................................ 18

9. REFERÊNCIAS ............................................................................................................ 19

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1. INTRODUÇÃO

A seção mestra de um navio é essencialmente importante para o projeto inicial, pois esta

configuração da seção decorre por grande parte do comprimento da embarcação. Sendo assim,

este trabalho tem por objetivo dimensionar uma seção mestra para um petroleiro, EPHESOS, já

existente cujos dados foram obtidos a partir da revista Significant Ships 2012.

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2. MODELAGEM 3D DO CASCO

Uma vez que a tabela SAC (Section Area Curve) é necessária para estimar o momento

(de forma analítica) atuante na embarcação, tendo posse do arranjo geral, decidiu-se que

a melhor opção seria a modelagem do casco. Para tal, utilizou-se o software Delftship.

Tabela 1: Dimensões do Navio

Item Valores

Loa (m): 274,18 Lpp (m): 264,0

Draft (m): 17,15 Depth (m): 23,1

Breadth (m): 50 Block co-efficient: 0,8211

Fonte: Revista Significant Ships.

Primeiramente, gerou-se um casco genérico com as dimensões do petroleiro, depois

foram feitas modificações manuais em sua forma para se assemelhasse à um petroleiro

genérico. Feito isso, foram retiradas algumas imagens do arranjo para que fossem

utilizadas como background e modelar o casco de acordo com seu formato real, como

mostrado a seguir:

Figura 1-Ajuste da forma do casco através de imagens em background.

Fonte: autor.

Ajustadas as formas, foi-se utilizada a ferramenta Hull Transformation do software para

garantir que os coeficientes fossem iguais.

Desta forma, obteve-se o seguinte casco:

Figura 2-Modelagem final do casco.

Fonte: Autor.

Com o casco finalizado, foi-se possível extrair a tabela SAC, como mostrado a seguir:

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Figura 3 - Gráfico da SAC.

Fonte: Autor.

3. ESFORÇO CORTANTE E MOMENTO FLETOR

A partir do arranjo geral, foram-se estimadas as distribuições das cargas, oufiting,

maquinário, estrutura e superestrutura.

Para haver valores reais para a análise do momento fletor, Watson (2012) sugere as

seguintes equações para estimar os pesos:

Peso em aço do casco:

Onde:

k = 0,021 para petroleiros;

= ( + )+0,85 ( − ).

Outfit:

Onde:

Co = 0,23 para petroleiros.

Para a superestrutura, Amorim (1983) sugere a seguinte expressão:

Tabela 2: Pesos utilizados

Item Peso em toneladas

Estrutura/Aço 20860,971 Outfiting 3036,00

Superestrutura 275,368 Carga 164730,00

Máquinas 2147,661 Fonte: autor

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O cálculo da flutuação foi feita através da seguinte expressão:

Onde, para águas calmas:

Para ondas de Tosamento e Alquebramento, respectivamente (em relação ao sinal do

cosseno):

Como uma forma de colocar uma condição de contorno, utilizou-se a função “SE” do

Excel para que o T(x) ficasse somente entre 0 e pontal, pois para outros valores não

haveria significado físico.

Após a distribuição dos pesos, calculou-se o esforço cortante, momento fletor, LCG e

LCB de acordo com as seguintes expressões, respectivamente:

A fim de respeitar as condições de equilíbrio foi-se necessário utilizar a ferramenta

“Teste de hipóteses do Excel” e realizar diversas iterações para fazer com que a

diferença Peso – Flutuação atingisse zero variando o Calado médio e, alternadamente,

fazendo com que a diferença LCG-LCB atingisse zero variando o ângulo de trim até que

estes valores convergissem e a curva de Esforço cortante e momento fletor zerassem nas

extremidades, uma vez que a embarcação é considerada uma viga livre-livre. As

condições de equilíbrio são mostradas a seguir:

Assim, foram obtidas as seguintes curvas de momento fletor:

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Figura 4 - Gráfico de Momento Fletor (Método Analítico).

Fonte: Autor.

O memorial de cálculo se encontra na planilha eletrônica

“EPHESOS_PARTE_1_MOMENTO”.

Tabela 3: Momentos calculados

Momentos Valor em kN.m

Águas calmas (Analítico) -1103536,906 Tasamento (Analítico) -6305015,701

Alquebramento (Analítico) 7995937,189 Tasamento (ABS) -7241262,177

Alquebramento (ABS) 4615707,096 Fonte: autor

4. DIMENSIONAMENTO ESTRUTURAL

O dimensionamento estrutural foi feito de acordo com as regras da ABS (American

Bureau of Shipping) como base de cálculo dos espaçamentos entre reforçadores leves e

pesados, espessuras das chapas e os módulos de secções mínimas dos reforçadores e da

seção mestra.

4..1. ESPAÇAMENTO

A ABS não estipula um valor para os espaçamentos entre cavernas gigantes, longarinas

e sicordas, porém de acordo com as notas de aula usa-se um valor múltiplo do

espaçamento entre cavernas. Segundo a ABS 3-2-5/1.7 pode se estimar

espaçamentos para reforçadores leves definidos foram:

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Tabela 4: Espaçamento dos reforçadores

Item Valores Unidade

Espaçamento entre Cavernas Gigantes 5000 Mm

Espaçamento entre reforçadores pesados do fundo e costado. 5000 Mm Espaçamento entre longitudinais do fundo e costado 1000 Mm

Espaçamento entre longitudinais do convés 850 Mm Anteparas 34500

Mm

Fonte: Autor

As distâncias entre fundo e duplo fundo, costado e duplo costado foram calculados de

acordo com as regras da CSR.

Altura do Duplo Fundo:

Largura do Duplo Costado:

4..2. ESPESSURAS

4..2.1. ESPESSURA DA CHAPA DO COSTADO E ANTEPARA

LONGITIDINAL

Segundo a ABS 3-2-2/3.9, o valor mínimo da chapa de costado é dito pela a fórmula:

4..2.2. ESPESSURA DA CHAPA DE FUNDO

Segundo a ABS 3-2-2/3.13 espessura da chapa do fundo não pode menor ser menor

que:

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4..2.3. ESPESSURA DA CHAPA DO CONVÉNS

Segundo a ABS 3-2-3/5.1, a chapa do convés não pode ser menor que:

4..2.4. ESPESSURA CHAPA DO DUPLO FUNDO

Segundo a ABS 3-2-4/9.1 a espessura do duplo fundo não deve ser menor que:

4..2.5. ESPESSURA CHAPA DO DUPLO COSTADO

Segundo a ABS 3-2-2/3.9, o valor mínimo da chapa de duplo costado é dito pela

formula:

4..2.6. ESPESSURA CHAPA/QUILA

Segundo a ABS 3-2-2/3.15 a espessura da chapa quilha é deve ser a soma da espessura

utilizada no fundo mais 1,5 mm.

Tabela 5: Espessuras das chapas

Chapa Espessura Unidade

Convés: 19 Mm Costado: 23,3 Mm

Duplo Costado: 23,3 Mm Fundo: 26,34 Mm Duplo Fundo: 17,7 Mm Antepara Longitudinal: 23,3 Mm

Fonte: Autor

Com as espessuras mínimas calculadas, o mais viável seria utilizar espessuras de chapas

comercias.

4..3. MÓDULO DA SEÇÃO DOS REFORÇADORES

4..3.1. SICORDAS

Segundo a ABS 3-2-8/5.3, módulo seção mínimo é:

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Onde:

c = 1

b = Espaçamento entre sicordas em metros

h = 2.9 segundo a ABS 3-2-7/Table 1

l = Espaçamento entre gigantes em metros

4..3.2. ESCOAS

Segundo a ABS 3-2-6/5.1, é:

Onde:

c = 1.5

h = 2D/3, com D em metros

s = Espaçamento entre escoas em metros

l = Espaçamento entre cavernas gigantes em metros

4..3.3. LOGARINAS

Segundo a ABS 3-2-4/11.3, é:

Onde:

c = 1.3

h = 2D/3, com D em metros

s = Espaçamento entre logarinas em metros

l = Espaçamento entre antepara transversal em metros

4..3.4. REFORÇADORES DO FUNDO

Segundo a ABS 3-2-4/11.3, mínimo dos reforçadores do fundo é:

Onde:

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c = 1.3

h = 2D/3, com D em metros

s = Espaçamento entre longitudinais em metros

l = Espaçamento entre cavernas gigantes em metros

4..3.5. REFORÇADORES DE DUPLO FUNDO

Segundo a ABS 3-2-4/11.5, O módulo de seção mínimo dos reforçadores do duplo

fundo é 85% do SM do fundo.

4..3.6. REFORÇADORES DO CONVÉNS

Segundo a ABS 3-2-7/3.1,módulo mínimo de seção é:

Onde:

c = 0,3 para o caso em questão

h = segundo a ABS 3-2-7/Table 1

s = Espaçamento entre longitudinais de convés em metros

l = Espaçamento entre cavernas gigantes em metros

4..3.7. REFORÇADORES DO DUPLO CASTADO/COSTADO

Segundo a ABS 3-2-5/3.17, o módulo de seção dos reforçadores do duplo costado e

do costado não deve ser menor que:

Onde:

c = 0.95

h= 0.75 vezes a distância do reforçador mais próximo ao bojo até o convés em m

s = Espaçamento entre longitudinais do costado em metros

l = Espaçamento entre cavernas gigantes em metros.

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4..3.8. REFORÇADORES DA ANTEPARA LONGINTUDINAL

Os módulos mínimo de seção para a antepara longitudinal será igual a dos reforçadores

do duplo costado e costado ,logo segundo a ABS 3-2-5/3.17.

Tabela 6: Módulos de seções da ABS e usados

Reforçador SM pela ABS SM usado Unidade

Sicordas 69535 69655,3 cm³ Escoas 592387,43 246974,3 cm³ Longarinas 965530,8 198979,5 cm³

Fundo 3447,6 3471,2 cm³ Duplo fundo 2930,46 3384,8 cm³ Costado e Duplo Costado 2593,5 2657,2 cm³ Convéns 144,2025 1466,7 cm³ Antepara Longitudinal 2593,5 2693,3 cm³

Fonte: autor

5. MÓDULOS DE SEÇÂO

5..1. MÓDULO DE SEÇÃO REQUERIDO (ABS)

Segundo a ABS 3-2-1 / 3.7.1 (a) o módulo de seção requerida da seção mestra a 0,4L da viga navio é maior valor da seguinte equação ou 3-2-1 / 3.7.1 (b):

Onde: Mt = momento de flexão total , Mt=Msw+Mw 3-2-1/3.3 e 3-2-1/3.5.1

fp = tensão de flexão admissível = 17.5 kN/cm2

5..2. MÓDULO DE SEÇÃO MÍNIMO (ABS)

Segundo a ABS 3-2-1 / 3.7.1 (b) o módulo de seção da viga navio no meio não deve ser

menor ao obtido a seguinte equação:

Onde:

C1 = definido na 3-2-1/3.5 na ABS

C2 = 0.01 (0.01, 1.44 × 10^(-4))

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5..3. MÓDULO DA SEÇÃO DA SEÇÃO MESTRA

Com o dimensionamento preliminar dos elementos estruturais, pode calcular o SM da

seção mestra do navio EPHESOS. Os cálculos foram feitos em planilha eletrônica onde

foram listados os elementos que influenciam na tensão primaria, com suas respectivas

dimensões e localização. Com estes dados se extraiu o somatório dos momentos de

inércia e a posição da linha neutra da seção mestra, sendo assim, a divisão destes obtêm-

se o SM da seção metra. Todos os cálculos e resultados listados a seguir esta na planilha

eletrônica “EPHESOS_PARTE_2_SMs” .

Tabela 7: Dados calculados

Item Valores Unidade

Módulo de Seção Mínimo (ABS) 563234,0457 cm2*m Módulo de Seção Requerido (ABS) 456910,6965 cm2*m Módulo de Seção da Seção Mestra 623496,6344 cm2*m Linha Neutra 11,55 m Momento de Inércia Total 720,325 m4

Fonte: Autor

6. TENSÃO PRIMÁRIA

Com o módulo de seção e o momento máximo sofrido pela vigar calculou a tensão

primária pela a fórmula a seguir:

onde:

Mmáx=momento máximo

Z=distância para a linha neutra

I=Momento de Inércia total

SM=Módulo de seção da Seção Mestra

Tabela 8: Momentos em Onda

ABS (kN.m) Analítico (kN.m) Diferença (%)

Tosamento -7241262,177 -6305015,701 0,148492331 Alquebramento 4615707,096 7995937,189 0,732332018

Fonte: autor

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Tabela 9: Tensão Primária (MPa) - Momento em Onda (ABS)

Convés Fundo Duplo Fundo

Águas Calmas -17,70 17,69 14,63 Tosamento -116,14 116,08 95,97 Alquebramento 74,03 -73,99 -61,18

Fonte: autor

Tabela 10: Tensão Primária (MPa) - Momento em Onda (Método Analítico)

Convés Fundo Duplo Fundo

Águas Calmas -17,70 17,69 14,63 Tosamento -101,12 101,07 83,57 Alquebramento 128,24 -128,18 -105,98

Fonte: autor

7. SEÇÃO MESTRA

Figura 5:Seção Mestra modelada em AutoCad

Fonte: autor

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8. CONSIDERAÇÕES FINAIS

Com base nas notas de aulas e no levantamento bibliográfico realizado, foi possível

fazer os cálculos para dimensionamento preliminar de uma seção mestra e analisar a

tensão primária.

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9. REFERÊNCIAS

American Bureau of Shipping (ABS) – “American Bureau of Shipping. Hull

Construction and Equipment. Rules for Building and Classing - Steel Vessels, Part

3, February 2016”, – Novembro de 2017.

WATSON, David GM. Practical ship design. Gulf Professional Publishing, 2002.