anÁlise estrutural de suporte de risers
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ANÁLISE ESTRUTURAL DE SUPORTE DE RISERS
Ludmila Gervásio de Araujo
Projeto de Graduação apresentado ao Curso
de Engenharia Naval e Oceânica, Escola
Politécnica, da Universidade Federal do
Rio de Janeiro, como parte dos requisitos
necessários à obtenção do título de
Engenheiro Naval e Oceânico.
Orientadora: Marta Cecilia Tapia Reyes
Rio de Janeiro
Março de 2015
ANÁLISE ESTRUTURAL DE SUPORTE DE RISERS
Ludmila Gervásio de Araujo
PROJETO DE GRADUAÇÃO SUBMETIDO AO CORPO DOCENTE DOCURSO DE
ENGENHARIA NAVAL E OCEÂNICA DA ESCOLA POLITÉCNICA DA
UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO COMO PARTE DOS
REQUISITOS NECESSÁRIOS PARA A OBTENÇÃO DO GRAU DE ENGENHEIRO
NAVAL E OCEÂNICO.
Examinado por:
Orientadora: Prof.ªD.Sc. Marta Cecilia Tapia Reyes
Prof.D.Sc. Julio Cesar Ramalho Cyrino
Prof.D.Sc. Severino Fonseca da Silva Neto
RIO DE JANEIRO, RJ- BRASIL
MARÇO DE 2015
iii
Araujo, Ludmila Gervásio de
Análise Estrutural de Suporte de Risers/ Ludmila
Gervásio de Araujo. – Rio de Janeiro: UFRJ/ Escola
Politécnica, 2015.
IX, 64 p.: il.: 29,7 cm.
Orientador: Marta Cecilia Tapia Reyes
Projeto de Graduação – UFRJ/ POLI/ Engenharia
Naval e Oceânica, 2015.
Referências Bibliográficas: p.75.
1. Análise Estrutural. 2. Suporte de Risers. 3. Modelo
numérico. 4. Pontoon de Plataforma Semissubmersível. 5.
Tensões. I. Tapia Reyes, Marta Cecilia. II. Universidade
Federal do Rio de Janeiro, UFRJ, Engenharia Naval e
Oceânica. III. Análise Estrutural de Suporte de Risers.
iv
DEDICATÓRIA
Dedico a uma pessoa muito especial que fez com que minha vinda ao Rio de Janeiro e
meu ingresso na faculdade fosse possível: minha avó Mirandolina, que hoje é minha
segunda mãe. Sou muito agradecida por tudo e tenho muito orgulho de ser neta da
melhor pessoa que conheço.
v
AGRADECIMENTOS
Agradeço primeiramente a Deus, que é base de tudo e que me deu força e sabedoria
para continuar e chegar ao fim dessa etapa muito importante da minha vida.
Quero agradecer à minha família que sempre me incentivou, especialmente meus
amados pais Manoel e Vanderléa, minha irmã Raquel e meu cunhado Daniel. Agradeço
pela paciência e palavras de conforto ao longo da minha trajetória acadêmica.
Agradeço também ao meu namorado Felippe, que me apoiou e me incentivou nesses
dois últimos anos de curso e que é um exemplo de dedicação e amor à profissão de
engenheiro.
Aos colegas de trabalho, agradeço também por serem compreensivos e pacientes. Foram
fundamentais nas minhas formações acadêmica e profissional e na realização deste
projeto de graduação.
Muito obrigada.
vi
Resumo do Projeto de Graduação apresentado à Escola Politécnica/UFRJ como parte
dos requisitos necessários para a obtenção do grau de Engenheiro Naval e Oceânico.
ANÁLISE ESTRUTURAL DE SUPORTE DE RISERS
Ludmila Gervásio de Araujo
Março/2015
Orientadora: Marta Cecilia Tapia Reyes
Curso: Engenharia Naval e Oceânica
Este trabalho apresenta os tipos de suportes de risers de plataformas semissubmersíveis
e FPSO’s e os carregamentos que devem ser considerados na concepção de um modelo
estrutural. O objetivo é realizar uma análise estrutural local de um suporte de risers,
verificando as tensões normais, cisalhantes e von Mises (combinação de tensões)
associadas às estruturas da região de interesse, que não devem exceder os critérios
estabelecidos por regra da sociedade classificadora. Para realizar a análise, foi feito e
verificado um modelo numérico em elementos finitos do pontoon de uma plataforma
semissubmersível.
Palavras-chave: Suporte de Risers, Análise Estrutural Local, Tensões, Modelo
Numérico, Pontoon de Plataforma Semissubmersível.
vii
Abstract of Undergraduate Project presented to POLI/UFRJ as a partial fulfillment of
the requirements for the degree of Engineer.
STRUCTURAL ANALYSIS OF RISERS SUPPORT
Ludmila Gervásio de Araujo
March/2015 Advisor: Marta Cecilia Tapia Reyes
Course: Naval Architecture and Marine Engineering
This study presents the types of risers’ supports of semi-submersible platforms and
FPSO’s and the load combinations that must be considered in designing a structural
model. The objective is to perform a local structural analysis of a risers’ support,
checking normal, shear and von Mises stresses acting on the structures in the region of
interest, which shall not exceed the criteria established by classification society rules.
To perform the analysis, a finite element numerical model of the pontoon of a semi-
submersible platform was made and verified.
Key-words: Risers Support, Local Structural Analysis, Stresses, Numerical Model,
Pontoon of a Semi-submersible Platform.
viii
Sumário
1. Introdução.................................................................................................................. 1
2. Tipos de Suportes de Risers ...................................................................................... 3
2.1 FPSO .................................................................................................................. 3
2.1.1 Balcão de risers .......................................................................................... 4
2.1.2 Turret .......................................................................................................... 7
2.2 Plataforma Semissubmersível .......................................................................... 12
2.2.1 Suporte de risers no spider deck............................................................... 12
2.2.2 Suporte de risers no pontoon .................................................................... 14
3. Concepção do Modelo Estrutural ............................................................................ 17
3.1 Carregamentos Elementares ............................................................................ 17
3.1.1 Peso total da estrutura ............................................................................... 18
3.1.2 Cargas estáticas......................................................................................... 18
3.1.3 Cargas dinâmicas (ambientais) ................................................................. 19
3.1.4 Carregamentos globais ............................................................................. 19
3.1.5 Cargas dos risers ...................................................................................... 21
3.2 Carregamentos Associados aos Tipos de Suportes .......................................... 22
4. Exemplo de Modelação ........................................................................................... 23
4.1 Sistema de Referência ...................................................................................... 24
4.2 Extensão do Modelo ........................................................................................ 25
4.3 Condição de Contorno ..................................................................................... 28
4.4 Materiais .......................................................................................................... 29
4.5 Propriedades do Modelo .................................................................................. 30
4.6 Malha ............................................................................................................... 31
4.7 Carregamentos ................................................................................................. 33
4.7.1 Peso total da estrutura ............................................................................... 33
4.7.2 Pressão hidrostática .................................................................................. 34
4.7.3 Carga dos risers ........................................................................................ 35
4.7.4 Pressão hidrodinâmica .............................................................................. 37
4.7.5 Combinações de carregamentos ............................................................... 38
4.8 Resultados ........................................................................................................ 39
4.8.1 Critério de Escoamento – Elementos de Placa ......................................... 41
4.8.2 Critério de Escoamento – Elementos de Viga .......................................... 51
ix
4.8.3 Flambagem ............................................................................................... 54
4.8.4 Análise dos Resultados ............................................................................. 62
5. Conclusão ................................................................................................................ 63
6. Referências Bibliográficas ...................................................................................... 64
1
1. Introdução
Após as descobertas de poços de petróleo na área continental, diversos países passaram
a explorar também as bacias marítimas. Entretanto, as características diferenciadas dos
poços brasileiros forçaram um desenvolvimento tecnológico de extração em águas
profundas que levaram o País à liderança nesse tipo de exploração.
Todas as instalações offshore existentes no País atualmente têm a finalidade de extrair
petróleo e gás, sendo a Petrobras a única a explorar essa tecnologia. Com a
exclusividade das operações em território nacional, a empresa teve de investir em
Pesquisa e Desenvolvimento (P&D) e fazer parcerias com diversas universidades para
criar tecnologias de exploração offshore. Assim, o País passou a explorar águas cada
vez mais profundas e tornou-se reconhecido internacionalmente como líder em
tecnologia offshore.
Um exemplo disso é a Bacia de Campos, descoberta em 1974 e localizada entre o norte
do Rio de Janeiro e o sul do Espírito Santo. Ela possui 100 mil quilômetros quadrados e
sua primeira perfuração ocorreu em 1976. Um ano depois teve início sua exploração
comercial. Hoje a bacia é responsável por mais de 80% da extração nacional. Para se ter
ideia da evolução da tecnologia petrolífera até aqui – e da vantagem da extração
offshore para o País –, a produção diária de uma plataforma era de 10 mil barris diários
em 1977, diante dos dois barris conquistados na primeira instalação onshore brasileira.
Com esse crescimento expressivo da exploração das bacias marítimas, veio a
necessidade de se projetar estruturas resistentes e que sejam capazes de atuar em
lâminas d’água cada vez mais profundas. Essas estruturas são as unidades flutuantes do
tipo semissubmersível e do tipo FPSO, e todos os mecanismos que interligam essas
unidades aos poços de petróleo.
Os dutos flexíveis responsáveis por extrair o petróleo e levá-lo até a unidade flutuante
são os risers que, por sua vez, são ligados à plataforma por estruturas denominadas
balcões ou suportes de risers. Essas estruturas devem ser dimensionadas de modo a
suportar os esforços, pressões hidrostática e hidrodinâmica, acelerações da unidade, e
também deve suportar as cargas provenientes dos próprios risers.
Este projeto tem como objetivo realizar uma análise estrutural local de um suporte de
risers. As tensões normais, cisalhantes e von Mises (combinação de tensões) associadas
às estruturas da região de interesse serão verificadas e não devem exceder os critérios
estabelecidos por regra da sociedade classificadora.
Ao longo do projeto, serão apresentados os tipos de suportes de risers de plataformas
semissubmersíveis e FPSO’s e os carregamentos que devem ser considerados na
concepção de um modelo estrutural.
2
Tanto para a fase de projeto quanto para o caso de uma troca de riser, deve-se garantir
que a estrutura de suporte resista aos esforços provenientes da unidade flutuante e dos
próprios dutos. Assim, pode-se notar a extrema importância desse estudo, a fim de
garantir a integridade da estrutura e um bom funcionamento do sistema.
A modelação em elementos finitos e análise estrutural de um suporte se risers do
pontoon de uma plataforma semissubmersível serão realizados, comprovando que as
definições e concepções do modelo são válidas e úteis para trabalhos essenciais na área
de engenharia.
3
2. Tipos de Suportes de Risers
Um suporte de risers pode variar de acordo com os dutos que serão instalados, com a
sua posição na plataforma, com o tipo de unidade flutuante e com o sistema de
ancoragem.
Essas estruturas possuem a finalidade de suportar os risers de forma a garantir a
integridade estrutural da plataforma e dos próprios dutos, bem como a continuidade da
produção.
O projeto de um suporte de risers é feito considerando que os esforços provenientes dos
dutos sejam recebidos e distribuídos na estrutura de suporte que, por sua vez, os
transfere para a estrutura da plataforma. Devem ser incluídas estruturas que façam essa
transferência de forma harmoniosa. Sendo assim, os apoios do suporte são fixados à
unidade em estruturas primárias.
Dentre os fatores que são determinantes para posição de um suporte de risers está a
posição do módulo de produção da unidade. O suporte deve estar próximo ao local de
destino do óleo produzido, que pode tanto ser tanto transferido para um navio aliviador
quanto ser armazenado na própria plataforma.
Por ser uma região que é constantemente solicitada estruturalmente, deve-se ter uma
preocupação com o projeto dessas estruturas. A estrutura de suporte local para cada
riser deve ser considerada em uma análise de elementos finitos detalhada.
As forças dos risers terão efeito desprezível sobre a resposta global do navio, embora os
deslocamentos da unidade influenciem consideravelmente a estrutura de suporte.
Os tipos de suportes de risers encontrados em unidades do tipo FPSO e em plataformas
semissubmersíveis são apresentados a seguir.
2.1 FPSO
O FPSO (Floating Production Storage and Offloading) é uma unidade flutuante de
exploração de petróleo que possui funções de produção, armazenamento e
descarregamento para navios aliviadores. A unidade flutuante pode ser um navio novo
ou uma conversão de um navio antigo e consiste em uma estrutura de módulos de
produção, que recebem petróleo e gás de poços submarinos por meio de risers.
Para unidades do tipo FPSO, a estrutura de ligação entre os risers e o navio depende do
sistema de ancoragem. Essa estrutura pode se apresentar em duas configurações básicas:
balcão de risers e turret.
4
2.1.1 Balcão de risers
Para o sistema de ancoragem do tipo spread mooring, como mostrado na Figura 2.1, os
risers são normalmente instalados em uma plataforma no costado da unidade, próxima
ao convés principal. Essa plataforma é chamada de balcão de risers e é exposta às forças
de arrasto e inércia dos dutos. As forças totais resultantes dos risers serão
dimensionadas para o balcão, e a força de cada riser irá governar a estrutura de suporte
local.
Figura 2.1 – Sistema de ancoragem spread mooring e balcão de risers
Os balcões são construídos ao longo do costado do navio e interligados aos gigantes
transversais da embarcação. Geralmente, as unidades do tipo FPSO possuem dois
balcões: um na região do cintado do navio e o outro próximo à região do bojo.
A Figuras 2.2, 2.3, 2.4 e 2.5 mostram suportes de risers de FPSO.
5
Figura 2.2 – FPSO Petrobras 66
Figura 2.3 – Detalhe do balcão de risers do FPSO Petrobras 66
6
Figura 2.4 – Balcão de risers do FPSO Cidade de Ilhabela
Figura 2.5 – Detalhe do balcão de risers do FPSO Cidade de Ilhabela
7
2.1.2 Turret
Para os navios com ancoragem por turret, os risers estão ligados à parte inferior deste.
Os turrets podem ser externos, internos permanentes ou internos desconectáveis.
Turrets externos são presos ao casco na proa ou popa, e são muitas vezes utilizados em
conversões, em locais de águas calmas. A interface com o casco é geralmente
governada pelas forças locais do sistema de ancoragem e risers. A Figura 2.6 mostra o
esquema de um turret externo e a Figura 2.7 mostra o turret acoplado a um FPSO.
Figura 2.6 – Turret externo
8
Figura 2.7 – FPSO com turret externo
Turrets permanentes internos são projetados para ser parte integrante do casco e os
projetos de conexão destes ao casco podem ser significativamente diferentes, como
mostram a Figura 2.8 e a Figura 2.9. Alguns projetos usam suportes superiores para
suportar ambas as forças verticais e horizontais do sistema de ancoragem e risers.
Adicionalmente, uma estrutura de apoio inferior de suporte pode também ser utilizada.
Nesta situação, as estruturas de suporte superiores resistem à força vertical e parte das
forças horizontais de ancoragem e risers e a estrutura de suporte inferior resiste às
forças horizontais restantes. O momento gerado pela força resultante do sistema de
ancoragem e risers será, em tais casos, pequeno.
Alguns projetistas dispensam o suporte horizontal superior, fazendo com que o suporte
inferior resista às cargas horizontais totais. Como consequência, a estrutura de suporte
superior resiste somente às cargas verticais.
9
Figura 2.8 – Turret interno permanente com suportes superior e inferior
As estruturas de suporte podem também variar entre os projetos. Alguns projetos
utilizam suportes radiais acima do convés principal para transferir as forças verticais
diretamente para o cilindro do moonpool e gigantes transversais. Outros projetos de
turret alcançam uma distribuição uniforme da carga, através do suporte na interface da
estrutura, com uma caixa de torção situada no suporte superior.
Figura 2.9 – Turret interno permanente com caixa de torção
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Turrets internos desconectáveis estão ligados ao casco de modo que todo o turret, com
as linhas de ancoragem e risers associados, pode ser liberado de uma maneira simples,
como mostra a Figura 2.10. O turret irá então submergir a uma profundidade em que é
atingido um equilíbrio de forças; permitindo que o FPSO navegue para longe. O sistema
é comumente usado onde uma liberação rápida seja necessária em caso de uma
emergência, como possível colisão com icebergs ou condições meteorológicas
extremas. O conceito também é usado para navios de armazenamento e/ou navios
aliviadores. O turret pode ser reconectado à unidade por içamento para um recesso
localizado na parte inferior da estrutura do casco.
As componentes horizontais da carga são suportadas principalmente pelo suporte
inferior.
Figura 2.10 – Turret interno desconectável
A Figura 2.11 mostra um FPSO com turret interno e a Figura 2.12 apresenta o
detalhamento de um turret interno.
11
Figura 2.11 – FPSO com turret interno
Figura 2.12 – Detalhamento de um turret interno
12
2.2 Plataforma Semissubmersível
Plataformas semissubmersíveis são estruturas flutuantes destinadas à produção ou à
completação e perfuração de poços submarinos. São constituídas de flutuadores
(pontoons) sobre os quais se apoiam colunas, com contraventamentos (bracings), nas
quais se apoiam os conveses. Essas plataformas caracterizam-se por serem lastreadas na
locação, de modo a se obter estabilidade durante sua operação.
As plataformas de produção ficam ancoradas no local de operação. O sistema de
ancoragem pode ser do tipo convencional, onde as linhas estão instaladas em catenária,
presas ao fundo do mar por âncoras de resistência horizontal, ou do tipo taut-leg,
constituído por linhas esticadas utilizando como ponto de apoio no solo âncoras de
resistência vertical ou estacas de sucção, tradicionais ou torpedo.
O processo de produção de uma plataforma semissubmersível é semelhante ao processo
de um FPSO, sendo que não possui capacidade de armazenamento. Dutos flexíveis
(risers) levam o petróleo de poços submarinos para a plataforma, e são conectados a
esta por suportes de risers. Esses suportes estão localizados no spider deck e nos
pontoons da unidade.
2.2.1 Suporte de risers no spider deck
A interligação dos dutos de produção com a plataforma é feita no spider deck, onde está
localizada uma estrutura de suporte risers. Essa estrutura é a interface dos risers com a
unidade flutuante, de modo a receber os esforços provenientes de ambos.
As Figuras 2.13 e 2.14 mostram suportes de risers do spider deck de plataformas
semissubmersíveis.
13
Figura 2.13 – Detalhe de um suporte de risers no spider deck da plataforma Petrobras 51
Figura 2.14 – Detalhe de um suporte de risers no spider deck da plataforma Petrobras 26
14
2.2.2 Suporte de risers no pontoon
Os suportes de risers localizados no pontoon de uma plataforma semissubmersível têm
como principal função o apoio para os suportes localizados no spider deck. Essas
estruturas são necessárias para distribuir melhor as tensões provenientes dos dutos, que
ficariam concentradas nos suportes do spider deck.
As tensões e momentos que agem na estrutura de suporte são causados pelos
carregamentos de risers, pelas pressões hidrostáticas nas partes internas e externas do
pontoon, pelo peso próprio da estrutura e pelos carregamentos dinâmicos.
A instalação de conectores nesta elevação tem como principal vantagem o alívio da
carga no convés, uma vez que praticamente toda a carga proveniente dos risers será
compensada pelo sistema de lastro da plataforma.
A Figura 2.15 mostra um desenho de suportes de risers localizados no pontoon de uma
plataforma semissubmersível.
Figura 2.15 – Desenho de suportes de risers no pontoon de uma plataforma semissubmersível
15
A Figura 2.16 a seguir mostra um riser rígido em catenária destinado à importação de
fluido, conectado à plataforma no pontoon.
Figura 2.16 – Riser rígido em catenária e sua conexão à plataforma
16
A partir de desenhos estruturais de projeto dos suportes de risers de um FPSO ou do
suporte de risers de plataformas semissubmersíveis, pode-se fazer um modelo e analisa-
lo em um programa computacional utilizando o método de elementos finitos. Com o
modelo definido, podem-se avaliar as tensões na região desejada e verificar se estas
atendem às solicitações estruturais.
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3. Concepção do Modelo Estrutural
Na fase de concepção do modelo, devem-se definir os elementos que influenciam na
análise e precisam ser modelados. Os desenhos estruturais são de extrema importância
para a visualização dos elementos com as suas características, bem como espessuras das
chapas, seções das vigas e os materiais utilizados.
Como a região que deve ser analisada é bem específica, pode-se fazer um modelo local
para representá-la, sem a necessidade de modelar a plataforma inteira, o que faz com
que a modelação e a análise sejam feitas em menos tempo.
A extensão do modelo deve ser definida de forma a representar bem a unidade flutuante
como um todo. Os esforços provenientes da unidade devem ser considerados no modelo
local da região de interesse. Os limites do modelo devem ser anteparas ou gigantes,
onde são mais facilmente definidas as condições de contorno.
Geralmente são modelados os elementos primários e secundários, que devem ser
analisados quanto às tensões atuantes nessas estruturas. Elementos como borboletas, por
exemplo, não precisam ser modelados em uma análise local, a não ser que haja uma
concentração de tensões que precise ser detalhada.
No projeto dos suportes de risers são utilizadas modernas ferramentas computacionais
para a avaliação dos níveis de tensão das estruturas. Dentre estas ferramentas, podem-se
destacar aquelas que fazem uso do método de elementos finitos.
Com o modelo definido com suas características e condições de contorno, podem ser
aplicados os carregamentos. Estes variam de acordo com os dados obtidos de análises
de cada duto flexível.
3.1 Carregamentos Elementares
Os carregamentos elementares são aqueles básicos que devem ser combinados para
representar uma determinada condição de carregamento. Cada carregamento deve ser
aplicado considerando as propriedades e materiais da estrutura, o local de operação, o
tipo de unidade flutuante, as cargas dos risers e a posição do suporte na plataforma.
A seguir são apresentados os carregamentos elementares que devem ser combinados
para representar condições de carregamento nos suportes de risers de plataformas
semissubmersíveis e FPSO’s.
18
3.1.1 Peso total da estrutura
O peso da estrutura de um suporte de risers é um carregamento elementar que tem
grande influência nas tensões atuantes na estrutura e deve ser calculado e considerado
em todas as condições de carregamento e para todos os tipos de suporte. Na análise
realizada no presente relatório, o peso próprio será calculado pelo próprio software, de
acordo com os materiais e espessuras aplicados no modelo.
3.1.2 Cargas estáticas
As cargas estáticas que agem diretamente na estrutura do modelo local devem ser
consideradas em todos os tipos de suportes de risers. Entretanto, em cada tipo de
estrutura de suporte há cargas estáticas de origens diferentes atuando. Essas cargas de
diferentes origens devem ser aplicadas no modelo de diferentes formas.
Os tipos de cargas estáticas que podem atuar em estruturas de suportes de risers de
unidades do tipo FPSO e plataformas semissubmersíveis são:
Pressão hidrostática
Carregamento de ancoragem;
Sobrecarga.
Para balcões de risers de FPSO’s, a pressão hidrostática incidindo no costado da
embarcação e a pressão hidrostática nas anteparas, devem ser representadas no modelo
numérico e consideradas na análise do modelo local. Para balcões na região do cintado,
somente a pressão hidrostática atuante nas anteparas deve ser considerada. Para balcões
submersos, além da pressão nas anteparas, deve ser considerada a pressão atuante no
balcão como um todo, calculada de acordo com a profundidade em que se encontra.
Na análise de turret de FPSO’s, as cargas estáticas podem variar de acordo com a
posição do suporte de risers. Se o turret estiver submerso, deve ser considerada a
pressão hidrostática. O carregamento das linhas de ancoragem também pode ser
considerado dependendo da posição destas em relação ao suporte de risers.
No modelo estrutural de suportes de risers no spider deck, as cargas estáticas atuantes
são consideradas como uma sobrecarga aplicada no próprio convés, que representa o
acesso a pessoas e quaisquer equipamentos que possam ser ali colocados.
Em modelos locais de pontoons de plataformas semissubmersíveis, a pressão
hidrostática devido ao mar deve ser considerada atuando tanto no suporte de risers
quanto no próprio casco do pontoon e calculada de acordo com a profundidade. A
pressão devido aos fluidos dentro dos tanques do pontoon, se houver, também deve ser
considerada.
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3.1.3 Cargas dinâmicas (ambientais)
Os carregamentos de origem ambiental são dinâmicos, ou seja, variam com o tempo.
Essas cargas dependem da localização da unidade flutuante e da posição do suporte de
risers na plataforma. Dentre essas cargas, as consideradas para as análises dos suportes
são:
Carregamento de onda;
Carregamento de vento.
Para estruturas locais de suporte de unidades do tipo FPSO, esses carregamentos podem
ser considerados de diferentes formas, dependendo do tipo e da localização do suporte.
Um balcão de risers na região do cintado sofre ação do vento. Já um balcão submerso
não sofre ação do vento, mas a onda está atuando. Esses dois agentes (vento e onda)
devem ser considerados nas análises locais das estruturas modeladas.
O turret pode ter sua estrutura afetada por agentes ambientais, mas também dependendo
do tipo e localização da estrutura de suporte. Se for um turret externo, este pode sofrer
ação tanto de onda quanto de vento. Já para um turret interno, somente ondas atuam na
estrutura.
Suportes de risers localizados no spider deck devem ser analisados considerando a ação
do vento no próprio convés e da estrutura de suporte, dependendo da localização do
suporte. Geralmente o vento pouco influencia na estrutura, mas, para efeito de cálculo,
devem ser consideradas todas as cargas atuantes.
Considerando que o pontoon de uma plataforma semissubmersível está todo submerso
em sua condição de operação, a única carga dinâmica atuante na estrutura é o
carregamento de onda, que deve ser aplicado em toda a extensão do pontoon e suporte
de risers.
3.1.4 Carregamentos globais
Os carregamentos globais são aqueles que atuam na estrutura da plataforma como um
todo e seus efeitos devem ser considerados nas análises de modelos locais. Esses
carregamentos são aplicados em um modelo global da unidade e devem ser transferidos
para o modelo local em forma de deslocamentos. Essas cargas variam de acordo com a
unidade e tipo de suporte de risers, e são eles:
Carregamento de peso/empuxo;
Carregamento de onda;
Acelerações.
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Para o caso de plataformas do tipo FPSO, as cargas provenientes do carregamento de
peso/empuxo da viga-navio devem ser consideradas no modelo para representar a
interferência dos esforços do modelo global na estrutura local do suporte de risers. O
momento fletor e esforço cortante do modelo global geram deslocamentos que
geralmente são aplicados nas condições de contorno do modelo local. O carregamento
de onda atuando na unidade também deve ser considerado, pois provoca deslocamentos
no modelo global que devem ser transferidos para o modelo local do suporte.
Em plataformas semissubmersíveis, o carregamento de peso/empuxo e o carregamento
de onda devem ser considerados para os suportes localizados no pontoon da unidade.
Para suportes localizados no spider deck, a ação de carregamentos globais na estrutura
local deve ser considerada como acelerações.
O movimento das unidades geram acelerações que devem ser consideradas nos modelos
locais da estrutura de suporte de risers. Em alguns casos, essas acelerações podem ser
desprezadas se os valores forem muito pequenos.
Geralmente para modelos locais de suportes de plataformas semissubmersíveis as
acelerações são pequenas devido à forma da unidade, que é projetada para ter pouca
movimentação.
Os movimentos de plataformas do tipo semissubmersível e do tipo FPSO estão
ilustrados nas Figuras 3.1 e 3.2 a seguir.
Figura 3.1 – Movimentos de uma plataforma semissubmersível
21
Figura 3.2 – Movimentos de uma plataforma tipo FPSO
3.1.5 Cargas dos risers
O projeto das conexões dos risers à plataforma deve ser feito de tal maneira que se
reduza ao mínimo qualquer excentricidade que possa introduzir efeitos secundários de
flexão ou torção.
As cargas máximas de tensão, momento fletor e esforço cortante de cada riser ou
umbilical, devem ser fornecidas por análises individuais de cada duto. Os valores
obtidos nessas análises devem ser aplicados no modelo de forma a representar a real
ação das cargas dos risers na estrutura de suporte.
A forma de aplicação dessas cargas varia de acordo com o tipo de riser e com sua
localização na unidade flutuante. Para os dutos que passam pelos suportes do pontoon e
do spider deck, por exemplo, as forças e momentos atuantes são distribuídos nos dois
suportes.
Como o estudo trata de uma análise local de um suporte de risers, essas cargas devem
ser consideradas para todos os tipos de suportes, tanto de unidades do tipo FPSO quanto
de plataformas semissubmersíveis.
22
3.2 Carregamentos Associados aos Tipos de Suportes
Para representar uma determinada condição de carregamento, devem ser combinados os
carregamentos elementares que, aplicados ao modelo, reproduzem todas as cargas que
atuam na estrutura real.
A análise estrutural local de um modelo de suporte de risers é feita baseada em
condições de carregamento, e entre elas devem estar as condições críticas, para que seja
assegurado que, mesmo para condições em que a estrutura é mais solicitada, o projeto
foi bem executado e atende aos critérios estabelecidos por sociedade classificadora.
A Tabela 3.1 mostra os carregamentos elementares que devem ser considerados para a
análise local de cada tipo de suporte de risers.
Tabela 3.1 – Tipos de suporte de risers e seus carregamentos elementares
Carregamentos
Tipos de suporte de risers
FPSO Plataforma
semissubmersível
Balcão
de risers
no
cintado
Balcão
de risers
submerso Turret
Suporte
no
spider
deck
Suporte
no
pontoon
Peso total da estrutura X X X X X
Cargas estáticas
Pressão hidrostática X X X X
Sobrecarga X
Ancoragem X Cargas
dinâmicas
(ambientais)
Onda
X X
X
Vento X
X
Carregamentos
globais
Peso / empuxo X X X X
Onda X X X X
Acelerações X
Cargas dos risers X X X X X
Deve ser feita uma combinação com todas as cargas consideradas para que possa ser
feita a análise estrutural local. Os fatores e critérios para combinar os carregamentos são
definidos por regra.
23
4. Exemplo de Modelação
Para exemplificar os estudos de tipos de suportes de risers e suas concepções de modelo
estrutural, será feito um modelo em elementos finitos que será analisado no que diz
respeito às tensões atuantes na estrutura.
A estrutura modelada é parte de uma plataforma do tipo semissubmersível que possui
flutuadores (pontoons) paralelos e de calado 23.1 metros. O suporte de risers que será
analisado está localizado no pontoon da unidade.
Para garantir maior precisão nos resultados das análises, serão modelados o suporte e a
região do pontoon próxima a ele. O software utilizado na modelação é o GENIE (v.6.9-
05), desenvolvido pelo DNV Software.
Na elaboração de um modelo numérico, será utilizada a técnica de submodelos para
consideração do suporte dos risers, onde o procedimento básico é composto por:
Obtenção de resultados de uma análise global da estrutura;
Criação de um submodelo com malha refinada na região de interesse;
Interpolação dos deslocamentos computados da análise global e transferência
para a região de interface entre o modelo global e o submodelo local;
Aplicação dos carregamentos locais;
Análise do submodelo incorporando a influência do modelo global.
Após fazer uma análise global, certamente os resultados não serão detalhados
suficientemente em algumas áreas. Pode-se então utilizar essa técnica criando um novo
modelo (um submodelo) detalhando a área de interesse e aplicando condições de
contorno de forma que o software SUBMOD (v.3.2-01), também do DNV Software,
possa interpolar e extrair resultados do modelo global e aplicar ao submodelo.
A Figura 4.1 mostra o submodelo acoplado ao modelo global da plataforma.
24
Figura 4.1 – Submodelo x Modelo Global
4.1 Sistema de Referência
Para iniciar a modelação, deve-se definir o sistema de referência que será utilizado.
Como faremos a transferência de deslocamentos do modelo global para o local, o
sistema de referência que deve ser adotado para o submodelo é o mesmo sistema do
modelo global.
As características do sistema de referência da unidade, que foi utilizado na elaboração
do modelo numérico, são apresentadas abaixo:
Origem: interseção do plano de base, plano diametral e plano de seção mestra.
Eixo X: eixo longitudinal, positivo para vante;
Eixo Y: eixo transversal, positivo para bombordo; e
Eixo Z: eixo vertical positivo para cima.
A Figura 4.2 apresenta o sistema de referência adotado.
25
Figura 4.2 – Sistema de referência
4.2 Extensão do Modelo
A extensão do submodelo deve ser definida de forma a contemplar todos os suportes de
risers que devem ser analisados e mais uma parte de estrutura próxima ao suporte, para
que as condições de contorno não fiquem exatamente na região de interesse, o que
poderia ocasionar concentrações de tensões.
Assim, determinou-se que seriam modelados os suportes 29, 30, 31, 32 e 33, como
mostra a Figura 4.4, e uma parte do pontoon, próxima aos suportes.
O submodelo, ilustrado na Figura 4.3, abrange a seguinte extensão:
Longitudinal: da caverna 31 à caverna 63;
Transversal: Largura do pontoon (16.0 m);
Vertical: da Linha de base (0.0 m) até o convés do pontoon (9.1 m).
26
Figura 4.3 - Submodelo
O chapeamento, as vigas gigantes e as borboletas foram modelados como elementos de
placa enquanto os reforçadores secundários como elementos de viga.
A estrutura da região analisada está apresentada na Figura 4.4 e na Figura 4.5.
Figura 4.4 – Suportes contemplados na análise
27
Figura 4.5 – Suportes de risers – Localização
28
4.3 Condição de Contorno
Ao utilizar a técnica de submodelos, a condição de contorno é dada pela ligação com o
modelo global da própria unidade flutuante. Os resultados do modelo global são
aplicados ao submodelo através de deslocamentos/rotações nas suas extremidades,
conforme ilustrado na Figura 4.6.
Figura 4.6 – Condição de contorno
29
4.4 Materiais
O seguinte material foi utilizado na definição do submodelo:
Aço NV A36
As propriedades deste aço podem ser vistas na
Tabela 4.1, e a Figura 4.7 mostra onde ele foi aplicado.
Tabela 4.1 – Propriedades do material utilizado
Material
Tensão de
Escoamento
Fy (MPa)
Módulo de Young
E (MPa)
Constante de
Poisson
Massa
Específica
(kg/m³)
Aço NV
A36 355 210000 0.3 7850
Figura 4.7 – Material aplicado no modelo local
30
4.5 Propriedades do Modelo
A Figura 4.8 e a Figura 4.9 apresentadas a seguir exibem, respectivamente, as
espessuras das chapas e as seções das vigas utilizadas na representação do submodelo.
Figura 4.8 – Espessuras das chapas do submodelo (em mm)
Figura 4.9 – Seções das vigas representadas no submodelo (em mm)
31
Na Figura 4.8 das espessuras do chapeamento, a legenda “t_10” representa 10 mm, a
legenda “t_11” representa 11 mm e assim por diante.
Maiores informações sobre as seções utilizadas no submodelo e mostradas na Figura
4.9, podem ser vistas na Tabela 4.2.
.
Tabela 4.2 – Seções utilizadas no submodelo
Seção Altura Alma Espessura Alma Largura Flange Espessura Flange
(mm)
Bar_300x20 300.0 20.0 - -
Bar_250x15 250.0 15.0 - -
Bar_200x15 200.0 15.0 - -
L_350x120x10.5x16 350.0 10.5 120.0 16.0
L_325x120x11.5x15 325.0 11.5 120.0 15.0
L_300x100x10.5x15 300.0 10.5 100.0 15.0
L_250x90x10.5x15 250.0 10.5 90.0 15.0
L_250x90x9x13 250.0 9.0 90.0 13.0
4.6 Malha
O tamanho máximo dos elementos no modelo local para a verificação dos critérios de
escoamento e flambagem não excedeu 380 mm. Foi feito um refinamento na região de
interesse do suporte onde o tamanho máximo dos elementos não excedeu 50 mm. A
Figura 4.10, a Figura 4.11 e a Figura 4.12 apresentam detalhes da malha gerada no
exterior e interior do pontoon, respectivamente.
32
Figura 4.10 – Malha gerada a partir do modelo geométrico – Exterior do Pontoon (380 mm)
Figura 4.11 – Malha gerada a partir do modelo geométrico – Interior do Pontoon (380
mm)
33
Figura 4.12 – Malha gerada a partir do modelo geométrico – Detalhe no suporte dos risers (50
mm)
4.7 Carregamentos
Serão analisadas seis combinações de carregamento, considerando: peso próprio da
estrutura, pressão hidrostática (empuxo), carregamentos dos risers e seis diferentes
carregamentos hidrodinâmicos.
Os carregamentos elementares aplicados no modelo para a verificação da resistência
estrutural estão apresentados a seguir.
Os carregamentos globais serão transferidos para o submodelo através do software
SUBMOD, aplicados na condição de contorno do modelo, e não serão considerados
como carregamentos elementares nesta seção.
4.7.1 Peso total da estrutura
O peso total da estrutura do modelo local foi calculado pelo próprio software
considerando os escantilhões dos elementos, conforme desenhos de referência, e uma
massa específica de 7850 kg/m³ para todos os elementos modelados.
O valor calculado para o peso próprio da estrutura configura um caso de carregamento e
é considerado em todas as condições de carregamento.
34
4.7.2 Pressão hidrostática
A pressão hidrostática (empuxo) atuando no casco do modelo (fundo, costado e convés
do pontoon), considerando o calado de operação da unidade (23.1 m), foi aplicada como
mostrado na Figura 4.13 e calculado como mostra a formulação a seguir. Esse
carregamento também é permanente e é considerado em todas as condições de
carregamento.
𝑝 = 𝜌𝑔ℎ = 1025𝑘𝑔
𝑚3 𝑥 9.81
𝑚
𝑠2 𝑥 ℎ
Figura 4.13 – Pressão hidrostática aplicada ao submodelo
35
4.7.3 Carga dos risers
A Tabela 4.3 apresenta as cargas de risers para as quais os suportes foram verificados.
Tabela 4.3 – Carregamento de risers
Suporte Diâmetro Carregamentos
Axial (t) Momento XY
(t.m) Cortante Y
(t)
29 11.06" 240.16 32.31 44.24
30 11.06" 238.53 32.82 43.53
31 9.13" 181.64 30.98 34.61
32
4" 46.69 5.62 9.6
- 22.79 - -
2.5" 26.41 4.43 6.6
33 6" 80.5 6.7 5.6
- 29.3 11.7 13.5
Os pontos de aplicação das cargas informadas são apresentados na Figura 4.14, na
Figura 4.15 e na Figura 4.16.
Figura 4.14 – Ponto de aplicação das cargas para os suportes 29 e 30
36
Figura 4.15 – Ponto de aplicação das cargas para o suporte 31
Figura 4.16 – Desenho do ponto de aplicação das cargas para os suportes 32 e 33
37
A Figura 4.17 apresenta a aplicação dessas cargas no modelo numérico.
Figura 4.17 – Momento, força cortante e axial
4.7.4 Pressão hidrodinâmica
O efeito da onda atuando na embarcação é definido como uma carga que representa a
pressão hidrodinâmica atuando no casco do modelo (fundo, costado e convés do
pontoon). Este foi considerado através do programa Wadam (v.8.1-09), desenvolvido
pelo DNV Software. A Figura 4.18 mostra os efeitos causados pelas ondas de projeto e
a Tabela 4.4 mostra os valores de pico para cada onda.
Figura 4.18 – Efeitos das ondas de projeto
38
Tabela 4.4 – Ondas de projeto
Onda de Projeto Descrição Direção - q Período - TH (s) Amp. - ad (m) Altura - H (m)
Aceleração
Longitudinal Onda 1 0º 6.4 3.1 6.3
Cortante
Longitudinal
Onda 2 30º 6.4 3.5 6.9
Onda 3 60º 9.5 6.3 12.7
Aceleração
Transversal Onda 4 90º 6.8 3.9 7.8
Força de
Separação Onda 5 90º 9.2 5.7 11.4
Momento
Torsor Onda 6 135º 8.2 5.4 10.9
4.7.5 Combinações de carregamentos
Considerando o peso total da estrutura, a pressão hidrostática (empuxo), o carregamento
dos risers e seis diferentes carregamentos hidrodinâmicos, têm-se, no total, seis
combinações de carregamento. A Tabela 4.5 ilustra as combinações consideradas e os
fatores aplicados a cada carregamento.
Tabela 4.5 – Combinações de carregamento
Combinação Peso Empuxo Riser Onda1 Onda 2 Onda3 Onda4 Onda5 Onda6
1 1.0 1.0 1.0 1.0
2 1.0 1.0 1.0 1.0
3 1.0 1.0 1.0 1.0
4 1.0 1.0 1.0 1.0
5 1.0 1.0 1.0 1.0
6 1.0 1.0 1.0 1.0
39
O peso considerado no submodelo inclui o peso deste modelo acrescido dos
deslocamentos impostos pelo peso do modelo global. O mesmo acontece para o
empuxo, que além da pressão hidrostática atuando no casco do modelo local considera
os deslocamentos consequentes do empuxo do modelo global. Para as cargas de risers e
as cargas hidrodinâmicas apenas as forças e momentos atuantes no submodelo foram
consideradas.
4.8 Resultados
A análise estrutural dos resultados consiste em verificar as tensões normais, cisalhantes
e von Mises (combinação de tensões) associadas às estruturas da região de interesse, e
estas não devem exceder os critérios estabelecidos por regra da sociedade classificadora.
Os critérios foram baseados em DNV-OS-C201 – Structural Design of Offshore Units
(WSD Method), referência [4], que estabelecem que as tensões individuais dos
elementos e as tensões de von Mises equivalentes não podem ultrapassar a tensão de
escoamento do material.
O método utilizado na análise é o WSD (Working Stress Design), também conhecido
como método da tensão admissível, que é um método em que o nível de segurança
desejado é alcançado pela comparação da tensão calculada para diferentes condições de
carregamento com a tensão máxima admissível definida pela multiplicação da
resistência característica do material ou capacidade do elemento estrutural com fatores
de utilização admissíveis. As possíveis condições de carregamento são apresentadas na
Tabela 4.6.
Tabela 4.6 – Working Stress Design – Condições de carregamento
Condições de carregamento
Caso Descrição
a) Cargas funcionais permanentes
b) Combinação máxima de cargas ambientais e cargas funcionais permanentes associadas
c) Cargas acidentais e cargas funcionais associadas
d) Valor anual mais provável de cargas ambientais e cargas funcionais associadas após
falhas, ou após eventos acidentais
e) Valor anual mais provável de cargas ambientais e cargas funcionais associadas em uma
condição de adernamento correspondente à alagamento acidental
Os fatores de utilização admissíveis são uma função da condição de carga, modo de
falha e da importância do elemento de força.
40
O fator de utilização admissível máximo, ηp, é calculado por:
𝜂𝑝 = 𝛽𝜂0
Onde:
η0 = fator de utilização básico, mostrados na Tabela 4.7;
β = coeficiente dependente do tipo de estrutura, modo de falha e redução de espessura.
Tabela 4.7 – Fatores de utilização básicos
Fatores de utilização básicos (𝜂0)
Condições de carregamento
a) b) c) d) e)
𝜂0 0.60 0.80 1.00 1.00 1.00
Os fatores básicos de utilização são aplicados para considerar:
Possíveis desvios desfavoráveis das cargas;
A probabilidade reduzida de que várias cargas atuando em conjunto atuarão
simultaneamente;
Incertezas no modelo e na análise utilizados para a determinação dos efeitos da
carga;
Possíveis desvios desfavoráveis na resistência dos materiais;
Possível redução da resistência dos materiais na estrutura, como um todo, em
comparação com os valores deduzidos a partir de amostras de teste.
De acordo com a referência [4], o coeficiente β deve ser igual a 1.0 para a verificação
de tensões de escoamento.
O critério de tensão máxima admissível (critério de escoamento) foi adotado como 80%
da tensão de escoamento do material, para a condição de operação, pois representam a
combinação de cargas ambientais e cargas permanentes associadas, de acordo com
DNV-OS-C201 – Structural Design of Offshore Units (WSD Method), referência [4].
Sendo assim, para o Aço NV A-36 encontrado no pontoon e no suporte de risers, tem-
se:
σadm= 0.8 x 355 MPa = 284 MPa
Para garantir a integridade estrutural da região representado no submodelo, será feito
uma verificação do critério de escoamento tanto para os elementos de placa como para
41
os elementos de viga. As tensões individuais dos elementos estruturais definidos no
projeto e as tensões de von Mises (tensões combinadas) para os elementos de placa não
devem exceder a resistência do material.
De acordo com a referência [4], painéis reforçados devem ser verificados quanto à
flambagem. Após a verificação de escoamento, será realizada uma verificação de
flambagem do chapeamento do pontoon e do suporte de riser, de acordo com DNV-RP-
C201 – Buckling Strength of Plated Structures, referência [6].
O software responsável pela análise estrutural linear estática foi o SESTRA (v.8.8-02) e
o pós-processador, que apresentou os resultados, foi o XTRACT (v.2.1-00), ambos
desenvolvidos pelo DNV Software.
4.8.1 Critério de Escoamento – Elementos de Placa
A análise do critério de escoamento para elementos de placa consiste basicamente em
verificar se as tensões de von Mises não ultrapassam a resistência do material. A
verificação dessas tensões engloba as tensões individuais, já que é uma combinação
destas.
Foram calculadas as tensões de von Mises dos elementos de placa do pontoon e do
suporte de risers para todas as condições especificadas na seção 4.7.5 do presente
relatório.
Para elementos de placa, as tensões de von Mises são calculadas e definidas pela
seguinte expressão:
𝜎𝑣𝑜𝑛𝑀𝑖𝑠𝑒𝑠 = √𝜎𝑥2 + 𝜎𝑦
2 − 𝜎𝑥𝜎𝑦 + 3𝜏2
Onde:
σx e σy são tensões de membrana nas direções X e Y, respectivamente;
τ é a tensão de cisalhamento no plano XY.
O programa XTRACT possui uma função chamada SCAN onde o programa efetua uma
varredura capturando os casos mais críticos para uma determinada tensão que se deseja
analisar. Através dessa função, foi analisada uma envoltória crítica evidenciando os
máximos valores de tensões de von Mises para as combinações de carregamento citadas
anteriormente.
42
Observa-se nas Figuras 4.19 à 4.22 que as tensões mais elevadas encontradas no
pontoon são da ordem de 250 MPa e, portanto, inferiores à tensão admissível (284
MPa).
Figura 4.19 – Tensões de von Mises (em Pa) – Costado
43
Figura 4.20 – Tensões de von Mises (em Pa) – Convés
Figura 4.21 – Tensões de von Mises (em Pa) – Interior do pontoon
44
Figura 4.22 – Tensões de von Mises (em Pa) – Interior do pontoon
Após realizar as análises do suporte de risers, verificou-se que, para todas as
combinações de carregamento, as máximas tensões de von Mises mantiveram-se acima
da tensão admissível (284 MPa). A região crítica está localizada próximo ao suporte 31.
Observa-se que estas tensões altas devem-se quase que exclusivamente ao carregamento
local dos risers, com pouca influência dos demais carregamentos atuantes no modelo
(pressão hidrostática/hidrodinâmica ou peso).
As regiões críticas encontradas considerando o critério de tensão máxima admissível
(80% da tensão de escoamento do material) são apresentadas na Figura 4.23 e na Figura
4.24. Maiores detalhes sobre suas extensões são relatados da Figura 4.25 à Figura 4.34.
45
Figura 4.23 – Tensões de von Mises (em Pa) – Suporte de risers
Figura 4.24 – Tensões de von Mises (em Pa) – Suporte de risers
46
Figura 4.25 – Extensão da região crítica (em Pa) – Suporte de risers
Figura 4.26 – Tensões de von Mises (em Pa) – Suporte de risers
47
Figura 4.27 – Extensão da região crítica (em Pa) – Suporte de risers
Figura 4.28 – Tensões de von Mises (em Pa) – Suporte de risers
48
Figura 4.29 – Extensão da região crítica (em Pa) – Suporte de risers
Figura 4.30 – Tensões de von Mises (em Pa) – Suporte de risers
49
Figura 4.31 – Extensão da região crítica (em Pa) – Suporte de risers
Figura 4.32 – Tensões de von Mises (em Pa) – Suporte de risers
50
Figura 4.33 – Extensão da região crítica (em Pa) – Suporte de risers
Figura 4.34 – Tensões de von Mises (em Pa) – Suporte de risers
51
4.8.2 Critério de Escoamento – Elementos de Viga
A verificação do critério de escoamento para os elementos de viga do pontoon deve ser
feita individualmente para cada componente de tensão.
Após ser feito o SCAN em relação às combinações de carregamento apresentadas na
seção 4.7.5 do presente relatório, foram definidas as tensões principais críticas atuantes
nas vigas. As Figuras 4.35 a 4.40 ilustram as componentes de tensão extraídas do
envelope.
Figura 4.35 – Elementos de vigas (em Pa) – Sigxx
52
Figura 4.36 – Elementos de vigas (em Pa) – Sigbyx
Figura 4.37 – Elementos de vigas (em Pa) – Sigbzx
53
Figura 4.38 – Elementos de vigas (em Pa) – Tautx
Figura 4.39 – Elementos de vigas (em Pa) – Tauxy
54
Figura 4.40 – Elementos de vigas (em Pa) - Tauxz
Como podemos ver nas componentes de tensão apresentadas acima, todas ficaram
dentro do critério de avaliação (284 MPa), chegando a valores máximos próximo a 160
MPa.
4.8.3 Flambagem
O modelo estrutural do pontoon e suporte de risers da unidade também foram
verificados no que diz respeito à flambagem. A análise de flambagem foi baseada na
DNV-RP-C201 – Buckling Strength of Plated Structures, referência [6].
Os máximos valores de tensões de flambagem foram determinados via função SCAN do
XTRACT, analisando uma envoltória crítica em todas as combinações de
carregamentos do presente relatório.
Em seguida, a verificação dos critérios de flambagem foi feita com o auxílio do
software STIPLA (DNVRP 1.8), onde é possível inserir a topologia, as propriedades
geométricas da estrutura e as máximas tensões de flambagem atuantes do costado do
pontoon e no suporte de risers.
55
A Figura 4.41, a Figura 4.42 e a Figura 4.43 mostram o campo de tensões Sigmx,
Sigmy, e Taumxy para a envoltória crítica analisada (tensões de membrana). As tensões
máximas do pontoon consideradas na verificação da flambagem ficaram restritas a
região próxima ao suporte, pois esta foi a região afetada pela alteração nas cargas dos
risers.
Figura 4.41 – Envoltória crítica para o campo de tensões Sigmx (em Pa) – Costado
Analisando os valores da envoltória critica para as tensões normais Sigmx no costado
do pontoon, como mostra a Figura 4.41, pode-se observar que os maiores valores na
região próxima ao suporte são da ordem de -94.1 MPa.
56
Figura 4.42 – Envoltória crítica para o campo de tensões Sigmy (em Pa) – Costado
Analisando os valores da envoltória critica para as tensões Sigmy no costado do
pontoon, como mostra a Figura 4.42, podem-se observar valores da ordem de -58.0
MPa.
57
Figura 4.43 – Envoltória crítica para o campo de tensões Taumxy (em Pa) – Costado
Analisando os valores da envoltória critica para as tensões cisalhantes Taumxy no
costado do pontoon, como mostra a Figura 4.43, podem-se observar valores da ordem
de -39.9 MPa.
A partir dos valores obtidos nas envoltórias críticas, foram geradas análises através do
programa STIPLA. A Figura 4.44 apresenta os resultados para o painel reforçado típico
(chapa + reforço).
58
Figura 4.44 – Verificação de flambagem para o chapeamento e os reforçadores do costado do
pontoon
Analisando os resultados obtidos na Figura 4.44, pode-se concluir que a estrutura do
pontoon atende aos critérios de flambagem.
59
Para a verificação de flambagem do suporte de risers, a região sujeita às maiores
tensões compressivas, e consequentemente sujeita à flambagem, está destacada na
Figura 4.45.
Figura 4.45 – Região do suporte de risers mais sujeita à flambagem
A Figura 4.46 ilustra o campo de tensões SigmY para a envoltória crítica analisada.
60
Figura 4.46 – Envoltória crítica para o campo de tensões SigmY (em Pa) – Região do suporte de
risers
Analisando os valores da envoltória critica para as tensões de membrana SigmY no
suporte, como mostra a Figura 4.46, pode-se observar que os maiores valores são da
ordem de -145.0 MPa.
Para o suporte foram apresentadas apenas as tensões de membrana sigma YY, pois estas
são as tensões mais relevantes para esta região. As tensões de membrana sigma XX
estão na ordem de -19.7 MPa e as tensões cisalhantes Tau XY estão na ordem de -44.1
MPa.
A partir dos valores obtidos nas envoltórias críticas, foram geradas análises através do
programa STIPLA. A Figura 4.47 apresenta os resultados para o painel reforçado típico
(chapa + reforço).
61
Figura 4.47 – Verificação de flambagem para o chapeamento e os reforçadores do suporte de
risers
Analisando os resultados obtidos na Figura 4.47, pode-se concluir que a estrutura do
suporte atende aos critérios de flambagem.
62
4.8.4 Análise dos Resultados
O estudo apresentado refere-se à verificação da resistência estrutural do suporte de
risers localizado no pontoon de uma plataforma semissubmersível, bem como da
estrutura do casco ao entorno da região afetada.
Tal estudo foi executado com o auxílio de um modelo estrutural em elementos finitos,
considerando as combinações de carregamentos apresentadas na seção 4.7.5 deste
relatório. Vale ressaltar que não foi realizada nenhuma consideração com relação à
fadiga ou cargas acidentais.
Seguem abaixo os critérios verificados na análise estrutural e suas respectivas
conclusões.
Critério de Escoamento – Elementos de Placa:
Através da análise de escoamento nas placas foram observadas algumas áreas de
concentração de tensão no suporte 31. Como as tensões estão acima da tensão
admissível (284 MPa), pode-se concluir que os resultados da verificação do critério de
escoamento no suporte não são satisfatórios. – Ver seção 4.8.1.
Não foram observadas áreas de concentração no casco (pontoon), onde as tensões estão
abaixo do critério de tensão admissível. – Ver seção 4.8.1.
Análise do Critério de Escoamento – Elementos de Viga:
Foram modelados como elementos de vigas apenas os reforçadores secundários do
pontoon. Nas vigas, os resultados da análise de escoamento foram satisfatórios, sendo
então concluído que as tensões atuantes encontram-se abaixo do critério de escoamento
considerado – Ver seção 4.8.2.
Análise de Flambagem:
Os resultados da análise de flambagem foram satisfatórios tanto para o pontoon quanto
para o suporte de risers. Verificou-se que os maiores valores de tensões de flambagem
apresentaram fatores calculados menores do que os fatores admissíveis – Ver seção
4.8.3.
Desta forma, pode-se concluir que a estrutura do pontoon apresenta resistência
adequada para as condições de carregamento analisadas, considerando os critérios de
tensão admissível apresentados neste relatório.
Com relação ao suporte dos risers, deverão ser instalados reforços estruturais (locais)
nas regiões que apresentaram tensões acima das admissíveis (região do suporte 31) pelo
critério de escoamento. Estas regiões estão destacadas na seção 4.8.1.
63
5. Conclusão
O objetivo do projeto é apresentar os tipos de suportes de risers existentes e as
condições de carregamento que devem ser consideradas na análise de cada um, e
realizar uma análise estrutural local de um suporte de risers.
Com a realização de um submodelo de suporte de risers no pontoon de uma plataforma
semissubmersível, foi possível aplicar os carregamentos necessários e analisar a
estrutura quanto às tensões atuantes.
As tensões normais, cisalhantes e von Mises (combinação de tensões) associadas às
estruturas da região de interesse foram verificadas e pode-se constatar que os critérios
estabelecidos por regra da sociedade classificadora foram excedidos para algumas
estruturas do submodelo.
A partir das definições apresentadas de tipos de suportes de risers e seus carregamentos,
pode-se utilizar o mesmo modelo de análise do suporte do pontoon para quaisquer tipos
de suportes de risers, considerando suas particularidades.
Pode-se notar a extrema importância desse estudo para o bom funcionamento do
sistema, que nesse caso, mostrou que a estrutura necessita de reforços para garantir sua
integridade e continuidade da produção.
A modelação em elementos finitos e conceitos de resistência estrutural se mostraram
essenciais para a análise e comprovou que as definições e concepções do modelo são
válidas e úteis para trabalhos essenciais na área de engenharia.
64
6. Referências Bibliográficas
[1] GOEKING, Weruska. Instalações Offshore: o pioneirismo brasileiro. Portal O
Setor Elétrico. Disponível em:
<http://www.osetoreletrico.com.br/web/component/content/article/58-artigos-e-
materias-relacionadas/324-instalacoes-offshore-pioneirismo-brasileiro.html>. Acesso
em: 10 de abril de 2014.
[2] RODRIGUES, Flávio. Análise de tensões do Upper Riser Balcony e do Lower
Riser Balcony de um FPSO. COPPE, Universidade Federal do Rio de Janeiro, 2009.
[3]DNV-RP-C102, Structural Design of Offshore Ships. DetNorskeVeritas, 2002.
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