ANLISE DA RESISTNCIA DE MEMBROS ESTRUTURAIS DE PLATAFORMAS OFFSHORE DURANTE INCNDIOS

LORENA NOGUEIRA

PROJETO DE FIM DE CURSO APRESENTADO AO CORPO DOCENTE DO

DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA NAVAL DA UNIVERSIDADE FEDERAL

DO RIO DE JANEIRO COMO PARTE DOS REQUISITOS NECESSRIOS

PARA A OBTENO DO GRAU DE ENGENHEIRO NAVAL.

Aprovada por:

__________________________________________

Prof. Julio Csar Ramalho Cyrino, D.sc.

__________________________________________

Prof. Alexandre Teixeira de Pinho Alho, D.Sc.

__________________________________________

Prof. Murilo Augusto Vaz, Ph.D.

__________________________________________

Prof. Peter Kaleff, Dr. Ing.

RIO DE JANEIRO, RJ BRASIL

JANEIRO DE 2007

AGRADECIMENTOS

Agradeo a ANP (Agncia Nacional do Petrleo) por ter proporcionado a

oportunidade de realizar o presente estudo.

Aos professores Julio Csar Ramalho Cyrino e Alexandre T. P. Alho pela

paciente orientao ao longo do desenvolvimento trabalho.

minha famlia, em especial aos meus avs, que sempre estiveram ao

meu lado nas horas difceis dando apoio, incentivo e sempre me ensinando que

o bem mais valioso na vida a educao.

Ao meu namorado Alex Pereira da Silva, um maravilhoso companheiro

fora e dentro da faculdade, que sempre esteve ao meu lado ajudando-me a

tomar decises corretas e inteligentes durante a minha vida acadmica e

pessoal.

II

Resumo do projeto apresentado ao corpo docente do departamento de

Engenharia Naval da Universidade Federal do Rio de Janeiro como parte dos

requisitos necessrios obteno do grau de Engenheiro Naval.

ANLISE DA RESISTNCIA DE MEMBROS ESTRUTURAIS DE PLATAFORMAS OFFSHORE DURANTE INCNDIOS

Lorena Nogueira

Janeiro, 2007

Orientadores: Jlio Csar Ramalho Cyrino e Alexandre T. P. Alho

Programa: Engenharia Naval

O presente trabalho visa determinao da degradao da resistncia de

membros estruturais tpicos de plataformas offshore devido ao aumento da

temperatura provocada por cenrios de incndio. Almeja-se aplicar

procedimentos racionais para o estudo do problema, utilizando-se ferramentas

mais modernas e avanadas, nas quais os principais parmetros do fenmeno

sejam modelados descrevendo os processos fsicos envolvidos.

A perspectiva de tratar o problema de forma mais realstica, exigiu que o

processo de combusto fosse simulado com base na real quantidade de material

combustvel, suprimento de ar, ventilao e etc. Atravs da utilizao da planilha

para estimativa de fluxo de calor da Comisso Reguladora Nuclear Norte

Americana [1] e de formulaes empricas das caractersticas das chamas,

foram obtidos os parmetros necessrios simulao computacional de fluidos

simplificada atravs do programa Ansys CFX para a determinao do campo

de temperaturas provenientes do incndio. Posteriormente esses dados foram

utilizados como parmetros de entrada para a anlise do comportamento da

estrutura sob carregamentos mecnicos e trmicos.

III

NDICE

CAPTULO 1 - INTRODUO 1.1 MOTIVAO E HISTRICO ----------------------------------------------------------- 01

1.2 TIPOS DE PROTEO ------------------------------------------------------------------ 03

1.3 CRITRIOS DE UTILIZAO -----------------------------------------------.---------- 04

1.4 ORGANIZAO DO POJETO --------------------------------------------------------- 05

CAPTULO 2 MODELOS DE CHAMA

2.1 PROCESSO DE COMBUSTO ------------------------------------------------------- 06

2.1.1 - CURVA TEMPO-TEMPERATURA CONFORME ISO 834 ----------- 08

2.1.2 - CURVAS TEMPERATURA-TEMPO CONFORME

O EUROCDIGO --------------------------------------------------------------------------------- 08

2.2 TIPOS DE CHAMA ------------------------------------------------------------------------ 09

2.2.1 POOL FIRE ---------------------------------------------------------------------- 11

2.2.1.1 DIMETRO DA CHAMA ------------------------------------------ 11

2.2.1.2 - QUANTIDADE DE CALOR EMITIDA ---------------------------12

2.2.1.3 ALTURA DA CHAMA ---------------------------------------------- 13

CAPTULO 3 CARACTERIZAO DO MATERIAL A TEMPERATURAS ELEVADAS

3.1 INTRODUO ----------------------------------------------------------------------------- 15

3.2 CALOR ESPECFICO -------------------------------------------------------------------- 16

3.3 CONDUTIVIDADE TRMICA ---------------------------------------------------------- 17

3.4 - VARIAO DAS PROPRIEDADES MECNICAS COM

A TEMPERATURA -------------------------------------------------------------------------------- 18

3.4.1 COEFICIENTE DE DILATAO TRMICA ----------------------------- 23

3.4.2 TENSO DE ESCOAMENTO ----------------------------------------------- 24

3.4.3 MDULO DE ELASTICIDADE --------------------------------------------- 26

CAPTULO 4 DESCRIO DO MODELO ESTRUTURAL

4.1 MDULO DE SEPARAO E TRATAMENTO ----------------------------------- 28

4.2 LOCALIZAO DO MDULO --------------------------------------------------------- 29

4.3 MDULO DE SEPARAO E TRATAMENTO ----------------------------------- 30

4.4 CARREGAMENTOS MECNICOS --------------------------------------------------- 31

4.5 MATERIAIS ESTRUTURAIS ----------------------------------------------------------- 34

4.5.1 CHAPAS E PERFIS ----------------------------------------------------------- 34

4.5.2 PROPRIEDADES GLOBAIS ------------------------------------------------ 34

CAPTULO 5 - DETERMINAO DA TEMPERATURA RESULTANTE DO INCNDIO

5.1 MECANISMOS DE TRANSFERNCIA DE CALOR ------------------------------ 35

5.1.1 CONDUO --------------------------------------------------------------------- 35

5.1.2 CONVECO ------------------------------------------------------------------- 36

5.1.3 RADIAO ----------------------------------------------------------------------- 37

5.2 DETERMINAO DO CALOR INCIDENTE ---------------------------------------- 38

5.3 - DETERMINAO DO CAMPO TRMICO APLICADO ESTRUTURA ---- 40

5.4 RESULTADOS OBTIDOS --------------------------------------------------------------- 41

CAPTULO 6 ANLISE ESTRUTURAL

6.1 INTRODUO ----------------------------------------------------------------------------- 45

6.2 CRITRIOS DE COLAPSO ------------------------------------------------------------- 45

6.3 MODELAO EM ELEMENTOS FINITOS ----------------------------------------- 46

6.3.1 PROPRIEDADES DO MATERIAL ----------------------------------------- 46

6.3.2 GEOMETRIA DA ESTRUTURA -------------------------------------------- 48

6.3.3 CONDIES DE CONTORNO --------------------------------------------- 50

6.4 TENSES MECNICAS ATUANTES NA ESTRUTURA ----------------------- 51

6.5 RESULTADOS OBTIDOS --------------------------------------------------------------- 53

CAPTULO 7 CONCLUSO ----------------------------------------------------------------- 58

CAPTULO 8 REFERNCIAS BIBLIOGRAFICAS ------------------------------------ 59

1

CAPTULO 1 - INTRODUO

1.1 MOTIVAO E HISTRICO

A explorao e a produo de petrleo representam um papel de destaque

no cenrio mundial. O preo do petrleo em alta no mercado, atrai investimentos

para essa rea, merecendo destaque produo e explorao de petrleo em

guas profundas. Tal cenrio vem propiciando um aumento significativo na

demanda de estruturas que sejam capazes de suprir essa necessidade que reflete

a conjuntura atual. Dentre essas, pode-se citar semi-submersveis, FSOs (Floating

Storage and Offloading), FPSOs (Floating Production Storage and Offloading) e

SPARs.

A grande parte das pesquisas e estudos desenvolvidos na rea de

estruturas offshore concentra-se nas atividades relativas a aspectos estruturais e

segurana das instalaes. As principais linhas de pesquisa relacionam-se a

tpicos como carregamentos, anlise de fadiga, interao fluido-estrutura,

melhoria das tcnicas de fabricao, inspeo e outros, de forma a garantir

confiabilidade e otimizao da estrutura.

Como resultados dessas pesquisas, as instalaes offshore atualmente

podem suportar grandes ondas, abalos ssmicos, choques de embarcao e

intensos ventos, dentre outros, mantendo sua integridade. No entanto, desastres

recentes tm evidenciado a severidade das conseqncias de grandes incndios,

em locais onde tais eventos no foram devidamente preparados.

Os numerosos casos de incidentes tm influenciado direta e indiretamente

em mudanas significativas na legislao de segurana contra incndio, alm de

proporcionar a criao de novas premissas. Dentre os acidentes de grandes

repercusses, pode-se citar o ocorrido na plataforma Piper Alpha no mar do norte,

em 1988. Tal incidente ocasionou a morte de 167 pessoas e resultou na

transferncia de responsabilidade da rea de segurana offshore, anteriormente

2

do departamento de energia, para o departamento executivo de sade e

segurana, alm de introduzir novos requerimentos de segurana em todas as

instalaes offshore.

Segundo Mendes [2], a Figura 1.1 evidencia que as pesquisas realizadas

nas reas relativas a aspectos intrinsecamente ligados ao comportamento

estrutural dos projetos de plataformas offshore, tais como fadiga, cargas atuantes,

choques, trincas e outras, permitiram reduzir sensivelmente a participao destes

fatores nas causas de acidentes.

Acidentes com Plataformas Offshore Fixas

33%

28%

14% 3%

2%4%

10%

2%

4%

Incndio

Blowout

Rebocamento

Fadiga

Coliso

Atracao

Projeto

Outros

Guerras

Figura 1.1 Acidentes com Plataformas Offshore Fixas

Em contra partida, a Figura 1.1 permite constatar que a maior parte dos

acidentes, respondendo por mais de 35% do total, deve-se a incndios. Portanto,

reduzir 50% dos danos causados por incndios proporcionaria uma reduo de

quase 20% de todos os acidentes com plataformas. Deve-se ressaltar que

nenhuma outra causa permite obter um percentual to elevado em retorno de

benefcios.

3

Apesar destes fatos, poucos trabalhos so desenvolvidos tanto na rea de

incndios de plataformas martimas ou mesmo em estruturas civis. Na maioria das

vezes estes estudos caracterizam-se por sua simplicidade, no conduzindo a

resultados prticos e confiveis.

De acordo com Holmas e Amdahl [3], os procedimentos convencionais de

projeto consistem em projetar a estrutura apenas para os carregamentos

referentes estrutura fria, ou seja, so levados em considerao apenas os

diferentes carregamentos mecnicos. Posteriormente, o desempenho da estrutura

avaliado pelo departamento de segurana, que em sua maioria possui a filosofia

de que o nico meio de proteger a estrutura contra incndios utilizando proteo

passiva.

1.2 TIPOS DE PROTEO

A segurana contra incndio obtida pela integrao dos sistemas de

proteo ativa e passiva. A proteo ativa constituda por meios (equipamentos

e sistemas) que precisam ser acionados, quer manual ou automaticamente, para

funcionar em situao de incndio. Ela visa rpida deteco do incndio, o alerta

dos tripulantes para a desocupao e s aes de combate com segurana. So

exemplos de meios de proteo ativa (PA): sistema de alarme manual de incndio

(botoeiras); meios de deteco e alarme automticos de incndio (detectores de

fumaa, temperatura, raios infravermelhos, etc., ligados a alarmes automticos);

sistemas de gua de dilvio, de gs carbnico, de Halon, de espuma, (sprinklers),

sistema de iluminao de emergncia, sistemas de controle e exausto da

fumaa, etc.

Por sua vez, a proteo passiva (PP) contra incndio constituda por

meios de proteo incorporados construo da estrutura, os quais no requerem

nenhum tipo de acionamento para o seu funcionamento em situao de incndio.

Ao contrrio da proteo ativa que visa extinguir o incndio, os objetivos bsicos

4

da proteo passiva so a compartimentao e o confinamento do sinistro,

evitando sua propagao e mantendo a estabilidade estrutural por um tempo

determinado.

1.3 CRITRIOS DE UTILIZAO

No caso especfico de plataformas offshore, as exigncias relativas

proteo contra incndios so significativamente mais severas. O grande volume

de fluidos inflamveis (leo e gs) passando atravs das instalaes possui um

grande potencial para incndios. As plantas e equipamentos de processos so

suportados por estruturas metlicas, que caso sofram colapso, podem resultar em

conseqncias irreversveis.

Os cenrios de incndios utilizados como parmetros de projeto so

limitados a incndios padronizados (200 kW/m), que assumem que todos os

membros estruturais so expostos do incio at o final do incndio. Os requisitos

de proteo so expressos em termos da temperatura mxima permitida aps um

determinado tempo decorrido, por exemplo, 400C aps uma hora. As espessuras

necessrias de proteo passiva so retiradas de tabelas que levam em

considerao a superfcie, exposio ao fogo, temperatura mxima suportada

pela estrutura e a durao do incndio.

Uma das conseqncias de se utilizar critrios de temperatura para a

determinao de proteo passiva contra incndio que os menores

componentes estruturais tero as maiores espessuras de proteo. Dessa forma,

pode-se afirmar que esses critrios so, em sua maioria, extremamente

conservadoras, fazendo com que os gastos com proteo contra incndios sejam

muito elevados. A melhor forma de se reduzir custos referentes ao excesso de

proteo passiva contra incndio a incluso de anlises de incndios durante os

estgios de projeto, resultando em estruturas mais resistentes.

5

1.4 ORGANIZAO DO PROJETO No captulo 2 encontra-se uma caracterizao dos modelos de chamas

comuns em cenrios de incndios e do processo de combusto. So discutidas as

curvas padro de incndios utilizadas como parmetros de projeto, os tipos de

chama, a determinao das dimenses da chama e a quantidade de calor emitida.

No captulo 3 descrita a caracterizao dos materiais a temperaturas

elevadas atravs do Eurocdigo. Sero apresentadas as formulaes que regem o

comportamento do material e de que forma eles contribuem de forma decisiva

para a degradao da estrutura.

A estrutura onde foi simulado o incndio apresentada no captulo 4. A

motivao para a escolha efetuada tambm ser discutida, assim como suas

principais caractersticas, sua localizao na plataforma, o tipo de ao constituinte

da estrutura e suas propriedades.

A determinao da temperatura resultante do incndio so apresentados e

discutidos no captulo 5. Os principais mecanismos de transferncia de calor

presentes como a conduo, radiao e conveco so descritos nesse captulo.

Os procedimentos para a determinao do calor incidente na nos membros

estruturais para que se obtenha a resposta esttica da estrutura sob

carregamentos trmicos e mecnicos e os resultados obtidos tambm esto

presentes neste captulo.

No captulo 6 so apresentados os critrios de colapso da estrutura, os

procedimentos utilizados para a modelao em elementos finitos e a anlise das

tenses atuantes na estrutura, submetida tanto s cargas mecnicas quanto

trmicas.

6

CAPTULO 2 MODELOS DE CHAMA 2.1 PROCESSO DE COMBUSTO

Para que um incndio ocorra so necessrios trs elementos bsicos: uma

fonte de combustvel, uma fonte de oxignio (normalmente o ar) e uma fonte de

ignio. Todos os elementos citados so necessrios para manter uma chama.

Dessa forma, o combate a um incndio baseia-se na remoo de um dos trs

elementos como, por exemplo, os incndios provenientes de queima de

hidrocarbonetos que so extintos pelo isolamento da fonte de combustvel e

permitindo que ele se consuma at o fim.

O processo de combusto uma srie de reaes qumicas entre o

combustvel e o oxignio, liberando calor e energia. A superfcie do combustvel

aquecida pela radiao trmica e esfriada pela conduo em seu interior. As

maiores temperaturas so alcanadas na superfcie da chama, e medida que se

aproxima do interior da chama, esta apresenta temperaturas mais baixas, Koseki,

Natsume e Iwata [4].

Posteriormente, ocorre a formao de fumaa que emerge da superfcie da

chama. A chama a parte visvel das reaes dos gases e ambos so irradiados

de volta para o combustvel que ainda no sofreu combusto, no entanto, essa

irradiao dos prprios produtos da combusto, faz com que o combustvel se

aquea e a chama se espalhe. Esse processo de troca de energia pode ser

ilustrado atravs da Figura 2.1.

7

Figura 2.1 Caractersticas da Chama

O processo de combusto pode se mostrar mais ou menos severo de

acordo com os parmetros envolvidos. O confinamento da chama, as condies

ambientais, a quantidade de combustvel envolvida, dentre outros, pode ou no

agravar ainda mais a situao. No entanto, se forem mantidas as mesmas

condies citadas anteriormente para vrios tipos de combustvel e as

temperaturas provenientes dos incndios forem avaliadas, pode-se observar que

as temperaturas alcanadas e a rapidez com a qual esse processo de combusto

ocorre para incndios com hidrocarbonetos muito superior s outras. Pode-se

observar tal fato atravs das curvas de incndio padro.

Denomina-se incndio padro, o modelo de incndio para o qual se admite

que a temperatura dos gases do ambiente em chamas respeite as curvas

padronizadas para ensaio. A caracterstica principal desta famlia de curvas a de

possuir apenas um ramo ascendente, admitindo, portanto, que a temperatura dos

8

gases sempre crescente com o tempo e, alm disso, independente das

caractersticas do ambiente e da quantidade de material combustvel.

importante estar claro que essa curva no representa um incndio real.

Quaisquer concluses que tenham por base essa curva devem ser analisadas

com cuidado, pois no correspondem ao comportamento real do incndio ou das

estruturas expostas ao fogo. Por simplicidade comum associar-se a curva-

padro h tempos fictcios com a finalidade de fornecer parmetros de projeto. As

curvas padronizadas mais utilizadas sero apresentadas a seguir, Figura 2.2.

2.1.1 - CURVA TEMPO-TEMPERATURA CONFORME ISO 834

A International Organization for Standardization por meio da norma ISO 834

(1975) "Fire-resistance tests - Elements of building construction" recomenda a

seguinte relao temperatura-tempo:

sendo:

g - temperatura dos gases no ambiente em chamas ( C); g,o - temperatura dos gases no instante t = 0, geralmente admitida 20 C t - tempo (min).

2.1.2 - CURVAS TEMPERATURA-TEMPO CONFORME O EUROCDIGO

O EUROCODE 1 (1995) apresenta as seguintes curvas temperatura-tempo

dos gases quentes:

a) curva padronizada para incndio em ambientes com material combustvel

formado predominantemente por materiais celulsicos: a mesma curva ISO 834.

C

9

b) curva padronizada para incndio em ambientes com material combustvel

formado por hidrocarbonetos.

g = 1080 (1 - 0,33 e-0,17 t - 0,68 e-2,50 t ) + 20

sendo:

t - tempo (min).

Figura 2.2 Curva Padro para Material Combustvel Formado por Hidrocarbonetos

2.2 TIPOS DE CHAMA

Segundo Pula, Khan, Veitch e Amyotte [5], uma plataforma de leo e gs

normalmente dividida em vrios mdulos de operao como o de separao, o de

injeo de gua, de compresso a altas presses alm de salas de controle

eltrico e acomodaes. A maioria desses mdulos so muito congestionados

pela presena de dutos ou outros equipamentos necessrios aos processos de

operaes. O risco sob tais condies extremamente alto.

C

10

Dessa forma, quando se deseja analisar quantitativamente um dado

incndio, deve-se ter modelos de chama que permitam estudar com preciso este

evento. Sero apresentadas a seguir, as principais caractersticas que podem ser

observadas em incndios em plataformas offshore, os fatores que influenciam em

sua intensidade e modelos e equaes matemticas que podem ser utilizados.

H basicamente quatro tipos distintos de chama:

i) Pool Fire ocorre quando a chama desenvolve-se a partir de

combustveis depositados na forma de poas sobre uma dada superfcie;

ii) Jet Fires ocorre quando a chama desenvolve-se a partir de um jato de

combustvel, liberado com velocidade maior que zero, a partir de um recipiente

pressurizado;

iii) Fireball ocorre quando a chama desenvolve-se rapidamente em uma

nuvem de combustvel, propagando-se na forma de esferas crescentes. Estes

possuem curta durao, da ordem de poucos segundos, durante os quais uma

frao da energia de combusto irradiada como energia trmica para a

vizinhana;

iv) Nuvem de Vapor ocorre quando uma nuvem de combustvel

espalhada, geralmente pelo vento, e ao ocorrer a ignio, a chama propaga-se

atravs de um caminho definido. Difere da fireball por ser uma chama com frente

de propagao definida, normalmente de maior durao e menos intensa.

Levando-se em considerao que a maioria dos acidentes decorrentes de

vazamento de combustveis lquidos originam incndios na forma de pool fire,

modelo de chama de interesse deste trabalho, sero apresentadas a seguir

apenas as caractersticas deste tipo de chama.

11

2.2.1 POOL FIRE

O Pool Fire normalmente apresenta-se sob forma de poa elevando-se

acima de uma determinada superfcie, onde previamente depositou-se (ou

encontra-se em processo de deposio) o combustvel. A tendncia a

verticalizao e a altura atingida neste tipo de chama devem-se a vrios fatores,

dentre os quais a forma de entrada do ar, a gaseificao do combustvel, o

aquecimento dos gases gerados na combusto e a energia cintica da fuligem. As

dimenses laterais (dimetro ou profundidade e largura) dependero do tamanho

da poa (rea de espalhamento) formada e das caractersticas do combustvel.

As chamas podem ser descritas atravs de vrias formas geomtricas

simples, como pontos (chama pontual), cilindros, cones, dentre outros. Embora a

chama no mantenha forma estvel ao longo do processo de queima,

apresentado muitas vezes pulsos, a adoo destas formas geomtricas simplifica

o processo de clculo dos fatores geomtricos que governam o processo de troca

de calor.

Em funo da complexidade das variveis envolvidas, no h modelos

puramente tericos para prever as dimenses da chama. O que existe so

equaes e correlaes baseadas em resultados experimentais que permitem

prever estas caractersticas.

2.2.1.1 DIMETRO DA CHAMA A poa circular ou perto de circular e contm um valor fixo de massa ou volume de combustvel inflamvel. Uma massa ou volume proveniente de

qualquer derramamento com uma circunferncia no circular deve ser aproximada

para uma forma circular. O dimetro equivalente do pool fire ser dado pela

equao 1.

12

fAD

4=

Onde;

fA a rea da poa no circular.

2.2.1.2 - QUANTIDADE DE CALOR EMITIDA Uma vez definido o dimetro da chama, torna-se necessrio determinar a quantidade de calor irradiada por esta, que ser responsvel pelo aquecimento da

estrutura. Esta determinao feita atravs de equaes, normalmente obtidas

atravs de correlaes experimentais, que dependem do combustvel, dimenses

da chama, condies ambientais, tipo de ambiente, dentre outros.

H vrios modelos para determinar esta quantidade, sendo que o adotado

nesse trabalho utiliza a formulao obtida atravs de testes experimentais de

queima de vrios matriais. Dessa forma, se a rea do combustvel e o calor

efetivo da combusto so conhecidos, a equao 2 pode ser escrita da seguinte

forma;

)1(m ,..

Dkfeffc eAHQ

=

onde;

.Q o calor liberado (kW);

.

m a taxa de queima ( skg

2m );

fA a rea horizontal de combustvel (2m );

k uma constante emprica ( 1m ); D o dimetro da rea de queima;

(1)

(2)

13

effcH , o calor efetivo de combusto ( kgkJ ). 2.2.1.3 ALTURA DA CHAMA Estudos definem altura de chama como a altura que esta possui por mais

de 50% do tempo [6] durante a queima. Esta um indicador da severidade de um

acidente que pode ser causado por uma chama. O valor de altura est

diretamente relacionado transferncia de calor e a propenso dessa chama

avariar objetos ao seu redor, alm de possuir grande importncia para a estimativa

da ignio de combustveis.

Acima da fonte de combustvel, a regio de queima caracterizada por

altas temperaturas e pela fonte luminosa. Uma camada de gases a altas

temperaturas encobre a chama, possibilitando que a temperatura, a velocidade e a

largura dessa camada comecem a variar medida que esta se espalha. Dessa

forma, a altura da chama utilizada como critrio para definir e correlacionar

outros parmetros da chama.

Para se quantificar essa importante caracterstica da chama, pode-se

utilizar duas correlaes conhecidas na literatura para a determinao da altura da

chama de pool fire. Essas correlaes esto descritas pelas equaes 3a e 3b

respectivamente.

DQH f 02.1235.05/2. =

Onde;

fH a altura da chama;

.Q o calor liberado (kW);

D o dimetro da rea de queima;

(3a)

14

61.0.

m42

=

gDDH

af

Onde;

fH a altura da chama;

.

m a taxa de queima ( skg

2m );

D o dimetro da rea de queima;

a a densidade do ar ( mkg );

g a acelerao gravitacional ( skg ).

(3b)

15

CAPTULO 3 CARACTERIZAO DO MATERIAL A TEMPERATURAS ELEVADAS

3.1 INTRODUO

O comportamento estrutural ao fogo depende de vrias variveis. Estas

incluem a degradao das propriedades mecnicas a temperaturas elevadas e a

rigidez da estrutura na regio onde ocorre o incndio. Dependendo da magnitude

das temperaturas, as propriedades mecnicas podem ser degradadas de tal forma

que as tenses provenientes da dilatao trmica podem colapsar a estrutura.

O clculo da temperatura de um elemento estrutural sem proteo passiva,

sujeita a uma situao de incndio, envolve os diversos mecanismos de

transferncia de calor que sero descritos no prximo captulo. Em alternativa ao

mtodo de clculo simplificado apresentado, como as curvas padro de incndio,

podem ser utilizados mtodos de clculo avanados.

Um dos mtodos a modelao numrica (por elementos finitos) do

elemento estrutural em estudo, utilizando leis constitutivas do comportamento

material, em que necessrio o conhecimento das propriedades trmicas e

mecnicas do mesmo em funo da temperatura.

O mtodo de dimensionamento preconizado pelo Eurocdigo 3 Parte 1.2 [7],

em situao de incndio semelhante ao utilizado temperatura ambiente.

Contudo, a capacidade de carga modificada, sendo utilizados fatores de reduo

do mdulo de elasticidade e da tenso de escoamento do ao, para contabilizar a

perda de resistncia a temperaturas elevadas.

As propriedades trmicas e mecnicas do ao so apresentadas no

Eurocdigo 3 parte 1.2 e no Eurocdigo 3 parte 1.1, sendo consideradas como

valores caractersticos. Os valores de clculo das propriedades trmicas em

16

situao de incndio so expressos a partir de expresses que levam em

considerao a variao das propriedades em funo da temperatura.

3.2 CALOR ESPECFICO

O calor especfico, ca [J/kgK], de um material representa sua capacidade

para armazenar calor ou energia. Quantitativamente, a energia necessria para

elevar em um grau um kilograma de material.

O calor especfico uma das propriedades trmicas do ao cuja variao

com a temperatura mais acentuada. Segundo o Eurocdigo 3 Parte 1.2, a

variao com a temperatura dada pela equao 4.

3623 1022.21069.1773.0425 aaaa xxc ++= J/kgK CC a 60020

17

A figura 3.1 fornece uma visualizao grfica das equaes descritas

acima.

Figura 3.1 - Calor especfico em funo da temperatura.

A descontinuidade que se verifica para temperaturas prximas de 735C

corresponde mudana de fase do ao, de ferrite para austenite. O aumento do

calor especfico est associado ao calor latente existente durante esta

transformao.

3.3 CONDUTIVIDADE TRMICA A condutividade trmica varia ligeiramente com o tipo de ao e diminui com o

aumento da temperatura. Segundo o Eurocdigo 3 Parte 1.2 deve ser

contabilizada a variao da condutividade trmica, a [W/mK], em funo da temperatura do ao, a , conforme apresentado na equao 6. aa 0333.054 = W/mK CC a 80020

18

Esta propriedade assume grande importncia no estudo dos gradientes

trmicos de uma estrutura sujeita a uma situao de incndio. Para clculos

aproximados, a condutividade trmica pode ser tomada como constante e de valor

igual a a = 45 [W/mK ] segundo recomendao do Eurocdigo 3 Parte 1.2, verso de 1995. A Figura 3.2 representa a variao da condutividade trmica em

funo da temperatura segundo a equao 6.

Figura 3.2 - Condutividade trmica em funo da temperatura

3.4 - VARIAO DAS PROPRIEDADES MECNICAS COM A TEMPERATURA

As propriedades mecnicas so parmetros fundamentais para se analisar o

comportamento da estrutura sob diferentes carregamentos utilizando-se

ferramentas de modelao numrica em elementos finitos. Como as propriedades

mecnicas so substancialmente afetadas pela temperatura, existe uma grande

preocupao e necessidade de obter dados que representem valores mais

prximos realidade. Deve-se ressaltar, que deve ser dada uma especial ateno

aos valores de temperaturas superiores a 95 [C].

O comportamento estrutural ao fogo depende de inmeras variveis. Estas

incluem a degradao das propriedades do material a temperaturas elevadas e a

19

rigidez da estrutura do compartimento de incndio. Elementos estruturais sujeitos

a temperaturas e gradientes elevados originam grandes deslocamentos e esforos

axiais resultantes de restries axiais.

Sob a ao de cargas constantes, os elementos podem sofrer deformaes

contnuas no tempo, ou seja, este sofre um processo conhecido por fluncia.

temperatura ambiente e para estados de tenso no elevados, a fluncia pode ser

desprezada, pois normalmente este valor passa a ser significativo quando se

trabalha a temperaturas superiores a 50 % da temperatura de fuso do material,

Graglia [8].

A composio qumica e o processo de fabricao influenciam o

comportamento fluncia, o que torna difcil uma distino para todos os tipos de

aos. A fluncia s pode ser medida sob condies estacionrias em que a

deformao de fluncia pode ser separada das deformaes trmicas e das

originadas pelo estado de tenso.

Os primeiros modelos estabelecidos para descrever o comportamento do ao

em situao de incndio utilizavam modelos de clculo simplificados. Estes

modelos consistiam em extrapolar o comportamento do material temperatura

ambiente para a situao de temperaturas elevadas.

Testes transientes, produzidos por Rubert e Schaumann, em perfis IPE80 e

IPE120 com taxas de aquecimento entre 160 e 1920 [C/h], permitiram

estabelecer expresses analticas que descrevem o comportamento do material

at o escoamento. Este modelo, adotado no Eurocdigo 3 Parte 1.2, inclui de uma

forma implcita a fluncia do material nas relaes tenso deformao.

Segundo Mesquita [9], Outinen e Mkelinen realizaram ensaios de trao

transientes e estacionrios em amostras de material S355, S420M e S460M para

um intervalo de temperaturas entre 20 e 700 [C]. Segundo estes autores, os

20

ensaios transientes fornecem resultados mais realsticos, especialmente para aos

carbono.

Os ensaios transientes so executados com a aplicao de uma carga

constante nos amostras, onde estes se encontram sujeitos a uma taxa de

aquecimento constante. Durante o ensaio, so medidos os valores da temperatura

e da deformao, estabelecendo-se curvas temperatura deformao, Figura

3.3a. Os resultados so convertidos em curvas tenso deformao, s quais so

subtradas as deformaes trmicas, Figura 3.3 b.

Figura 3.3 - Converso das curvas tenso deformao dos ensaios transientes.

As curvas tensodeformao encontradas permitem a obteno dos valores

do mdulo de elasticidade e da tenso de escoamento. Como para temperaturas

elevadas essas curvas so altamente no lineares, no existindo um patamar de

escoamento bem definido, o valor da tenso de escoamento a temperaturas

elevadas obtida com base numa deformao de referncia de 0.2%.

O Eurocdigo 3 Parte 1.2, especifica coeficientes de reduo da tenso de

escoamento, Kx, , obtida para uma deformao total de 1%. Esta tenso de

escoamento deve ser utilizada para situaes em que o clculo efetuado com

base em critrios de deformao. Para os restantes casos o clculo deve ser

21

efetuado com base no valor da tenso de escoamento obtido para uma

deformao total de 2%.

A curva tenso deformao preconizada pelo Eurocdigo 3 para elevadas

temperaturas a apresentada na Figura 3.4, podendo ser dividida em quatro

fases.

Figura 3.4 - Relaes tenso deformao a temperaturas elevadas.

A primeira fase representada estabelece o limite elstico, existindo

proporcionalidade entre a tenso e a deformao respectivamente, e .

caracterizada pelo valor fp,, tenso limite de proporcionalidade temperatura , e

pelo valor Ea, que representa o mdulo de elasticidade. A relao tenso

deformao expressa atravs da lei de Hooke, pela equao 7.

a, = Ea, x

A segunda fase caracterizada pelo incio do escoamento do material,

formalmente parametrizada por fy,, tenso de escoamento. A relao tenso

deformao nesta zona da curva dada pela equao 8.

(7)

22

( )2,,, += ypa aabcf

Os valores dos parmetros a, b, c so representados pelas funes das

expresses em 9.

( )

+=

,,,,,

apypy E

ca

( ) ,,, ccEb pya += ( )( ) ( ) ,,,,, ,, 2 pypya py ffE

ffc

=

Para y, = 2%, o mdulo tangente ser ser obtido pela equao 10.

( )( )2,,

,

=y

ya

aa

bE

A terceira fase caracterizada por um patamar de tenso constante em que

desprezado o endurecimento por deformao. Para temperaturas inferiores a

400 [C] o Eurocdigo 3 Parte 1.2 estabelece expresses alternativas para esta

fase, incorporado o endurecimento por deformao. Neste caso o patamar

definido por uma tenso mxima dada por fu, , dependente da temperatura do

ao.

Para no se obter uma ductilidade numericamente infinita, foi adicionada

uma zona linear decrescente, entre t, = 15% e u, = 20 % de deformao. Neste

caso a tenso dada pela equao 11.

( )( )

=

,,

,,, 1

tu

tya f

(8)

(9)

(10)

(11)

23

onde;

fy, a tenso de escoamento;

fp, o limite de proporcionalidade;

Ea, a tangente da poro linear;

p, a deformao do limite de proporcionalidade;

y, a deformao de escoamento;

t, a deformao do limite de escoamento;

u, a deformao ltima;

3.4.1 COEFICIENTE DE DILATAO TRMICA

A razo entre a deformao trmica e a temperatura denomina-se de

coeficiente de dilatao trmica. Para temperaturas inferiores a 100 [C] o ao

possui um coeficiente de dilatao trmica aproximadamente constante e igual a

= 1x10-5 [C-1].

As relaes entre a deformao trmica, proveniente da dilatao trmica, e

a temperatura, prescritas pelo Eurocdigo 3 Parte 1.2 so as apresentadas na

equao 12.

4285 10416.2104.0102.1 += xxx

ll

aa CC a 75020

24

Figura 3.5 Variao do coeficiente de variao trmica com a temperatura

A Figura 3.5 apresenta a variao do coeficiente de dilatao trmica com a

temperatura. A dilatao trmica aumenta linearmente at aproximadamente 700

[C], instante correspondente ao incio da transformao de fase. Esta

transformao de fase origina uma contrao do material, de cerca 15% da

expanso ocorrida entre 20 e 700 [C], representada simplificadamente pelo

patamar da figura. Aps a transformao de fase, a curva assume novamente uma

variao linear.

3.4.2 TENSO DE ESCOAMENTO

A tenso de escoamento do ao diminui drasticamente com o aumento da

temperatura. A 700 C possui apenas 23% da capacidade resistente

temperatura ambiente, a 800 C j s possui 11% e a 900 C restam somente 6%.

A Tabela 1 fornece a variao da tenso de escoamento do ao em funo da

temperatura, definida atravs do fator de reduo Ky,, proposta pelo Eurocdigo.

25

Tabela 1 - Valores do coeficiente de reduo da tenso de escoamento.

Para valores intemedirios aos apresentados na Tabela 1 deve ser realizada

uma interpolao linear. A sua representao grfica apresentada na Figura 3.6,

deve-se ressaltar que a tenso de escoamento se mantm constante at 400 [C].

Figura 3.6 - Fator de reduo da tenso de escoamento para aos.

26

Os valores de Ky, na tabela 3.5 podem ser substitudos por valores

provenientes da equao 13, desde que obedeam a condio apresentada.

119674.0 833.31

19.39482

,

+=

aek y

3.4.3 MDULO DE ELASTICIDADE

O valor do mdulo de elasticidade diminui com o aumento da temperatura.

Esta variao menos significativa para valores elevados de temperatura. Tal fato

pode ser constatado pela Figura 3.7, que representa a variao desta propriedade

atravs de um fator de reduo. Este fator representa o quociente entre o valor

desta propriedade a uma determinada temperatura e o valor de referncia a 20

[C]. Por exemplo, temperatura de 500 [C] o valor do mdulo de elasticidade

60 % do seu valor temperatura ambiente.

Figura 3.7 - Fator de reduo do mdulo de elasticidade.

(13)

27

A variao proposta pelo Eurocdigo resulta de valores tabelados de 20 a

1200 [C], admitindo-se uma variao linear entre os valores apresentados na

Tabela 2.

Tabela 2 - Valores do coeficiente de reduo do Mdulo de elasticidade.

Alternativamente, os valores de KE,, apresentados na Tabela 2, podem ser

substitudos pelos que se obtm pela equao 14, desde que obedeam

condio apresentada.

( )( )

( ) 11220

1001.01.1

500

3006.0

500, +++=

a

a

a ee

ek aE

(14)

28

CAPTULO 4 DESCRIO DO MODELO ESTRUTURAL

4.1 MDULO DE SEPARAO E TRATAMENTO Um grande nmero de atividades esto associados ocorrncia de acidentes de grande severidade do tipo pool fire, proveniente de derramamento de

combustvel. Uma anlise histrica comprova que dentre os acidentes mais

freqentes na indstria, em particular, na rea offshore, os de maior freqncia

ocorrem na forma de pool fire.

A preocupao com as estatsticas relacionadas a este tipo de acidente em

particular acarretou em novos regulamentos e implementaes na rea de

segurana e planejamento de emergncia. A partir deste, os novos critrios de

segurana exigem que as conseqncias de derramamentos sejam calculadas da

forma mais realstica possvel.

Dessa forma, o modelo selecionado para a anlise da resistncia durante

incndios foi um mdulo de separao e tratamento de uma unidade FPSO,

devido ao seu grande potencial de vazamento de combustvel lquido

(hidrocarbonetos) e posterior formao de poas, foco deste trabalho.

O modelo em questo j se encontra pr-dimensionado para as condies

de operao e iamento, procedimento realizado por Maia [10]. Os dados

utilizados para o dimensionamento foram obtidos a partir de informaes extradas

de publicaes nacionais fornecidas pela Petrobrs e de uma proposta de licitao

de projeto e construo para mdulos de separao e tratamento P03 A/B P50.

O mdulo estrutural de separao e tratamento de leo de uma FPSO que

opera na Bacia de Campos prevendo uma vida til de 25 anos. Para este FPSO,

estimasse uma planta de processo de capacidade de produo e tratamento de

29

leo de no mximo 180.000 bpd, capacidade de compresso e gs de 6.000.000

m/d, e capacidade de injeo de gua de 35.000 m/d.

4.2 LOCALIZAO DO MDULO

A localizao do mdulo de separao e tratamento pode ser visualizada na

Figura 4.1.

Figura 4.1 Localizao do mdulo de separao e tratamento

30

4.3 MDULO DE SEPARAO E TRATAMENTO

O mdulo de separao e tratamento possui dois conveses onde so

suportados os equipamentos necessrios operao de separao e tratamento.

No primeiro convs, Figura 4.2, encontran-se os equipamentos, incluindo os

tanques, mais robustos, que representam a maior parcela do carregamento

mecnico do mdulo. Os equipamentos mais relevantes e suas funcionalidades

sero descritos a seguir:

Aquecedor de Produo P-303 Este trocador de calor instalado a jusante de

um pr-aquecedor de leo P-302, aquecendo o leo temperatura de operao

superior ou igual a 75C e utilizando gua quente como fonte de calor;

Separador de Produo SG-301 Este separador de produo responsvel pela

separao de leo, gs e produo de gua;

Desidratador de leo TO-301 Este separador eletrosttico responsvel por

manter a especificao do leo no seu fluxo com contedo de gua de no mximo

0,5 1,0%. 300ppm de leo do fluxo de gua produzida e salinidade de 100 ptb

no leo, alm de outras caractersticas.

31

Figura 4.2 Primeiro Convs

32

O segundo convs, Figura 4.3, sustentado por pilares e trelias do

primeiro convs. Este possui equipamentos menos robustos e representa uma

parcela menor dos carregamentos mecnicos que incidem sob a estrutura. Dentre

os equipamentos presentes, os de maior relevncia so:

Separador Atmosfrico SG-302 Separador atmosfrico instalado a jusante do

desidratador de leo TO-301, responsvel pela estabilizao do leo removendo

o gs residual tratado.

Aquecedor de leo P-304 Trocador instalado a montante do desidratador de

leo TO-301, aquecendo o leo temperatura de 105 120C e utilizando gua

quente como fonte de calor;

Separador de Teste SG-201 Responsvel por testar periodicamente a produo

para cada poo e assegurar suas especificaes.

33

Figura 4.3 Segundo Convs

34

4.4 CARREGAMENTOS MECNICOS Os carregamentos mecnicos atuantes na estrutura provenientes dos equipamentos relevantes para a anlise estrutural esto listados na Tabela 4.1.

Equipamento Peso de Operao (kN)

P-303 20

SG-301 270

TO-301 550

SG-302 110

P-304 20

SG-201 230 Tabela 4.1 Peso dos Equipamentos.

4.5 - MATERIAIS ESTRUTURAIS

Para que se possa analisar a resistncia de membros estruturais durante

incndios, ou seja, para que se descubram quais sero as cargas adicionais

provocadas pela distribuio de temperatura, deve-se conhecer quais so as

caractersticas do material utilizado.

4.4.1 CHAPAS E PERFIS O tipo de ao utilizado na estrutura o ao AH36. Este ao utilizado em larga escala na indstria naval devido a sua alta resistncia.

4.4.2 PROPRIEDADES GLOBAIS Tenso de Escoamento - 355 N/mm Mdulo de Elasticidade - 206 kN/mm

Coeficiente de Poisson 0.3

Densidade do Ao 7.85 ton/m

35

CAPTULO 5 - DETERMINAO DA TEMPERATURA RESULTANTE DO INCNDIO

5.1 MECANISMOS DE TRANSFERNCIA DE CALOR

Uma vez determinadas as caractersticas da chama, como descrito no

captulo 3, torna-se necessrio determinar o quanto desta energia proveniente da

combusto ir atingir cada um dos elementos estruturais e de que forma isso ir

influenciar na resposta estrutural. Para melhor entendimento desse fenmeno,

de suma importncia o estudo dos mecanismos de transferncia de calor.

A ao trmica a ao atuante na estrutura descrita por meio do fluxo de

calor, provocado pela diferena de temperatura entre os gases quentes do

compartimento em chamas e os componentes da estrutura. A exposio dos

materiais ao trmica (altas temperaturas) faz degenerar as suas

caractersticas fsicas e qumicas reduzindo a resistncia e a rigidez, alm de

causar o aparecimento de esforos solicitantes adicionais (aes indiretas) nas

estruturas.

O mecanismo atravs do qual a transferncia de calor se realiza entre as

partculas depende de diversos fatores que podem agravar ou atenuar as

conseqncias do incndio. Dessa forma, pode-se distinguir trs modos de

transferncia de calor: conduo, radiao e conveco.

5.1.1 CONDUO

A conduo ocorre dentro de uma substncia ou entre substncias que

esto em contato fsico direto. Na conduo a energia cintica dos tomos e

molculas (isto , o calor) transferida por colises entre tomos e molculas

vizinhas. O calor flui das temperaturas mais altas (molculas com maior energia

cintica) para as temperaturas mais baixas (molculas com menor energia

cintica).

36

A capacidade das substncias para conduzir calor (condutividade) varia

consideravelmente. Os slidos so melhores condutores que lquidos e lquidos

so melhores condutores que gases. Num extremo, metais so excelentes

condutores de calor e no outro extremo, o ar um pssimo condutor de calor. A

determinao do fluxo de calor que conduzido atravs de um determinado

material dado pela Lei de Fourier 15.

xTAkq = .

onde:

q o fluxo de calor por conduo na direo x (W);

k a condutividade trmica do material (W/m.C);

A a rea da seo transversal do corpo (m);

T/x a taxa de variao da temperatura ao longo do comprimento.

O sinal de menos na equao indica que o sentido do fluxo de calor

contrrio ao gradiente de temperatura, ou seja, o fluxo de calor vai da regio de

mais alta temperatura para a regio de mais baixa temperatura.

5.1.2 CONVECO

A conveco somente ocorre em lquidos e gases. Consiste na

transferncia de calor dentro de um fludo atravs de movimentos do prprio

fludo. A conveco ocorre como conseqncia de diferenas na densidade do

fluido. Para o estudo em questo, o fluido de interesse o ar.

Quando o calor conduzido da superfcie relativamente quente para o ar

sobrejacente, este ar torna-se mais quente que o ar vizinho. Ar quente menos

denso que o ar frio de modo que o ar frio e denso desce e fora o ar mais quente e

(15)

37

menos denso a subir. O ar mais frio ento aquecido pela superfcie e o processo

repetido.

Desta forma, a circulao convectiva do ar transporta calor verticalmente da

superfcie da analisada para camadas superiores, sendo responsvel pela

redistribuio de calor. No caso do estudo em questo, a conveco tem papel

importante na dissipao de calor com o ar ao redor do processo de combusto. O

fluxo de calor (q) dado pela equao 16.

( )sff TThq = Onde;

q o fluxo de calor trocado entre os gases e a superfcie;

fh o coeficiente de troca de calor por conveco;

fT a temperatura dos gases de fuligem;

sT a temperatura da superfcie.

5.1.3 RADIAO

A troca de calor por radiao consiste no transporte de energia por meio de ondas eletromagnticas e/ou partculas atmicas, emitidas pelos tomos do

material. um processo de transferncia de energia entre superfcies, uma vez

que a energia liberada pelos tomos no interior do volume absorvida, na maioria

dos materiais, por outros tomos vizinhos; constituem uma exceo o vidro, certos

materiais semi-transparentes e os gases.

Uma srie de experimentos avaliou a intensidade da radiao a partir da

superfcie de queima at os objetos ao seu redor, [11]. A radiao emitida em

(16)

38

todas as direes, porm, a posio e orientao relativa entre as superfcies que

trocam calor influem na quantidade de calor transferida.

Uma descrio simplificada do processo de troca de calor por radiao

pode ser verificada atravs da equao 17. Onde a taxa na qual a energia

radioativa liberada por unidade de rea chama-se potncia emitiva E (W/m).

Existe um limite superior para esta quantidade, que estabelecida pela lei de

Stefan-Boltzmann, no caso em que a superfcie chamada de radiador ideal ou

corpo negro.

4Sb TE =

Onde;

ST a temperatura absoluta da superfcie (K);

a constante de Stefan-Boltzmann (5.67 x 10-8 W/m.K4).

O fluxo de calor emitido por uma superfcie real menor do que o emitido

por um corpo negro. Este representado pela equao 18.

4Sb TE =

Onde;

uma propriedade radiativa da superfcie chamada emissividade, e possui valor compreendido entre 0 e 1.

5.2 DETERMINAO DO CALOR INCIDENTE Conforme apresentado anteriormente, o aquecimento por radiao governa o processo de troca de calor pelo fato da temperatura ser elevada a quarta ordem

(17)

(18)

39

[12]. A ausncia de proteo passiva contra incndio propicia a absoro de

energia com muito mais intensidade.

O hidrocarboneto selecionado como combustvel inflamvel para a anlise

foi o leo diesel. Esta deciso foi baseada na severidade superior no caso de

acidentes que este apresenta em relao ao leo cru.

Aspectos j discutidos, como, a taxa de queima e o calor liberado do

processo de combusto comprova que um incndio causando poas de leo

diesel proporcionaro cargas trmicas mais intensas estrutura. Atravs da tabela

3 pode-se verificar a diferena entre essas grandezas.

Tabela 3 Taxa de queima e calor de combusto

Material Taxa de Queima

(kg/ms)

Calor da Combusto

Hc,eff (kJ/kg)

Densidade

(kg/m)

Gasolina 0.055 43,700 740

Querosene 0.039 43,200 820

JP-4 0.051 43,500 760

JP-5 0.054 43,000 810

leo Combustvel

Pesado 0.035 39,700 940

leo Cru 0.022 42,500 830

leo Diesel 0.044 44,400 918

Outro aspecto de grande relevncia que torna a escolha do leo diesel mais

conservativa em relao ao leo cru, a produo de fumaa proveniente da

combusto. Segundo Muos, Casal e Planas [13], grandes poas de

hidrocarbonetos produzem uma grande quantidade de fumaa que se espalha e

reduz significativamente a radiao trmica. Ao se utilizar o leo disel, que produz

40

uma quantidade de particulados inferior ao leo cru, a ao da radiao trmica se

torna mais intensa provocando carregamentos trmicos mais severos.

Para a realizao do clculo do fluxo de radiao trmica, foi utilizada a

planilha da Comisso Regulamentadora Nuclear dos Estados Unidos. Os dados

de entrada necessrios para o clculo, como, a taxa de queima e o calor da

combusto foram retirados da tabela 3.

5.3 - DETERMINAO DO CAMPO TRMICO APLICADO ESTRUTURA O objetivo do trabalho refere-se determinao da resposta esttica de

uma estrutura a solicitaes combinadas de origem mecnica e trmica. Em

particular, a determinao do carregamento trmico envolve a predio do campo

de temperaturas nos diversos elementos integrantes da estrutura. Conforme j

discutido, a transferncia de energia trmica da chama para a estrutura

realizada, primordialmente, atravs dos processos de radiao e conduo de

calor.

A transferncia de calor por conveco tambm est presente no problema

em estudo. Porm, a transferncia de calor da chama para o meio fluido (ar)

resulta no desenvolvimento de um fluxo convectivo, o qual atua, simultaneamente,

como um processo de aquecimento e de resfriamento da estrutura. Conclui-se,

portanto, que a determinao do campo trmico aplicado aos elementos

estruturais apresenta grande complexidade, pois envolve no apenas a

quantificao do fluxo de calor transferido da chama para a estrutura, mas

tambm, a representao da dinmica do escoamento do ar ao seu redor.

A anlise transiente para a determinao do campo trmico deu-se atravs

da utilizao do programa comercial Ansys ICEM v10 e Ansys CFX v10. Por

motivos de simplificao, foi utilizada a geometria composta pelos chapeamentos

e pelos pilares representada pela Figura 5.1.

41

Figura 5.1 Mdulo Simplificado

Os dados de entrada utilizados foram baseados nas formulaes

apresentadas em captulos anteriores. Dentre esses, pode-se citar as

caractersticas geomtricas da chama como o dimetro de 2 metros. A valor de

altura da chama encontrado foi muito prximo de 4 metros, sendo este adoto para

fins de simplificao da gerao dos resultados. Adicionalmente, assumiu-se que

o vazamento de combustvel constante, mantendo dessa forma, o tamanho da

poa constante ao longo do tempo.

5.4 RESULTADOS OBTIDOS A localizao da chama pode ser visualizada pela Figura 5.2 no primeiro convs. O circulo em vermelho representa a aproximao circular para clculos de

derramamentos em poa. O centro da chama encontra-se a aproximadamente 5,5

metros da extremidade na direo y e 9,4 metros da extremidade na direo x.

42

Figura 5.2 Localizao da Chama.

A distribuio de temperaturas no domnio fluido modelado pode ser obtida

para qualquer posio do espao, mesmo que o modelo utilizado no programa no

represente todos os elementos da estrutura. Uma visualizao da distribuio de

temperaturas pode ser efetuada atravs da figura 5.3.

43

Figura 5.3 Distribuio do Campo de Temperaturas.

A anlise transiente realizada demonstra que a partir da quantidade de

combustvel, velocidade do vento e taxa de queima do combustvel utilizado, o

incndio leva aproximadamente 120 minutos at atingir uma condio

permanente, ou seja, a partir deste momento a variao de temperatura torna-se

irrelevante. Este fato pode ser comprovado atravs do Grfico 5.1.

44

Grfico 5.1 Temperatura x Tempo.

45

CAPTULO 6 ANLISE ESTRUTURAL

6.1 INTRODUO Nos captulos anteriores, foram desenvolvidas e validadas ferramentas apropriadas para modelar, dimensionar e quantificar as caractersticas das

chamas, prever a quantidade de calor incidente e finalmente, calcular a

distribuio de temperaturas decorrente do incndio.

Tendo posse dos dados de entrada, pode-se iniciar efetivamente a proposta

do presente estudo, que consiste em analisar a resistncia de membros

estruturais quando so impostas cargas trmicas provenientes de incndios.

Para a realizao deste estudo, foi utilizado o programa de elementos

finitos Ansys 9.0, que simula o comportamento no linear e geomtrico do

material, devido aos deslocamentos e deformaes impostas pelas cargas

mecnicas e trmicas.

Antes que sejam avaliados os efeitos decorrentes do incndio, sero

apresentadas algumas consideraes importantes em relao modelao

efetuada em elementos finitos.

6.2 CRITRIOS DE COLAPSO A avaliao da resistncia da estrutura deve ser embasada em um critrio

para se definir quando a estrutura atingiu o colapso. Segundo Mendes, esses

critrios decorrem de exigncias de projeto que se baseiam na observao das

tenses e deslocamentos atuantes, impedindo que determinados valores sejam

ultrapassados.

46

Para o presente estudo, o critrio mais importante consiste em no permitir

que um dado incndio ocasione deformaes de carter permanente a membros

estruturais principais, ou seja, haver colapso sempre que forem atingidas tenses

superiores ao limite de escoamento de projeto do material ou a ocorrncia de

deformaes permanentes devido a esforos de segunda ordem para os

elementos da estrutura principal ou aqueles que suportam equipamentos ou

tubulaes importantes.

6.3 MODELAO EM ELEMENTOS FINITOS

A evoluo dos programas comerciais de elementos finitos, estimulada

principalmente pelo aumento significativo da capacidade de processamento dos

computadores pessoais, tornou mais acessvel essa ferramenta utilizada para a

previso do comportamento dinmico, bem como do esttico, de estruturas

complexas como as estruturas ocenicas.

Entretanto, gerar um modelo de elementos finitos de uma estrutura

ocenica no tarefa simples, devidos a alguns fatores envolvidos. O primeiro

decorre da prpria complexidade da estrutura composta por painis reforados,

demandando de compatibilizao de elementos de diferentes espcies (chapas e

vigas) em um conjunto que deve representar, satisfatoriamente, os

comportamentos local e global ou de simplificaes que representem de forma

satisfatria o conjunto real. O segundo envolve o tamanho do modelo e o grau de

refinamento da malha necessria para que se obtenham bons resultados.

6.3.1 PROPRIEDADES DO MATERIAL

A variao das propriedades trmicas e mecnicas do material com a

temperatura j discutida em captulos anteriores foram inseridas no programa de

forma que a no linearidade do material fosse considerada na anlise. Um

exemplo dessa no linearidade do material pode ser expressa atravs do grfico

47

de tenso deformao do material para vrias temperaturas, descritos com um

comportamento bi-linear (Grfico 6.1).

Grfico 6.1 Tenso - Deformao para vrias temperaturas.

Outro fator de grande importncia na insero de dados no programa a

necessidade de consistncia das unidades que o usurio deve utilizar para que os

clculos apresentem valores coerentes. Dessa forma, sero apresentadas a

seguir, as unidades das principais propriedades inseridas no programa.

- Comprimento = milmetros (mm)

- Fora = Newton (N)

- Massa = quilograma (kg)

- Tempo = segundos (s)

- Densidade = kg/m3

48

- Mdulo de Young = N/mm2

- Acelerao da gravidade m/s.

6.3.2 GEOMETRIA DA ESTRUTURA

No presente estudo, foi utilizado um mdulo de separao e tratamento j

apresentado no captulo 4. O mdulo em questo composto basicamente por

chapas, reforos primrios, secundrios e os pilares de sustentao do segundo

convs.

Levando-se em considerao a complexidade da modelao da estrutura

completa e os critrios de colapso j apresentados, foram modelados apenas os

elementos primrios da estrutura. No entanto, a representao somente desses

elementos principais no compromete a validao da anlise estrutural, e garante

que o critrio de colapso para elementos principais ou que suportam

equipamentos importantes ser atendido.

A modelao foi realizada atravs da insero das linhas neutras dos

elementos primrios da estrutura, Figura 6.1. Nessa etapa, de extrema

importncia que se garanta a conectividade entre os pontos e continuidade das

linhas para que os esforos impostos posteriormente sejam transferidos para os

elementos vizinhos.

49

Figura 6.1 Representao por Linhas Neutras

Posteriormente, foi utilizado o elemento de viga existente no programa,

BEAM189. Este elemento possui seis graus de liberdade em cada n, translao e

rotao nas direes x, y e z, permite modelar grandes deflexes e no

linearidades do material. A influencia estrutural do chapeamento, que no foi

modelado, foi inserida na forma de largura colaborante no flange dos elementos

primrios.

A definio da malha merece grande ateno em uma anlise de elementos

finitos. Esta composta por 2057 ns e 1067 elementos. Para o elemento de viga

selecionado foram utilizados elementos com tamanho apropriado para que o

gradiente de temperaturas fosse bem representado. A representao do modelo

por elementos de vigas do mdulo de separao e tratamento pode ser pode ser

visualizado atravs da Figura 6.2.

50

Figura 6.2 Representao por Elementos de Viga.

As coordenadas de cada ponto do modelo esto referenciadas segundo a

seguinte conveno:

Eixo-X: longitudinal;

Eixo-Y: transversal;

Eixo-Z: transversal.

6.3.3 CONDIES DE CONTORNO

No caso do modelo em questo, os ns localizados na conexo dos pilares

do primeiro convs do mdulo de separao e tratamento com o convs do navio

foram engastados, ou seja, tiveram rotaes e translaes restringidas em todas

51

as direes, Figura 6.3.

Figura 6.3 Condies de Contorno

6.4 TENSES MECNICAS ATUANTES NA ESTRUTURA O problema a ser solucionado consiste em determinar os nveis de tenses

e deslocamentos resultantes da ao de cargas mecnicas e trmicas.

Inicialmente foram aplicadas as cargas mecnicas operacionais j apresentadas

no captulo 4, como os esforos provenientes dos vasos presentes na estrutura e

o peso prprio. Atravs deste, determina-se o nvel de tenses e deslocamentos

atuantes para este carregamento, caracterizando a condio operacional do

mdulo. Esta condio pode ser visualizada atravs das Figuras 6.3 e 6.4.

52

Figura 6.3 Distribuio de Tenses do Carregamento Mecnico

Figura 6.4 Distribuio de Tenses do Carregamento Mecnico ( Aproximao).

53

Pode-se observar os valores de tenso mxima alcanados,

106.597N/mm, relativos aos carregamentos mecnicos para a condio

operacional da plataforma apresentam valores relativamente baixos, apresentando

uma boa reserva de resistncia para carregamentos adicionais levando-se em

considerao que a tenso de escoamento ao utilizado de 355N/mm. A

caracterizao dessa tenso localizada a deve-se ao carregamento imposto pelo

Desidratador de leo TO-301.

6.5 RESULTADOS OBTIDOS O projeto convencional de estruturas baseia-se na anlise individual de

componentes. Tal procedimento muito conservativo, pois no leva em

considerao a interao dos elementos e conseqentemente a redistribuio de

carregamentos em elementos adjacentes que possuem reserva de resistncia. As

estruturas expostas ao fogo so aquecidas e as propriedades mecnicas

degradadas medida que a temperatura aumenta.

No caso do presente estudo no foi levado em considerao o efeito da

fluncia na estrutura, pois a o objetivo era avaliar a estrutura at o colapso, no

importando os efeitos posteriores a esta condio de forma muito aproximada.

Dessa forma, os resultados que sero apresentados a seguir visam ilustram a

condio na qual a estrutura atinge uma condio estacionria, ou seja, a

condio na qual no ocorre um aumento de temperatura, ela permanece estvel.

A anlise da resistncia do mdulo de separao e tratamento sob

condies de incndio do presente estudo levou em considerao todos

elementos que influenciam na resposta da estrutura. A distribuio de tenses

para um campo trmico em regime permanente pode ser visualizada na Figura

6.5.

54

Figura 6.5 Tenses Resultantes

Atravs da Figura 6.5 pode-se observar que as tenses alcanadas

superam a tenso de escoamento do material, que possui um valor de 355 N/mm

quando a estrutura est submetida a temperaturas das ordem de 683C (956 K)

A Figura 6.6 fornece uma melhor visualizao das tenses verificadas na

figura 6.5. O crculo vermelho na representa a localizao aproximada da chama.

Pode-se observar que as tenses mximas foram alcanadas em sua vizinhana

concentrando-se nos elementos menos rgidos, como o caso das vigas das

extremidades que ultrapassam a tenso de escoamento enquanto outros

componentes estruturais ainda apresentam reserva de carregamento.

55

Figura 6.6 Tenses Resultantes

A distribuio das maiores tenses atuantes na estrutura observadas ao

longo do tempo pode ser visualizada na Figura 6.7.

Tenso x Tempo

0,0050,00

100,00150,00200,00

250,00300,00350,00

400,00

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000

Tempo (s)

Tens

o (N

/mm

)

Figura 6.7 Tenso x Tempo

56

O comportamento da curva da Figura 6.7 demonstra que a estrutura atingiu

a tenso de escoamento aproximadamente 3350 segundos aps o incio do

incndio. O crescimento das tenses ao longo do tempo ocorre devido ao

aumento do carregamento trmico que provocam tenses axiais provenientes da

expanso trmica sofrida pelos elementos estruturais.

Pode-se observar tambm a estabilizao da curva no tempo 7200

segundos indicando a ausncia de cargas adicionais provocadas pelo regime

permanente alcanado pelo campo de temperaturas.

Este fenmeno pode ser mais bem visualizado atravs das curvas de

deslocamento mximo por tempo (Figura 6.8), para vrios ns da estrutura

prximos regio do incndio.

Figura 6.8 Deslocamento Mximo

57

A curva de deslocamento por tempo dos ns selecionados apresenta

caracterstica quase linear do tempo t = 0 at t = 7200 segundos. Tal resultado

mostra-se coerente, evidenciando o intervalo onde o gradiente de temperatura

varia e onde, conseqentemente, ocorre a dilatao do material do sentido axial

local do elemento.

O segundo trecho entre t = 7200 e t = 8000 segundos apresenta a resposta

da estrutura quando est j se encontra sob influencia do regime permanente do

campo de temperaturas, no apresentado dessa forma nenhuma variao de

temperatura adicional e conseqente dilatao trmica que imponha

carregamentos adicionais estrutura.

58

CAPTULO 7 - CONCLUSO

Os principais efeitos do aquecimento so a expanso trmica, a reduo do

mdulo de elasticidade e da tenso de escoamento. A expanso trmica exerce

grande influncia ainda no incio do processo de aquecimento, e pelo fato dos

componentes da estrutura estarem expostos ao calor de diferentes maneiras, a

expanso trmica atua com intensidades diferentes junto degradao das

propriedades mecnicas do material.

Utilizar ferramentas que levam em considerao a no linearidade do

material proporciona a simulao das respostas mecnicas de estruturas

submetidas a incndios de forma muito mais correta e confivel. A possibilidade

de se simular tenses elevadas em um componente forando a redistribuio das

cargas representa uma resposta muito mais prxima do fenmeno fsico real.

A utilizao de anlise da resposta de estruturas sob condies de

incndios em elementos finitos ainda na fase de projeto, alm de proporcionar

uma avaliao global da estrutura ao invs de se utilizar dados empricos, permite

que o projetista possa dimensionar a estrutura de forma mais segura e que

demande menor quantidade de proteo passiva.

A dilatao trmica dos elementos mais prximos chama impe

carregamentos adicionais que so redistribudos ao resto da estrutura

promovendo uma visualizao global dos efeitos do incndio. Ao se realizar tal

procedimento, pode-se verificar quais membros da estrutura esto mais

suscetveis ao colapso possibilitando uma anlise que traga solues menos

dispendiosas para condies de incndios.

Os estudos realizados e os procedimentos desenvolvidos para a

determinao dos carregamentos trmicos apresentaram resultados bastante

satisfatrios, validando a contribuio do presente trabalho possibilitando a

observao do comportamento do incndio de forma mais realista.

59

CAPTULO 8 REFERNCIAS BIBLIOGRAFICAS [1] United states Nuclear Regulatory Commission, Estimating Radiant Heat Flux

From Fire to a Target Fuel at Ground Level Under Wind-Free Condition Point

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