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UNIVERSIDADE DO ESTADO DO AMAZONAS

ESCOLA SUPERIOR DE TECNOLOGIA

ENGENHARIA NAVAL

PAULO GIOVANNI DE SOUZA CARVALHO – MATRÍCULA N°: 1515200587

EZEQUIAS MARTINS DE FRANCA – MATRÍCULA N°: 1515200026

MATEUS MAGALHAES DE FARIAS – MATRÍCULA N°: 1315200124

DIMENSIONAMENTO DA SEÇÃO MESTRA – PETROLEIRO EPHESOS

MANAUS – AM

2018

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DIMENSIONAMENTO DA SEÇÃO MESTRA – PETROLEIRO EPHESOS

Trabalho apresentado como requisito parcial

para obtenção de aprovação na disciplina de

Resistência Estrutural ll, no Curso de

Engenharia Naval, na Universidade do

Estado do Amazonas.

Prof. Marcelo Paiva Hermann.

MANAUS – AM

2018

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LISTA DE FIGURAS

Figura 1- Gráfico de Shade (1951) para cálculo da chapa colaborante. ....................................... 8

Figura 2-Representação das direções das tensões conhecidas de forma analítica. ..................... 8

Figura 3-Gráfico para encontrar a constante k para o cálculo da tensão terciária. ...................... 9

Figura 4-Painél estrutural com pontos analisados na composição de tensões. ......................... 10

Figura 5-Alturas analisadas. ........................................................................................................ 10

Figura 6-Seção mestra final do petroleiro. .................................................................................. 11

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LISTA DE TABELAS

Tabela 1-Tabela da composição de tensões do caso mais crítico. .............................................. 11

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SUMÁRIO

1. Introdução ............................................................................................................................ 6

2. Análise de dados do trabalho anterior .............................................................................. 7

3. Tensão Secundária .............................................................................................................. 7

4. Tensão Terciária .................................................................................................................. 8

5. Composição de Tensões ...................................................................................................... 9

6. Considerações Finais ......................................................................................................... 12

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1. Introdução

O presente trabalho tem por objetivo dar continuidade ao trabalho já iniciado na

disciplina de resistência estrutural l, na qual foram feitos os cálculos de momento fletor, a partir

das distribuições de pesos ao longo da embarcação, a qual foi modelada no software Delftship,

bem como os cálculos para a análise das tensões globais atuantes na viga-navio. Assim, para

este trabalho, destinou-se analisar as tensões locais para que, quando somadas às tensões

globais, fosse possível verificar o critério de falha da estrutura.

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2. Análise de dados do trabalho anterior

Como informado na introdução, este trabalho é apenas uma continuação, ou

seja, muitas das informações utilizadas para os seguintes cálculos foram extraídas da

primeira parte do trabalho. Como a tensão primária já foi calculada, precisamos calcular

as tensões secundárias e terciárias, isto é, as tensões nos reforçadores e chapas,

respectivamente.

3. Tensão Secundária

A tensão secundária é a tensão atuante nos reforçadores leves e pesados e é

calculado pela mesma fórmula da tensão primária, que é a equação da tensão de flexão

para vigas, como pode ser visto a seguir:

Onde é feita uma pequena aproximação e, assim, podemos considerar os

reforçadores como vigas bi-engastadas. Assim, como definido anteriormente, o vão

livre para reforçadores pesados é a distância entre anteparas e para reforçadores leves é

a distância entre cavernas gigantes. Desta forma, o momento atuante nos reforçadores é

calculado da seguinte forma:

Onde “L” é o vão livre da viga e “q” é o carregamento que atua nesta, sendo

levando em consideração as pressões hidrostáticas e de carga.

O valor de”q” é definido pela seguinte equação:

Onde “B” é a largura de carga e “p” é a pressão.

Vale lembrar que reforçadores pesados recebem tanto pressões hidrostáticas

quanto de carga, enquanto que os reforçadores leves recebem apenas um tipo de

pressão.

Para calcular os valores das inércias e linhas neutras é necessário a utilização de

um novo conceito que é o de chapa colaborante. Assim, diferentemente dos cálculos de

módulo de seção dos reforçadores, o comprimento da chapa não é mais o “s”, e sim “c”

que é o valor da chapa colaborante. Para encontrar esses valores, utiliza-se os gráficos

propostos por Shade (1951), onde é o dado um gráfico da razão “chapa

colaborante/largura de carga” em função da razão “0,578*vão livre/largura de carga”. O

gráfico é mostrado a seguir:

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Figura 1- Gráfico de Shade (1951) para cálculo da chapa colaborante.

Para facilitar nos cálculos das tensões no excel, realizou-se uma regressão linear

da curva acima, uma vez que desta forma era necessário somente colocar o valor de

entrada e o resultado era encontrado mais facilmente e com maior precisão e velocidade.

4. Tensão Terciária

As tensões terciárias são as tensões atuantes nas chapas. Para o cálculo, utiliza-

se o conceito de unidade de chapeamento, que basicamente é a chapa definida entre dois

reforçadores leves e entre duas cavernas. Há uma formulação para o cálculo das tensões

nas chapas, porém apenas o centro das laterais, como mostra a figura a seguir:

Figura 2-Representação das direções das tensões conhecidas de forma analítica.

Considera-se que a chapa é engastada nos 4 lados. Assim, calcula-se as tensões

da seguinte forma:

Sendo t a espessura da chapa analisada, p a pressão exercida na chapa

(hidrostática ou de carga) e k um valor adimensional encontrado graficamente,

semelhantemente a chapa colaborante, como mostrado a seguir:

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Figura 3-Gráfico para encontrar a constante k para o cálculo da tensão terciária.

De forma análoga ao que foi realizado no gráfico de Shade para a chapa

colaborante, foi-se realizada a regressão linear para as curvas do gráfico acima e, desta

forma, obte-se maior precisão e velocidade para encontrar os valores de k (dependendo

do lado da chapa analisado) e, consequentemente, calcular a tensão terciária

propriamente dita.

Vale lembrar, como mostrado na figura 2, que as direções das tensões são pré-

estabelecidas, ou seja, para o lado menor encontra-se uma tensão no sentido

longitudinal, mas para o lado maior, encontra-se uma tensão no sentido transversal.

Como estamos interessados em analisar o critério de falha por escoamento, devemos

somar todas as tensões atuantes (primária, secundária e terciária), porém faz-se

necessário que estas tensões tenham o mesmo sentido. Portanto, para a tensão

encontrada no lado maior (sentido transversal), multiplica-se o valor de tensão

encontrado para este lado pelo coeficiente de Poisson. Assim, encontra-se uma

componente equivalente desta tensão no sentido longitudinal, como mostrado a seguir:

5. Composição de Tensões

De posse das tensões primárias, secundárias e terciárias, parte-se para a

composição das tensões, isto é, começam as “combinações” das tensões encontradas a

fim de verificar o ponto em que as tensões mais se intensificam e, dessa forma, verificar

se este valor ultrapassa ou não a tensão de escoamento do material da embarcação.

Para essa análise, analisa-se em um painel estrutural a seguinte configuração de

pontos:

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Figura 4-Painél estrutural com pontos analisados na composição de tensões.

Para os reforçadores pesados de fundo/duplo fundo e costado/duplo costado,

analisou-se 6 alturas, na qual em cada altura foi analisado os 8 pontos, como mostrado

acima.

A disposição das alturas mencionadas acima é mostrada a seguir:

Figura 5-Alturas analisadas.

Para o convés há apenas uma pequena modificação pelo fato de haver apenas

uma chapa colaborante e a flange, assim, há menos alturas. Assim como também se

considera a pressão no convés como a gerada com 1 m de coluna d’água, para eventuais

casos de águas e convés e afins.

Para reforçadores leves, segue-se a mesma ideia dos reforçadores pesados.

A análise das composições de tensões foram feitas para as condições extremas

de alquebramento e tosamento, uma vez que, dependendo da condição natural da

embarcação, um destes casos pode intensificar os valores das tensões.

Realizada as composições de tensões para o Fundo/Duplo Fundo,

Costado/Duplo Costado e convés nas duas condições, observou-se que os pontos que

possuíam maiores valores de tensões ocorriam na região do fundo na condição de

tosamento na altura z0, de acordo com a figura 5. Portanto, estes são tomados como

pontos críticos e é a partir deles que se analisam os critérios de falha da estrutura. O

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material que estimada para a estrutura é o aço ASTM 131, o qual possui uma tensão de

escoamento de 250 MPa. A tabela da composição de tensão de fundo pode ser

observada na tabela a seguir:

Tabela 1-Tabela da composição de tensões do caso mais crítico.

Pontos Tensão ¹ Tensão ² pesada Tensão ² leve Tensão ³ Total FS

1 101,07 -89,0652 0 60,57218 72,57804 3,444568 2 101,07 -89,0652 0 26,72302 38,72888 6,45513 3 101,07 44,5326 0 60,57218 206,1758 1,212557 4 101,07 44,5326 0 26,72302 172,3267 1,450733 5 101,07 -89,0652 34,08091 60,57218 106,6589 2,34392 6 101,07 -89,0652 -17,0405 26,72302 21,68843 11,52688 7 101,07 44,5326 34,08091 60,57218 240,2568 1,040553 8 101,07 44,5326 -17,0405 26,72302 155,2862 1,60993

A partir dos valores encontrados, verifica-se que mesmo para a situação com maior

solicitação, a estrutura resiste bem aos esforços com uma margem de segurança aceitável.

Ao fim, tem-se a seção mestra final do Petroleiro Ephesos, como mostrado na imagem

seguinte:

Figura 6-Seção mestra final do petroleiro.

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6. Considerações Finais

A partir do trabalho realizado, foi-se possível compreender os fenômenos que envolvem

estruturas navais, mais precisamente embarcações, isto é, como fatores como distribuição de

pesos e ondas interferem no momento fletor da viga-navio. Foi-se possível, também,

compreender a análise estrutural de um navio mercante e suas divisões de tensões (primária,

secundária e terciária), assim como o trabalho possibilitou uma familiaridade com normas de

sociedades classificadoras, mais especificamente as normas da ABS. Ao fim do trabalho,

realizou-se a integração das tensões a fim de analisar os valores de tensões máximos e se estes

poderiam ou não fazer com que o material da estrutura escoasse, isto é, foi realizada uma análise

estrutural geral (tensões globais e locais) na embarcação.

Ao final, a estrutura projetada resistiu bem às tensões solicitadas com uma margem de

segurando não tão pequena, mas não tão exagerada, uma vez que uma estrutura rígida ao

extremo possui maior custo e peso.