5. Equipamentos de construção marítima e offshore

5.1 Conceitos geraisAs demandas do ambiente de trabalho marítimo, associadas à demanda

por estruturas de grande porte, levaram ao desenvolvimento de um grande

número de tipos de equipamentos de construção especializados e modernos. A

resposta dos produtores de equipamentos e construtores tem sido rápida e

efetiva. A disponibilidade de equipamentos de construção de maiores

capacidades desempenhou um papel importante na alteração de métodos

construtivos, e tornou tecnicamente viável e economicamente justificável a

construção de estruturas complexas em condições extremamente adversas.

Esses avanços irão continuar desde que o desenvolvimento industrial,

principalmente da indústria petrolífera offshore, da indústria militar e do

comércio marítimo, continue em seu ritmo de crescimento atual.

Os equipamentos de construção principais foram criados para operar

flutuando e submersos e dependeram profundamente da arquitetura naval para

assegurar funcionalidade e estabilidade, assim como movimentos limitados e

previsíveis em condições predominantemente marinhas. Esta extensão de

balsas e navios projetados principalmente para transporte, construção,

perfuração e dragagem tem, por sua vez, forçado os profissionais de

arquitetura naval a desenvolver equipamentos adaptáveis a uma grande

variedade de configurações e forças dinâmicas.

A segurança deve ser a principal preocupação em operações offshore. A

natureza deste trabalho é intrinsecamente exigente e perigosa. O equipamento

deve ser projetado não só em função de seu desempenho, mas também para

manter a segurança da operação.

Equipamento marítimo, e especialmente equipamento offshore, tem um

custo muito elevado: cada hora significa um alto valor de propriedade ou

aluguel, além de altos custos de operação. Portanto, o equipamento deve ser

projetado com uma grande margem de segurança. Como regra geral, o

equipamento deve ser capaz de operar efetivamente em 70% ou mais dos dias

da temporada de trabalho. Engenheiros de campo devem entender as

capacidades e limitações dos equipamentos usados. Eles devem ser capazes

1

de identificar possíveis problemas antes que estes assumam proporções

catastróficas. Para isso, é essencial que se tenha entendimento completo do

funcionamento do equipamento. Nas próximas seções deste capítulo, os

principais tipos de equipamentos de construção marítima e offshore serão

discutidos.

A indústria de construção marítima tem sofrido variações de ciclo

dramáticas, indo de superdemanda a recessão. Quando a demanda por

grandes equipamentos especializados excede a oferta, podem ocorrer duas

situações. A primeira é a demanda para estaleiros e construtores de guindastes

para a construção de equipamentos offshore comuns, com melhorias para

adaptá-los ao uso em águas profundas e condições adversas. A outra situação,

bem interessante, é a modificação de equipamentos já existentes e a criação

de novos procedimentos para realizar tarefas que só eram possíveis com

grandes equipamentos. Adeptos da última situação estão fazendo uso

extensivo de macacos hidráulicos recém-desenvolvidos, de golpes longos, alta

capacidade e a habilidade de absorver movimentos relativos transversais, com

o uso de apoios móveis e materiais de baixo atrito, como teflon. O empuxo está

sendo ainda mais usado: balsas de pórtico e plataformas flutuantes estão

substituindo os grandes guindastes. Para construções marítimas próximas à

costa, como pontes, comportas e barragens, estas mesmas técnicas estão

sendo empregadas, principalmente quando há limitações topográficas ao

acesso e manobras.

Existem algumas considerações básicas aplicáveis a todos os

equipamentos de construção offshore: reação à movimentação, flutuação,

alturas das partes submersa e emersa, estabilidade e controle de danos.

5.2 Movimentos básicos em uma via marítimaUma estrutura flutuante típica tem seis graus de liberdade e, logo, seis

reações básicas ao movimento das ondas: jogo, arfagem, afundamento,

avanço, deriva, e guinada (ver Figura 5.1).

2

A ação das ondas em embarcações é demonstrada por dois efeito. O

efeito de primeira ordem é a força de oscilação. O segundo esforço, conhecido

como “força de onda”, é um esforço relativamente estável na direção de

propagação das ondas. Em mares irregulares, esta força varia lentamente, com

períodos de um minuto ou mais. Em mares regulares, o navio estará sujeito a

um complexo conjunto de estímulos, variando em direção, frequência, período

e magnitude. As reações são, portanto, dependentes de todas estas variações.

O navio de construção típico é ancorado por cordas ou correntes, o que faz

com que a restrição a deslocamentos seja não-linear. Essas correntes

acumulam energia, que será liberada posteriormente quando aparecerem

forças restauradoras que transportem o navio à sua posição média. Embora

correntes normalmente sejam dimensionadas para impedir deslocamentos de

baixa frequência em avanço, deriva e guinada, elas também transmitem

esforços de baixa e alta frequência para a embarcação. Alguns navios de

construção offshore mais sofisticados empregam posicionamento dinâmico

3

para permitir a manutenção da posição correta do navio em relação às outras

embarcações da frota.

Os vários tipos de movimento interagem para reduzir ou ampliar o

deslocamento de qualquer ponto da embarcação. Um ponto de interesse

especial em embarcações com gruas, por exemplo, é a ponta do equipamento.

Devido à interação dos seis movimentos de reação, o deslocamento da ponta

da grua pode ser descrito por uma complexa órbita tridimensional.

Movimentos de embarcações são alterados pelas forças de interação

hidrodinâmicas, especialmente quando o navio está próximo de um limite

geográfico topográfico – por exemplo, quando o navio está em águas rasas e

há pouca água entre o casco e o fundo do mar. A reação do navio é altamente

dependente da frequência das ondas. Cada embarcação tem seu período

característico de resposta em cada um dos seis graus de liberdade. Observe

que, somado a período contundente do navio a uma frequência

moderadamente alta, pode haver um período natural a uma frequência baixa

para todo o conjunto embarcação-âncora.

A maior resposta em arfagem vai ocorrer quando o comprimento de

onda efetivo paralelo ao eixo longitudinal da embarcação for igual a um valor

entre o dobro e o triplo do comprimento da embarcação. Então, a embarcação

estará na inclinação da onda. Sob estas condições, ela também terá seu maior

avanço; na prática, ela estará tentando surfar. A tendência em projetos de

embarcações de construção offshore é fazer com que seu comprimento seja

igual ou maior que o comprimento de onda máximo ao qual se espera que elas

sejam submetidas.

Este é o motivo pelo qual se encontra grande dificuldade quando se usa

equipamento de flutuação offshore convencional em áreas como os mares da

África Ocidental ou a costa sudoeste da África e da Austrália, onde ondas de

período muito longo, embora de altura moderada, causam grandes

deslocamentos nas embarcações.

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O comprimento de onda efetivo é a distância entre cristas de onda

medidas paralelamente ao eixo longitudinal. Um mar de ondas mais curtas,

atuando não paralelamente ao eixo da embarcação, pode produzir uma

movimentação por arfagem significativa. A direção de propagação também

pode causar reação de arfagem até mesmo se a corrente marítima for

perpendicular à trajetória da embarcação (ver Figura 5.2). Similarmente, até

mesmo quando a embarcação segue a direção da corrente marítima pode

haver movimentação significativa por jogo.

Em águas rasas, ondulações de longo período têm comprimento de

onda diminuído, de modo que elas podem se aproximar do comprimento crítico

em relação à resposta de uma balsa comum. Por exemplo, com uma balsa de

120m de extensão e um período de ondulações de 18s, o comprimento de

onda em águas profundas será de 1/2T² ou 500m. Em profundidades de 15m a

20m, esse comprimento diminui para 400m ou menos, resultando em alta

arfagem e avanço.

Em jogo, a maioria dos navios de construção do tipo balsa têm períodos

característicos entre 5s e 6s. As ondulações médias em um mar trabalhável

têm períodos entre 5s e 7s, resultando em um comprimento de onda entre 40m

e 70m. Esta é a razão pela qual embarcações de construção offshore

usualmente são projetadas com vigas de mais de 25m.

5

5.3 Flutuação, Calado e Calado AéreoUm dos mais antigos princípios da engenharia é o princípio de

Arquimedes: “o deslocamento será igual à massa de água deslocada

(deslocamento)”. Os mesmos resultados podem ser encontrados através da

integração das pressões hidrostáticas agindo na embarcação considerando

uma situação de água parada.

Controle de peso é sempre uma preocupação durante a fabricação das

estruturas. A verificação do peso pode ser feita, obviamente, através do

controle do deslocamento. No entanto, existem alguns fatores que podem agir

reduzindo a precisão de medições simples do calado e do cálculo do

deslocamento:

1. Variações na densidade da água;

2. Deflexões e deformações da estrutura;

3. Tolerâncias nas dimensões submersas e, consequentemente, no

volume deslocado;

4. Imprecisões no cálculo da água de lastro e perda de água por

descuido;

5. Absorção de água, por exemplo, pelo concreto.

O calado é determinado pela geometria da embarcação e deslocamento;

ele corresponde à profundidade abaixo do nível do mar do ponto mais baixo da

estrutura, conforme medido em águas paradas. Existem fenômenos que agem

para aumentar o calado, como o efeito squat (força hidrodinâmica que puxa o

navio para baixo atuando sobre o casco quando a embarcação está em uma

região rasa), inclinação (que ocorre com embarcações submetidas a vento e

carregamento excêntricos) e variações no caimento. Arfagem, jogo e

afundamento também podem reduzir a distância ao fundo.

Distância ao fundo reduzida pode impactar negativamente o movimento

da embarcação no mar. Pressões hidráulicas aumentam sob a embarcação,

tendendo a aumentar a massa adicional e reduzir a velocidade: mais água é

puxada através do mar ao redor da embarcação. A embarcação perde sua

estabilidade direcional e começa a fazer movimentos exagerados de guinada e

deriva.

Calado aéreo é a altura do ponto mais alto acima do nível da água;

assim como o calado, ele é alterado pelo efeito squat e inclinação em águas

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rasas, pelo caimento e, temporariamente, por arfagem e afundamento. O

calado aéreo normalmente é projetado para minimizar as frequências de ondas

que poderiam atingir o deck. A altura das ondas adjacentes às laterais da

embarcação é aumentada por refração e efeito de mach, sendo o último o

resultado do acúmulo de energia que aumenta a crista da onda. O calado

aéreo também pode ser aumentado para diminuir a quantidade de água no

deck em situações de vento forte. Ventos fortes podem transportar água do

topo de ondas estacionárias (seiches) para o deck.

5.4 EstabilidadeTrês parâmetros principais regem a estabilidade: o centro de gravidade,

o centro de empuxo, e o momento de inércia no plano da superfície da água.

Ver Figura 5.3. Embarcações submersas, consequentemente abaixo do plano

da água, dependem do centro de gravidade da parte da embarcação sob o

centro de flutuação.

A fórmula da estabilidade de uma embarcação flutuando na superfície é

GM=KB−KG+BM

Onde BM=I /V . K é o ponto geométrico central no fundo do casco, G é o

centro de gravidade, B é o centro de empuxo, M é o metacentro, I é o momento

de inércia transversal no plano da superfície da água, e V é o volume

deslocado.

A embarcação terá estabilidade inerente para pequenos ângulos de

rolamento desde que GM permaneça positivo (ver Figura 5.4). O momento

restaurador é igual a GM senq multiplicado pelo deslocamento, onde q é o

ângulo de rotação. Para ângulos de rotação pequenos, pode-se assumir que o

seno de q seja igual ao próprio ângulo q (em radianos).

O momento de inércia transversal no plano de superfície da água de

uma balsa comum ou outra embarcação retangular é dado por:

I=b ³ l12

Onde b é a largura e l é o comprimento da embarcação. Como V é igual

a bld, onde d é o calado, I /V é reduzido a b ² /12d . A maneira mais prática e

simples de encontrar a localização aproximada de B para seções não

retangulares é desenhar a seção transversal típica em um papel gráfico e

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contar os quadrados. Isto é especialmente útil para embarcações com uma

configuração submersa complexa como, por exemplo, uma plataforma

semissubmersível. No cálculo do momento de inércia da embarcação no plano

da superfície da água, deve-se retirar a soma do momento de inércia de áreas

parcialmente inundadas. A redução na altura metacêntrica e estabilidade é

chamada de efeito da superfície livre.

Para estruturas com colunas ou hastes que passem pelo plano da água,

o momento de inércia, I, é aproximadamente proporcional a Ar², onde A é a

área de cada haste e r é a distância do centro de cada haste ao eixo principal

da estrutura. Logo, as colunas mais eficientes, no que concerne a estabilidade,

são aquelas mais distantes dos eixos.

Os critérios acima só são válidos para pequenos ângulos de rotação.

Para grandes ângulos de rotação, a geometria pode mudar rapidamente. A

seguir, temos alguns exemplos desta mudança de geometria:

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1. Quando a borda do deck entra na água: o plano de superfície da

água muda rapidamente, e o momento de inércia diminui

rapidamente.

2. Quando o centro de gravidade é muito alto, como em plataformas

auto elevatórias com pernas elevadas, a estabilidade se torna

excessivamente sensível ao momento de inércia transversal

instantâneo.

3. Deve-se tomar cuidado especial quando a área na altura da

superfície da água é reduzida substancialmente com o aumento do

calado (ver Figura 5.5). Este problema acontece em embarcações

semissubmergíveis com estruturas cônicas, como as usadas em

algumas plataformas offshore no Ártico e com estruturas de

gravidade com base larga mas apenas hastes passando pela linha

da água.

4. No cálculo da estabilidade de uma balsa com grua ou torre, o peso

levantado é considerado como aplicado na ponta da viga. O centro

de gravidade da embarcação deve incluir esta carga.

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O momento restaurador é dado por GM senq D, onde D é o

deslocamento. O momento restaurador pode ser somado com o produto da

carga levantada P pela altura do gancho acima do metacentro M.

Uma boa indicação de estabilidade é dada pelo gráfico momento

restaurador x rotação devido ao vento. Uma curva típica para uma embarcação

relativamente estável é mostrada na Figura 5.6. Muitas organizações offshore

esta regra da U.S. Coast Guard e do American Bureau of Shipping (ABS), que

é descrita a seguir:

A área sob a curva do momento restaurador até o ponto do segundo

encontro entre as curvas ou até o ponto do ângulo de alagamento ou até o

ângulo que faria com que qualquer parte da embarcação ou sua carga

excedesse a tensão admissível (adotar a menor), não deve ser maior que

140% da área sob a curva da rotação devido ao vento até o mesmo ângulo

limite.

A regra acima seria aplicável, por exemplo, a uma balsa carregando um

grande contêiner, e o limite de tensões admissíveis seria aplicável às cordas,

assim como à balsa e ao contêiner.

Frequentemente, se exige um GM mínimo de +1,5m. Quando ancorado,

o efeito da ancoragem e das cordas da âncora também deve ser considerado

como um caso de carregamento alternativo. No entanto, não se deve depender

das cordas da âncora para estabilidade básica. Uma situação relativamente

crítica existe para uma embarcação com uma curva de momento restaurador

como a mostrada na Figura 5.7, que pode ser encontrada em plataformas

autoelevatórias em trânsito com pernas erguidas devido à água rasa. Um

acidente catastrófico ocorreu com uma balsa de construção carregando

materiais de concreto. Conforme os materiais do fundo do casco eram

descarregados, o KG aumentou e o calado e o KB diminuíram. O GM ficou

negativo e a balsa virou, com trágica perda de vidas.

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Problemas sérios de estabilidade assim como colapso potencial da viga

podem ocorrer se a carga não tiver restrição a balanços com movimento de

jogo. O uso de cabos de retenção, de tamanho correto e seguro, pode reduzir

esta tendência. No caso de uma carga se afastar do navio – isto é, quando a

carga balança livremente – a única solução pode ser baixar a carga até que

esta entre na água para reduzir seu peso e diminuir sua movimentação. O ato

de submergir a carga também irá aumentar o período da oscilação, tirando a

carga de ressonância com o período característico de balanço da balsa.

5.5 Controle de danosEmbarcações de construção marítima estão muito mais sujeitas a

colisões com balsas e barcos que embarcações normais de transporte. A

última evita proximidade com outras embarcações, enquanto uma embarcação

de construção offshore precisa trabalhar com outros navios. Embarcações de

construção marítima estão frequentemente levantando e abaixando âncoras;

não é incomum que a lateral do navio seja atingida por acaso. Finalmente, esta

embarcação também deve trabalhar ao lado de plataformas e outras estruturas.

Todas as precauções são tomadas para evitar colisão com outras estruturas

devido ao perigo de danificar o equipamento, instalações e poços; em uma

plataforma de petróleo ou terminal em operação também há o perigo de

incêndio devido à liberação de hidrocarbonetos.

Considerações de controle de dano exigem que áreas vulneráveis sejam

divididas em compartimentos menores; que todas as portas de visita e a

maioria das portas sejam equipadas com juntas de vedação e grampos, de

modo que elas possam ser fechadas o tempo todo exceto quando realmente

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em uso; e que áreas onde âncoras irão encostar ou barcos estejam lado a lado

sejam protegidas ou cercadas apropriadamente.

Durante uma operação de reboque ou quando ancorado em tempo ruim,

haverá água no convés da maioria das embarcações tipo balsa. Uma porta de

visita fechada de modo inadequado irá deixar uma grande quantidade de água

entrar na embarcação em um curto período de tempo (ver Figura 5.8).

Ligações temporárias e suportes frequentemente são soldados no

convés. Se estes forem soldados somente às chapas do convés, podem se

soltar; as soldas são tensionadas na direção normal em relação às chapas do

convés, e pode ser que as chapas não tenham suporte sob aquele ponto.

Portanto, frequentemente são feitas aberturas nas chapas do convés para que

ligações sejam soldadas tangencialmente às divisórias sob o deck.

Subsequentemente, as ligações devem ter vedação soldada ao deck para

evitar entrada de água. Essas ligações temporárias, especialmente olhais,

fundações de guincho e ligações de âncora estão frequentemente sujeitas a

carregamentos de impacto lateral extremos assim como ciclos baixos e de alta

amplitude de fadiga. A conexão deve ser detalhada para que a ruptura ocorra

nela e não na estrutura da embarcação.

Embarcações de construção frequentemente sofrem uma banda brusca

devido a um movimento da carga, como uma grua balançando ou um contêiner

de convés pesado se movendo para um lado ou sendo levantados. Estas

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bandas bruscas podem coincidir com movimento de jogo e temporariamente

submergir uma porta sobre o convés que foi deixada aberta, ou um duto de

ventilação, ou outra abertura num nível inferior à onda. Outros acidentes de

alagamento têm ocorrido devido a vigias quebradas (ou aberturas deixadas

livres).

Barcos de trabalho e pequenas balsas frequentemente estão puxando

cordas de âncora pesadas, cujo peso pode fazer com que o caimento aumente

no sentido da popa ou da proa, de modo que as ondas ultrapassem o convés.

Barcos rebocados ou se movimentando para trás estão especialmente sujeitos

a sofrerem com água sobre as plataformas de popa. Inundação em aberturas

na popa pode ter consequências severas. A água pode invadir a sala de

máquinas ou áreas de controle e cortar a energia. Até mesmo uma pequena

quantidade de água em um compartimento gera uma superfície livre que reduz

a altura metacêntrica; isto é, o momento restaurador disponível na altura da

superfície da água na embarcação é reduzido pelo efeito da superfície livre em

compartimentos parcialmente inundados.

Fechamentos à prova d’água planejados para estarem fechados durante

operações devem permanecer fechados e lacrados. Dois acidentes sérios

aconteceram em barcos de trabalho durante os anos 1970 quando, devido ao

mar calmo e ao tempo quente, portas de sala de máquinas foram deixadas

abertas para ventilação. Um evento operacional fez com que água subisse na

proa; esta água, então, inundou as salas de máquinas. Ambos os barcos

afundaram rapidamente com muitas perdas de vida.

Em um caso de certa forma similar, em uma calmaria, uma balsa com

torre semissubmersível estava fazendo um grande levantamento de carga. A

carga balançou para um lado, a embarcação bandeou e as engrenagens e

freios foram incapazes de segurar o guindaste, que rotacionou a viga,

causando uma inclinação severa, de modo que o convés superior foi inundado.

Portas no convés superior, que deveriam ser fechadas o tempo todo, estavam

completamente abertas. Neste caso, o experiente operador do guindaste evitou

uma catástrofe descendo a carga ao mar.

Embarcações de construção normalmente são equipadas com tanques

para águas de lastro que permite o controle de banda. Estes tanques

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geralmente têm dutos de ventilação que se estendem numa configuração

“pescoço de ganso” acima do convés e são equipados com telas corta-fogo e

válvulas de charneira. Um dos propósitos destes dutos é prevenir acidentes por

excesso de pressão no tanque, que poderia romper uma divisória e causar a

inundação de um espaço adjacente. No entanto, estas ventilações podem

entupir ou serem bloqueadas intencionalmente. Por exemplo, carga pode

precisar ser estocada no espaço do convés em questão. Isto pode resultar em

excesso de pressão e ruptura de uma divisória interna.

Os equipamentos offshore mais sofisticados da atualidade – balsas de

torre, assentadores de tubos, balsas de lançamento e semissubmersíveis – têm

complexos sistemas de lastro para permitir controle rápido de banda e

caimento, até enquanto as operações estão em andamento. Acidentes, até

emborcamento, têm ocorrido quando ocorre curto circuito em equipamentos.

Portanto, controles manuais de emergência também são disponibilizados. A

tripulação deve ser treinada em procedimentos para falhas de equipamentos.

Hastes de válvulas ocasionalmente se abrem sozinhas, aparentando

estar fechadas. Válvulas críticas devem ser equipadas com indicadores

remotos. Válvulas críticas podem ser abertas para testes e esquecidas desta

maneira. Estas devem ser equipadas com fechaduras e retenções apropriadas.

Aço trabalhando sob carregamentos cíclicos ou de impacto pode estar

sujeito a fratura, especialmente em temperaturas baixas, quando esta cai

abaixo do valor de transição. Normalmente, estas fissuras começam e se

propagam com ciclos repetidos. Uma inspeção cuidadosa de áreas críticas

pode localizar estas fissuras incipientes antes que elas se propaguem a um

nível perigoso. Estas podem ser reparadas, podem ser feitos furos de controle

de fissuração ou uma cinta pode ser aplicada. Conveses de balsas são

especialmente vulneráveis uma vez que estão expostos a baixas temperaturas

e altas tensões.

Compartimentos fechados dentro de embarcações de aço podem

significar risco de vida. O aço sofre corrosão lenta, mas contínua, usando o

oxigênio do compartimento. Em outros casos, gases mais pesados que o ar

como o monóxido de carbono podem se acumular em áreas mais baixas e

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porões. Portanto, todos os compartimentos que estiveram fechados e todos os

tanques devem ser completamente ventilados antes de serem adentrados.

Fogo a bordo de uma embarcação no mar é uma das preocupações

tradicionais. Em muitos incêndios, o jeito mais efetivo de combatê-los é fechar

todo o suprimento de ar e resfriar as divisórias adjacentes e o convés com

água. O fogo pode passar através de divisórias de aço incendiando a tinta do

outro lado. Incêndios devido a problemas elétricos ou hidrocarbonetos não

devem ser combatidos com água. Tanques de acetileno devem ser

acorrentados ou bem amarrados para impedir “ruptura, fratura e incêndio”.

Materiais como cilindros e todas as unidades estocadas nos conveses

de balsas devem ser protegidas contra deslocamento no caso de uma banda

súbita. Cilindros e tubos são especialmente perigosos devido à sua capacidade

de rolar e o seu grande peso. Cargas em movimento podem fazer a

embarcação emborcar. Chapas de aço no convés no interior de uma balsa

marinha podem se movimentar conforme a balsa com grua bandeia enquanto

levanta uma carga.

Frequentemente um contêiner grande é transferido de uma embarcação

cargueira ou de uma base costeira para um convés de balsa com torre. Embora

o tempo de operação seja relativamente curto, o contêiner deve ser

prontamente amarrado com correntes ou linhas de arame para que ele não

possa se mover mesmo que a balsa bandeie.

Todos os equipamentos salva-vidas devem ser mantidos em condições

operacionais perfeitas o tempo todo. Quando uma cápsula salva-vidas ou bote

ou equipamento contra incêndio precisa ser removido para o andamento de

uma operação, este deve ser relocado ou reinstalado imediatamente depois.

Emergências ocorrem a qualquer momento e, segundo a segunda lei de

Murphy, irão ocorrer no pior momento possível.

5.6 BalsasUma balsa de construção offshore deve ser longa o suficiente para ter

resposta mínima a arfagem e avanço nas ondas em que trabalha normalmente,

larga o suficiente para ter jogo mínimo, e profunda o suficiente para que tenha

resistência adequada contra arqueamento, afundamento e torção, assim como

calado aéreo adequado. O revestimento do convés deve ser razoavelmente

15

contínuo para permitir que este resista à membrana de compressão, tração e

torção introduzida pela carga de ondas. Revestimentos laterais devem suportar

maior cisalhamento e serem reforçados contra flambagem.

Carregamentos de impacto podem vir de choques com ondas na proa,

de gelo e de barcos e outras balsas atingindo as laterais da embarcação.

Cargas desiguais podem ocorrer devido à curvatura de placas no fundo do

casco durante encalhamento acidental e de placas do convés devido às cargas

transportadas. As placas do casco podem ter sua espessura reduzida por

corrosão.

A estrutura interna de uma balsa é subdividida por divisórias

longitudinais e transversais. Devido à possibilidade relativamente alta de

ruptura de uma placa lateral, com consequente inundação de compartimentos

adjacentes. As divisórias longitudinais normalmente são colocadas nos terços

médios da viga. Uma única divisória central pode permitir a inundação de um

lado da embarcação, causando banda excessiva e possível emborcamento.

Divisórias longitudinais mais os dois lados fornecem a resistência

longitudinal da embarcação ao cisalhamento. As divisórias transversais

normalmente são espaçadas com uma logo após a proa (a divisória de

colisão), uma na frente da popa, e uma ou mais na região média do navio.

Estas oferecem resistência ao cisalhamento transversal. Ondas de

aquartelamento produzem torção assim como curvatura nos dois planos. O

cisalhamento torsional se propaga pelo perímetro da embarcação: lados,

convés e fundo.

Balsas típicas offshore têm comprimento de 80m a 160m. A largura deve

estar entre um terço e um quinto do comprimento. A profundidade normalmente

corresponderá a cerca de 1/15 do comprimento. Essas proporções geram um

desempenho estrutural razoavelmente balanceado sob carregamento de

ondas. O interior de balsas sujeitas a carregamentos de onda mínimos e

necessárias para operações em águas rasas podem ter profundidades

chegando até 1/20 do comprimento. Elas podem ser enrijecidas por

treliçamento externo. Balsas de baixa profundidade são frequentemente

usadas em rios e lagos; estes podem ser muito perigosos em locações onde

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não só tensões de flexão quasiestática podem se desenvolver, mas também

podem aparecer amplificação dinâmica e ressonância.

Balsas offshore apresentam períodos característicos de jogo entre 5s e

7s. Infelizmente, este é o período característico de ondas superficiais; logo,

pode haver resposta de ressonância. Felizmente, o amortecimento provocado

pela água é muito alto, de modo que mesmo quando a corrente marítima for

perpendicular à trajetória da embarcação e ocorrer movimentação significativa,

se chega a uma situação de estabilidade dinâmica. Os cantos das balsas estão

sujeitos a grandes impactos durante operações, então esta área precisa ser

reforçada. Anteparos devem ser instalados nos cantos para minimizar danos a

outros equipamentos e estruturas em caso de impacto. Anteparos devem ser

instalados nas laterais do navio para minimizar danos à própria embarcação

provocados por outros barcos ou balsas quando estes são conectados. Estas

proteções podem ser uma combinação de chapas de proteção fixas e

proteções renováveis. Postes de madeira ou aço devem ser instalados nos

cantos e nas laterais a intervalos regulares, para amarrar balsas ou outros

equipamentos. Postes para reboque devem estar disponíveis tanto na proa

quanto na popa.

Devemos considerar a necessidade de olhais soldados no convés para

fixar a carga durante o transporte. Estes olhais devem distribuir seu

carregamento no casco; para atingir a resistência necessária não basta apenas

soldá-los ao revestimento do convés. Eles estarão sujeitos a cargas de fadiga e

impacto tanto em tração quanto em cisalhamento. Em projetos modernos de

balsas offshore, chapas duplas especiais frequentemente são fixadas sobre as

divisórias para que os olhais possam ser instalados ao longo delas. Eletrodos

de baixo hidrogênio devem ser utilizados. Alternativamente, estacas podem ser

instaladas passando através do convés para serem soldadas tangencialmente

às divisórias internas.

O convés, na maioria das vezes, tem uma proteção de madeira para

absorver o impacto local e abrasão causada pela carga. Isto é especialmente

necessário para balsas que irão carregar pedras que serão retiradas por

conchas ou baldes ou se gruas de esteira ou carregadeiras forem passar sobre

o convés. Escotilhas devem ser instaladas no convés para acesso aos

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compartimentos interiores. Estas devem ser vedadas contra a passagem de

água. Deve haver braçarolas resistentes para proteger os grampos e parafusos

que trancam a escotilha. Mais uma vez, é necessário lembrar que não se deve

entrar em compartimentos internos que estiveram fechados por um longo

período. Eles provavelmente perderam todo o oxigênio e precisam ser

completamente aerados.

Muitas vezes, balsas marítimas são encalhadas intencionalmente para

operações de carga e descarga. As áreas de encalhamento têm que ser bem

niveladas e todos os pedregulhos removidos para evitar abertura de buracos ou

riscos profundos na embarcação. Uma vez encalhada, a água de lastro deve

ser liberada para que não fique se movimentando com a ação das ondas.

Quando cargas pesadas são arrastadas para dentro ou fora da balsa,

elas castigam os cantos e as laterais do convés devido ao se peso

concentrado. Vigas de dispositivos de Skidding comumente são dispostas para

distribuir parcialmente a carga para as divisórias internas. Um amortecedor de

madeira pode ser parafusado temporariamente ao canto do convés. A balsa

deve ser analisada estruturalmente em cada estado de carregamento para

assegurar que não haja ruptura de nenhum dos lados ou divisórias devido ao

carregamento temporário.

Cargas devem ser bem amarradas para evitar movimentação devido a

ação do mar (ver Figura 5.9). Logo, amarras devem ser projetadas para resistir

a esforços estáticos e dinâmicos que possam se desenvolver a partir de

qualquer combinação dos seis movimentos fundamentais de uma embarcação

(jogo, arfagem, afundamento, guinada, deriva e avanço). O componente

dinâmico provém de forças de inércia que surgem devido à aceleração da

balsa durante a mudança de direção. Acelerações de jogo são diretamente

proporcionais à rigidez transversal da balsa, que é medida pela sua altura

metacêntrica. Como balsas normalmente têm grandes alturas metacêntricas,

as acelerações são altas. Em contrapartida, se a altura metacêntrica diminui

devido ao carregamento, o período e amplitude do movimento e a força

quasiestática da carga são maiores, mas a componente dinâmica pode ser

menor.

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Esses carregamentos são cíclicos. As amarras tendem a trabalhar

soltas. Cordas de arame se esticam; cunhas e blocos caem. Sob

carregamentos repetitivos, pode ocorrer fadiga, principalmente em soldas.

Soldas feitas no mar podem ser mais vulneráveis, pois sua superfície pode

estar fria ou molhada. Eletrodos de baixo hidrogênio podem ajudar. Correntes

são o meio mais recomendado para proteger carga no mar, uma vez que

correntes não se esticam. Se estacas estruturais são usadas, elas devem

passar pelo convés para serem soldadas tangencialmente às divisórias

internas. A abertura no convés deve ter vedação soldada para impedir

vazamentos de água.

O efeito da aceleração pode aumentar o esforço lateral exercido pelo

carregamento do navio devido à inclinação da balsa para o dobro ou mais.

Flexão da embarcação também pode ter um efeito significativo nos suportes e

correntes que seguram a carga. Logo, balsas mais profundas e, portanto, mais

rígidas, irão suportar uma variação menor de carregamento que embarcações

rasas e menos rígidas.

Em caso de cargas importantes ou valiosas, como contêineres ou torres,

é necessário providenciar que o calado aéreo seja suficiente para garantir

estabilidade mesmo que um compartimento lateral ou do fundo da balsa esteja

inundado.

19

Balsas são dimensionadas com base em critérios de carregamento

normatizados. Estes critérios normalmente são baseados no afundamento do

casco ao deck mais uma carga arbitrária de 3m de água no convés.

Propostas são feitas frequentemente para a construção estruturas em

balsas para posteriormente se afundar a balsa com água de lastro e flutuar a

nova estrutura. Na realidade, este procedimento teve sucesso em vários casos:

a construção de pontões em uma doca seca no norte da Espanha; a produção

de centenas de cascos de concreto rasos e balsas com estacas perto de Nova

Orleans; e a construção de ensecadeiras offshore do Ártico no Japão (ver

Figura 5.10).

No entanto, existem três itens chave que precisam ser analisados:

1. Quando compartimentos são inundados parcialmente com água de

lastro para submergir uma balsa, as pressões externas são as

mesmas de uma balsa vazia e submersa até aquela profundidade. O

casco deve ser projetado para a profundidade máxima.

2. Uma vez que o convés esteja submerso, perde-se a estabilidade da

balsa em si, embora a estrutura do convés possa gerar rigidez no

plano da água e ter estabilidade durante o afundamento.

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3. O terceiro problema é o controle de profundidade. A balsa de suporte

deve ter empuxo neutro ou negativo para lançar a estrutura. Então, o

controle de profundidade só pode ser atingido por um dos seguintes

meios:

a. Execução da operação em águas rasas de profundidade

conhecida;

b. Uso de cordas para baixa a embarcação; no entanto, a

distribuição de cargas pode variar, fazendo com que as cordas

falhem sucessivamente – até ondas pequenas podem causar o

surgimento de grandes esforços em cordas devido ao

afundamento de embarcações durante o abaixamento.

c. Uso de colunas passando pela linha da água, conforme

recomendado para controle de estabilidade; estas irão tender a

regular a distribuição de carga.

Se uma balsa será encalhada, completamente submersa, em um banco

de areia ou no fundo do mar em água relativamente rasa, então, inicialmente,

ela pode ser inclinada para baixo. Logo, a viga-mestra da balsa e o plano da

água inclinado proporcionam estabilidade neste estágio. Então, a ponta da

balsa toca o fundo. Neste momento, a balsa pode ser completamente

submersa, com sua estabilidade vinda da ponta da balsa reagindo no fundo

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(ver Figura 5.11). Esta prática normalmente é usada quando a profundidade da

água é de, no máximo, um terço do comprimento da embarcação.

Observe que enquanto a balsa está inclinada para baixo, o plano da

água transversal e o momento de inércia estão reduzidos pela metade.

Portanto, pode ocorrer instabilidade transversal antes que a ponta atinja o

fundo e a balsa pode ter movimento de jogo. Este é um fator limitante à

profundidade adequada para uma operação como esta. Para recuperar a balsa

do fundo do mar, o procedimento reverso é usado, sendo uma das pontas

levantada primeiro.

Uma balsa encalhada em lama ou argila desenvolve um efeito de

sucção, devido à adesão e a uma sucção real devido à diferença de pressão da

água. Para liberar a balsa, são necessárias a regulagem da pressão

hidrostática e a quebra da adesão entre a argila e a embarcação.

Experimentos extensos do Naval Civil Engineering Laboratory em Port

Hueneme, confirmados na prática no Golfo do México, mostram que o melhor

meio de liberar a balsa é manter água passando sob baixa pressão, menor que

a resistência ao cisalhamento da argila. Pressões maiores irão apenas criar um

fluxo no mar e impedir a consolidação de qualquer pressão. O período

necessário para criar uma pressão de água completamente estável sob a

estrutura é de várias horas. Então, liberando primeiramente a água de lastro de

uma das pontas, a balsa pode ser erguida. Este método foi utilizado para

liberar a plataforma de perfuração exploratória GBS-1 (Super-CIDS), depois de

um ano de trabalho assentada sobre uma fundação de argila. O método teve

sucesso. Ele também foi usado com sucesso na inundação inicial de docas

secas nas quais uma ensecadeira de fundo chato ou balsa tenha sido

fabricada.

Na recuperação de navios, apenas empuxo positivo limitado deve ser

aplicado a balsas completamente submersas; caso contrário, ela pode subir

repentinamente. Se ar comprimido foi utilizado para retirar água de

compartimentos abertos, a embarcação ganhará empuxo adicional com cada

metro de subida devido à expansão de ar internamente e pode se tornar

incontrolável. Por todas as razões acima, submergir balsas comuns só deve ser

uma opção em baixas profundidades. Para afundamentos mais profundos,

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podem ser necessárias construção especial e pressurização interna; estas são

descritas no capítulo 22.

5.7 Balsas gruaO termo balsa grua é usado para denotar uma balsa offshore equipada

com gruas de hastes esbeltas ou totalmente articulada. Um grua de hastes esbeltas consegue carregar cargas e iça-las, mas não girá-las. As hastes esbeltas consistem em uma estrutura em forma de A feita de duas colunas tubulares ou treliçadas seguras por contrapesos à proa (veja a figura 5.12).

Figura 5.12Balsa grua para construção de terminal offshore, Australia.

A balsa de hastes esbeltas é manobrada por motores de convés, rebocadores, ou propulsores de motor traseiro montados. A balsa grua posiciona sua popa ao lado da balsa de carga, carrega a carga e então move o quanto for necessário para posicionar a carga na posição exata. Motores conversores de torque modernos de convés e propulsores com inclinação variável permitem um grau elevado de precisão no posicionamento a ser obtido, por exemplo, da ordem de 50 mm. Uma das vantagens de uma balsa de hastes esbeltas em comparação a uma balsa grua totalmente articulada é que a carga sempre é carregada pelo lado da popa, portanto prevenindo oscilações pelo balanço da grua.

A grua de hastes esbeltas também é bem menos cara que uma grua totalmente articulada, tanto quanto ao custo em si como quanto à manutenção. Em decorrência da necessidade de mover toda a balsa para a posição apropriada para posicionar a carga, suas operações são mais lentas que

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aquelas de uma balsa grua totalmente articulada. Ademais, este não pode escolher sua parte dianteira para minimizar a resposta ao mar. Uma balsa de grua de hastes esbeltas normalmente é capaz de balastragem para baixo pela proa, para contrabalançar o rebaixamento causado pelo levantamento de carga na popa. A balsa deve, é claro, ser projetada para resistir ao momento de arqueamento, o que ocorre no momento em que a carga é levantada.

A habilidade de uma balsa de hastes esbeltas em levantar um módulo ou outra carga espacial grande a uma altura (por exemplo, para posiciona-la em um convés de uma balsa) é limitada pelo comprimento necessário das eslingas e pela interferência entre a carga e as próprias hastes esbeltas. A carga não pode ser permitida a balançar nas hastes esbeltas ou esbarrar, pois isto poderá deformá-la. O balanço das cargas devido ao seu retranca irá, é claro, aumentar o seu perigo. Para prevenir tais balanços, linhas de alinhamento devem ser usadas para atrair a carga ligeiramente em direção à popa; isto irá evitar que haja o balanço nesta direção. O balanço transversal pode ser reprimido com o uso de linhas de alinhamento também.

Linhas de alinhamento típicas para balsas de grua offshore são linhas de arame ½” a 3/8”, 6x37 para dar flexibilidade, e são controladas por ar ou guinchos hidráulicos. É preciso tomar cuidado para evitar o banda pois a carga está mudando para uma nova posição no espaço tridimensional. Amaciadores devem ser fornecidos conforme a necessidade.

Para içar cargas de uma balsa no mar e então posicioná-las em uma plataforma, as hastes esbeltas são geralmente fixadas em orientação apropriada para servir aos dois. Içamento das hastes esbeltas sob carregamento, ou seja, levantamento das próprias hastes esbeltas, é desajeitado e lento e deve ser evitado sempre que possível. A carga deve ser içada da balsa no topo da elevação (da balsa) de modo que seis segundos depois, no próximo ciclo de elevação, a carga estará fora da balsa. O operador (e mestre de obras) irá assistir e tentar pegar uma onda relativamente mais alta durante a qual possa iniciar o içamento. A velocidade do içamento depende do número de partes de linha nos blocos e, é claro, da velocidade nominal do motor e da quantidade de fio no tambor.

No que diz respeito ao posicionamento da carga, o problema é revertido. A carga tenderá a primeiro fazer contato enquanto a balsa está próxima ao final do ciclo de elevação; três segundos depois, antes de o motor de grua possa recomeçar a afrouxar as linhas, a balsa de grua pode levantar a carga novamente. Sob qualquer estado marítimo e resposta de campo, a carga se torna um aríete. Portanto, a balsa grua deve estar equipada com uma capacidade de inspeção gratuita para permitir que a carga permaneça no mesmo local uma vez que esta seja disposta. Em qualquer situação, o operador experiente tentará dispor a carga durante um período de

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movimentação mínima e o mais próximo possível do topo do ciclo de levantamento da balsa grua, para dar tempo para a inspeção.

As correias utilizadas para levantar cargas típicas e outras cargas pesadas são muito pesadas e esquisitas. Uma linha de correia, parte única, é executada através de uma roldana na cabeça da lança para ajudar a levantar o olho de cada haste das correias sobre o gancho (veja também a figura 6.21).

Os motores de convés de uma balsa de grua de hastes esbeltas deve ser adequada a controlas o movimento da balsa na guinada, balanço e ondulação com uma tolerância bem pequena a despeito do estado do mar. Isto requer um excesso de poder bem como um controle do conversor de torque ou equivalente. Fairleads devem ser cuidadosamente dispostos para garantir que haja um ângulo de frota apropriado com o guincho, e para garantir que eles irão seguir adequadamente a mudança de posição da balsa (ver figura 5.13).

Figura 5.13Layout do equipamento nas balsas grua

Balsas de hastes esbeltas foram utilizadas para posicionar o domo de concreto pré-moldado de 200-tn. e segmentos de quebra-mar da plataforma do Ninian Central. Balsas de grua de hastes esbeltas foram usadas para estabelecer a aproximação de tubulões da Ponte do Grande Cinturão Leste aos da Ponte Øresund. Três balsas grua, rigidamente posicionadas entre si por linhas múltiplas, foram utilizadas para erguer os módulos de quartas de 1200-tn. para a plataforma Statfjord A. Esta é uma operação de risco inerente, mas foi realizada com sucesso por conta da oferta de linhas grandes, da interconexão de motores de convés adequados com uma estação única de controle na balsa central, e pela amarração rígida das três balsas para evitar movimento relativo.

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Uma balsa grua foi utilizada com sucesso no Porto Latta, Tasmania, terminal offshore para posicionar jaquetas em quadros pré-instalados com uma tolerância de apenas 50 mm. Uma balsa grua de hastes esbeltas construída foi utilizada para estabelecer a superestrutura de um terminal de minério de ferro similar em Queensland. Portanto, a capacidade de uma balsa grua para uso extensico offshore não deve ser eclipsada pela opção atualmente mais popular das balsas grua offshore totalmente articuladas.

Balsas grua cabeça de martelo têm gruas totalmente fixas de cabeça de martelo. Elas operam do mesmo modo que as balsas grua de hastes esbeltas, mas não podem movimentar verticalmente. A SVANEN tem a capacidade de 8000 tn. Foi utilizada para levar os píeres, eixos e vigas para a Ponte do Grande Cinturão Oeste, para a Ponte da Ilha do Príncipe Edward e para a Øresund Bridge (ver figura 5.14).

Figura 5.14Balsa grua cabeça de martelo para levantamento de cargas pesadas içando viga de ponte de concreto de 8000 tn, Confederation Bridge, Canadá. (Courtesia de Stanley Construction Co. Inc.)

5.8 Balsas torre offshore (totalmente articuladas)Balsas torre totalmente articuladas são o cavalo motor da construção

offshore. Assim como com as balsas torre com hastes esbeltas, elas são equipadas com motores de convés e com capacidade de amarração total, com a diferença de que aqui a ênfase está em estabilizar a posição da embarcação em vez de controle acirrado no posicionamento, já que a balsa torre

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normalmente permanece no mesmo local durante qualquer operação específica.

A balsa torre marinha onshore tem a capacidade de 50-300 tn., enquanto que uma balsa torre offshore tem a capacidade de grua de 500-1500 tn. Para comportar todo modulo mais robusto e seções de convés, capacidades têm sido rapidamente aumentadas nos anos recentes, com as últimas balsas torre offshore tendo duas gruas, cada uma classificada com 6500 tn. métricos cada, ou um total de 13000 T.

A balsa torre representa uma harmonização (ou otimização) de demandas opostas. Considerações estruturais e de arquitetura naval exigem que sejam localizados à frente da popa, a uma distância de 20%-25% do comprimento, ou seja, ao ponto um quarto ou um quinto. A balsa deve ser larga o suficiente para minimizar o banda já que a grua balança e para fornecer distribuição adequada da carga estrutural.

Por outro lado, o alcance efetivo da grua e sua capacidade de carga é diminuído pela distância do assento de retranca à popa ou lateral da balsa. Uma forma de unir estas duas demandas contrárias é pelo uso de um círculo de balanço grande que mova o assento de retranca para perto da extremidade da balsa enquanto mantenha o centro de rotação e suporte bem para trás. Uma preocupação maior é o banda da balsa sob carregamento completo ou sem carregamento. O contrapeso é geralmente projetado para limitar o banda sob meia carga, portanto sob nenhum carregamento a balsa pode atritar opostamente ao retranca. Este banda pode ser reduzido durante operações pelo retranca para baixo durante o balanço sob nenhum carregamento. O balanço é realizado pelos motores de balanço dirigindo a roda touro. Devido ao banda, a grua é geralmente forçada a balançar “fortemente” sob carregamento. Gruas offshore são, portanto, equipadas com dois e às vezes três motores de balanço. O banda também loca cargas estruturais pesadas na cuba da grua, o que forma a conexão estrutural à balsa. Portanto, seu design deve fornecer reforço estrutural apropriado para flexão e prevenir flambagem sob cargas de compressão inclinadas. Gruas em terra montadas em balsas frequentemente falham como resultado do colapso da cuba ou pino central. As vantagens em operações de um torre totalmente articulado são muitas: a habilidade de içar uma balsa ou barco atracado ou mesmo do convés da própria balsa, o controle preciso do posicionamento para estar apto a rapidamente alcançar qualquer ponto no espaço tridimensional com uma programação de controles, a habilidade de orientar a balsa torre na direção mais favorável para minimizar deslocamentos e acelerações de ponta de retranca.

Durante o posicionamento de cargas, são os movimentos da ponta do retranca que controlam. Estes são afetados por movimentos da balsa em cada um dos seis graus de liberdade. Durante o trabalho muito ao longo da popa,

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amplitudes de arremesso serão amplificadas. Durante o trabalho pela lateral, o rolamento é que causa a maior dificuldade. Programas computacionais foram desenvolvidos para auxiliar na seleção de rota apropriada, o que trata a balsa e a carga como um sistema casado. Um superintendente de balsa experiente e operador de grua irão tirar proveito do agrupamento das ondas para realizar um içamento crítico ou estabelecer uma operação durante uma sucessão de ondas baixas.

Assim como com a balsa grua, linhas de identificação devem ser utilizadas para controlar o balanço da carga. Como contrastado com a balsa de hastes esbeltas, a posição da carga relativamente à balsa está mudando constantemente; portanto, os mecanismos de linha de identificação estão acoplados ao corpo da grua e articulam com ele.

Uma carga suspensa de uma ponta de retranca é um pêndulo. Enquanto o comprimento da linha da carga é geralmente muito longo para ressonância direta, a carga pode tender a ter amplificação dinâmica de baixa frequência de energia. A solução prática é aumentar ou diminuir o carregamento rapidamente através destas posições que desenvolvem resposta amplificada.

Gruas marinhas são geralmente projetadas para trabalhar sob suas cargas classificadas em banda de 3o. A classificação da capacidade de carga para gruas marinhas são baseadas em uma oscilação de 2o em um período de 10-12s, o qual equaliza com uma aceleração de 0.07g. O balanço da carga desenvolve forças laterais na retranca. Portanto, retrancas de gruas offshore são projetadas com uma larga dispersão entre as bases (geralmente 1/15 do comprimento da retranca ou mais). Isto, por sua vez, significa que os membros de cintamento da retranca estarão sujeitos a flambagem; eles devem ser projetos adequadamente para evitar este modo de falha. Retrancas, hoje, são feitas de aço de alta-performance, geralmente tubos de seção circular ou quadrada. Isto as torna mais leves e portanto aumenta a capacidade de carga efetiva da grua e reduz a inércia no balanço. Entretanto, isto significa que soldas são mais críticas e que a flambagem se torna um modo comum de falha. Um bom design e fabricação irão prevenir isto. Isto também significa que a retranca é bem mais sensível ao impacto lateral da própria carga ou à falha sob uma carga lateral acidental. Significa dizer que anexos como olhais para ganchos e assim pro diante devem ser fixados à retranca apenas após engenharia minuciosa e com procedimentos de soldagem completamente controlados e adequados às classes de aço envolvidas.

Um dos riscos potenciais na operação de balsas torre offshore é que, embora os ascensores tenham sido cuidadosamente projetados para carregamento e alcance, na situação real, a balsa torre ondula para longe da plataforma e se move lateralmente. O operador, concentrado na carga e no local onde irá posicioná-la, veleja para fora e balança além da capacidade da

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grua. Isto pode resultar em uma falha direta da retranca ou pode resultar em uma perda de controle de balanço, que acelera conforme a balsa bandeia. Gruas de balsas torre offshore são equipadas com avisos automáticos para alertar o operador quando combinações de cargas-raio admissíveis estão sendo excedidas, mas o controle de balanço é normalmente uma questão de julgamento.

Para mover uma carga leve de um barco de suprimentos, uma única linha, a correia, é preferida. Ela consegue elevar a carga rápido o suficiente para prevenir impacto no ciclo de içamento subsequente. Levantar uma carga pesada de uma balsa é mais difícil posto que podem haver vinte e quatro peças ou mais na linha e a balsa irá subir conforme a carga é levantada, aumentando o risco de impacto entre a carga e o convés do barco.

Um problema similar ocorre quando se está posicionando uma carga pesada. Durante o posicionamento em uma plataforma, o convés irá geralmente estar acima da linha de visão do operador da grua, o operador está trabalhando às cegas, dependente de sinais. Portanto, um ou mais dispositivos guia são necessários. Linhas de identificação da balsa grua podem fletir pela extremidade do convés da plataforma; se elas se desgastarem, podem se partir no pior momento possível. Amaciantes devem ser fornecidos. Guias estruturais podem ser pré-instalados na plataforma para que a carga, uma vez estabelecida em uma posição de 0.5 m ou algo em torno disto, automaticamente guia para a localização correta. Estes guias devem ter altura suficiente para que a carga não fique fora delas no próximo ciclo de levantamento. Se isto acontecer, elas poderiam puncionar a carga em vez de guiar. Linhas de guia tensionadas podem ser empregadas para ajudar a puxar a carga para a posição correta. Um sistema de guias que geralmente funciona bem é utilizar dois postos colunares guia. Suspensos frouxamente das cargas ficam duas mangas de tubos de diâmetro mais largo. Estas podem ser ajustadas à mão nos postos; quando a carga é abaixada, as mangas irão guiar a carga para o local apropriado.

Alternativamente, pinos pendendo frouxamente (canos de diâmetro menor) podem ser colocados dentro dos postos tubulares. Linhas de identificação e guinchos podem ser instalados na plataforma para auxiliar a guiar a carga para o local apropriado. Outra solução é posicionar a carga apenas para aproximar a localização, pousando-a em amaciadores como para-choques de madeira ou de borracha ou pneus de trator usados. Após ter sido posicionada em uma posição aproximada, ela pode ser deslizada para a posição final exata por um macaco hidráulico do tipo comumente empregado em plataformas de perfuração de petróleo. Este procedimento é geralmente adotado durante o posicionamento de treliças ou outros elementos de superestrutura de pontes dificilmente manuseáveis.

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Há uma divisão arbitrária funcional que existe entre equipes de construção offshore e equipes de perfuração offshore. Nenhuma parece considerar completamente os problemas da outra. Isto tem resultado em muitos retrabalhos e acidentes. Coordenação estrita e comunicação são essenciais.

O bloco inferior (itinerante) e gancho de uma grande torre offshore pode pesar de 20-30 tn. ou mais. Como é colocado próximo à retranca, pode entrar em ressonância com a oscilação da balsa. Uma linha de identificação de controle especial de gancho é necessária. A combinação de bloco-gancho itinerantes nunca deve ser deixada pendurada em curto prazo. Um mar pode subir, o que excita o gancho e o torna impossível de segurar. Portanto, exceto quando a grua está sendo utilizada, o bloco sempre deve ser totalmente retirado e a retranca abaixada na base da retranca e segurada. Isto também irá reduzir o desgaste por fadiga na engrenagem de balanço.

Quando uma balsa torre está trabalhando com uma plataforma, as amarras são dispostas em um padrão que permite que a balsa reoriente e reposicione como necessário para alcançar o máximo de partes da plataforma possível. É necessário ter cautela com o fato de que, durante uma reorientação, as linhas de amarras não podem cruzar umas com as outras. Embora existam exceções, como regra geral, linhas de amarração nunca devem cruzar; isto impede a recuperação da linha de baixo, e pode levar a reações erráticas das linhas conforme a carga muda de catenária e afeta a outra. Pior de tudo, uma linha pode romper a âncora da outra linha.

5.9 Balsas semissubmersíveisEnquanto a balsa padrão, seja servindo para o transporte de carga ou

como suporte para uma grua ou outro equipamento operacional, tem boa estabilidade e características de deslocamento de carga, infelizmente, tem resposta excessiva para ondas geradas pelo vento e dilatação. Estes fatores limitam a trabalhabilidade da embarcação.

Em áreas como Bass Strait, Australia, e o Mar Norte setentrional, onde a persistência de marés baixas é pouca, uma balsa convencional pode encontrar inatividade devido ao tempo, o que pode estender o cronograma de construção além da janela de tempo do verão e portanto requerer um ano extra para completar.

O conceito semissubmersível foi desenvolvido pela primeira vez para perfuração exploratória mas tem sido desde então estendido para balsas torre e balsas de posicionamento de tubos. É um conceito simples: um pontão ou pontões de base larga que estão totalmente submersos durante as operações, suportando quatro a oito colunas que se estendem através do plano da água e por sua vez suportam o convés. Portanto, há uma grande massa submersa e grande deslocamento combinado a um plano de água mínimo. A embarcação

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está portanto sujeita a excitação e momentos de correção. Alguns se referiram ao conceito como “transparente” porque as ondas varrem através da área entre as colunas ou eixos, com pouco efeito na movimentação da balsa (figura 5.15 e figura 5.16).

Figura 5.15Conceito semissubmersível

Figura 5.16Balsa grua semissubmersível

Esta falta de resposta às marés causadas pelo vento é devido à mudança relativamente pequena no deslocamento bruto e ao período natural

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mais longo da embarcação, especialmente oscilação, inclinação e balanço. Enquanto a balsa padrão tem um período natural de 5-6 s, a típica semissubmersível tem um período natural de 17-22 s (ver figura 5.17).

Figura 5.17Resposta da embarcação semissubmersível ao içamento.

Há três penalidades para pagar por esta performance favorável:

1. A semissubmersível tem resposta muito maior às cargas aplicadas externamente, como pesos, carregamentos e lastro. Outra forma de colocar isto é dizer que seu momento de correção e altura metacêntrica são muito menores que aqueles de uma balsa padrão.

2. A semissubmersível tem uma capacidade de carga no lado superior muito reduzida. Ela se garante por um centro de gravidade baixo para manter a estabilidade.

3. A semissubmersível custa mais para construir e operar. Controles de lastro são similares daqueles de submarinos.

Entretanto, semissubmersíveis estão sendo cada vez mais utilizados em construções de perfuração, para floatels (embarcações de hotéis flutuantes), e mesmo para produção flutuante por sua habilidade de realizar suas operações por períodos extensos sem interrupção devido a impedimentos devido ao tempo.

Conforme indicado acima, o semissubmersível deve ter um lastro e sistema de drenagem muito completos e efetivos, com tubulação de alta capacidade e controles de ação rápida. O sistema deve ter um alto grau de confiabilidade; falha de fechamento em uma válvula pode causar uma catástrofe. Deve haver indicações positivas de posicionamento de válvulas, indicações de nível de tanque, e indicadores de equilíbrio sensíveis na sala de controle. Sistemas

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extras de ventilação devem ser fornecidos para evitar sobre pressurização acidental.

As semissubmersíveis normalmente andam sobre seus pontões de base, indo para o modo semissubmersível apenas após a chegada à estação. Como em todas as embarcações tendo uma mudança drástica na área do plano da água, na corrente quando o plano da água atravessa sobre os pontões de base há uma perda súbita na altura metacêntrica para quase zero. Isto é ainda mais agravado pela ação das ondas quebrando entre os topos dos pontões e impactando os eixos, de modo que esta fase é caracterizada por resposta imprevisível e instabilidade. Portanto, nenhuma outra operação deve ser tentada durante a submersão até que haja 2-3 m de profundidade da água ao longo dos pontões.

O efeito de perfuração acidental de um eixo, por exemplo, pode ser bem mais sério que uma perfuração similar na lateral de uma balsa padrão. Portanto, os eixos de semissubmersíveis modernas têm casco duplo e são protegidos por para-choques de madeira pesada e borracha. Linhas de amarração saem da balsa através de fairleads giratórios localizados nos pontões de base; isto os mantém bem abaixo da quilha dos barcos e balsas concomitantes. A segurança de um semissubmersível contra emborcamento pode ser imensamente melhorada se sistemas apropriados de controle de dano forem embutidos na embarcação e forçados nas operações. Para a maioria dos semissubmersíveis, o convés é à prova d’água e tem a força estrutural para funcionar como um casco superior de balsa. Então, se houver entrada de água no convés, o momento de correção irá aumentar significativamente.

Entretanto, a falta de cuidado operacional frequentemente invalida isto na prática. Portas de acesso e portinholas à prova d’água e basculantes são deixados abertos, especialmente em climas quentes. A engrenagem é deixada frouxa no convés para girar durante a banda. Isto tem contribuído para a perda de duas embarcações semissubmersíveis, a Alexander Kjelland no Mar Norte e a Ocean Ranger off Newfoundland. Percalços operacionais, defeitos estruturais e âncoras arrastadas também são causas envolvidas aparentemente.

A semissubmersível está sujeita a altas concentrações de tensão e carregamentos cíclicos na conexão entre eixos e pontões e amarração. Quando o mar e as condições operacionais permitem, a semissubmersível deve ser lastreada para cima para que possam ser inspecionadas visualmente para detectar fissuras.

Há outra vantagem da semissubmersível, que é a alta elevação do seu convés, especialmente quando lastreada para cima para os pontões. Desta situação tão elevada, uma grua pode alcançar mais longe ao longo do convés

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de uma plataforma, e portanto módulos interiores podem ser mais facilmente locados.

Por causa de sua baixa resposta à elevação, a semissubmersível pode ser utilizada como uma plataforma de construção de haste de tensão, ou seja, com linhas verticais de amarração para amontoar pesos ou ancorar pilhas no chão do mar. Puxada para baixo contra essas reações, esta plataforma temporária de haste de tensão (TLP) pode manter-se precisamente na direção vertical, permitindo assim a realização de operações sensíveis ao içamento, tais como nivelamento, posicionamento, e grandes tubos individuais de montagem ou seções veiculares tubulares submersas. Este princípio foi adotado para operações marinhas em águas interiores, como tiras para túneis submersos (tubos) e caixas de tubulões pré-moldados de pontes de píeres. Foi utilizado desta maneira para o posicionamento dos tubos BART de San Franscisco, e aqueles atravessando o canal de entrada da Chesapeake Bay.

Estas propriedades favoráveis do conceito semissubmersível foram adotadas por empreiteiros offshore e operadores para uma variedade de plataformas pequenas e com propósito especial. Estas podem por sua vez serem cuidadas por grandes torres offshore, posto que a pequena semissubmersa tem pouca versatilidade, geralmente sendo utilizada para uma operação específica. Amarradas, por exemplo, como TLP e trabalhando em conjunto com uma balsa torre, ela pode realizar operações no chão marinho que requerem mínima ou nenhuma elevação.

Embora a semissubmersível por si só é estável em estados de maré alta moderada, apresenta problemas na transferência de pilhas, comprimento de tubulações e equipamentos de convés de uma balsa de cargo padrão por causa da movimentação desta. Grandes barcos de suprimentos são portanto frequentemente utilizados para entregar estes itens na medida do possível. O barco de abastecimento pode executar uma linha de popa para o semissubmersível, e depois correr à frente lentamente, com o seu arco dirigido para fora. Assim, ele pode encontrar-se ao lado, mas ainda estar livre de contato direto.

Para módulos de convés e afins, podem ocasionalmente ser mais praticáveis para rebocar o semissubmersível para águas protegidas, carregas o modulo e rebocar de volta para o site offshore. Se a carga está pendendo na retranca (s), pela popa, e então o carregamento deve ser bloqueado para a balsa e mantido com linhas de identificação tensionadas de tamanho adequado para evitar um balanço e içamento durante o transporte. Pilhas de grande diâmetro podem ser entregues no local flutuante, para serem colhidas da água pela balsa torre.

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O conceito semissubmersível tem sido a escolha preferida para o Sistema Offshore de Base Móvel da Marinha dos EUA, um aeroporto flutuante base de alimentação para todas as operações oceânicas, bem como vários outros aeródromos offshore propostos.

5.10 Balsas auto elevatórias de construçãoA balsa auto elevatória provou ser uma ferramenta muito útil para a

construção, especialmente no trabalho em áreas marítimas turbulentas, ou áreas onde as ondas quebram como bancos de areia ou áreas costais, e em correntes rápidas. Em locais onde grandes operações devem ser realizadas – por exemplo, em um terminal offshore ou píer de ponte – a balsa auto elevatória de construção é especialmente valiosa (ver figura 5.18). A balsa é equipada com quatro a oito grandes macacos e hastes, feitos de tubos ou aço fabricado. A balsa é rebocada para sua posição de trabalho e elevada para além das ondas para executar o seu trabalho.

Figura 5.18Balsa auto elevatória de construção, Brasil. (Cortesia de HV Anderson)

35

A sequência típica inicia com a balsa se movendo para o site com suas hastes estendidas. Na chegada ao site, ela é amarrada com uma amarração geral. Auto elevatórias de construção apenas operam em águas relativamente rasas, 30-60 m, com 150 m como extremo, de modo que o uso de amarração tensionada é praticável, embora até 300 m possam ser adotadas para sondas de perfuração.

Sendo o estado do mar calmo (ondas e expansões devem geralmente ser menores que 1 m), as hastes são abaixadas para o chão marinho e permitidas a penetrar com seu próprio peso. Em alguns solos, a penetração pode ser auxiliada por jateamento e vibração. Usando os macacos em uma haste por vez, a balsa atuando como a reação, as hastes são forçadas no solo. Com todas as hastes bem encaixadas, a balsa se auto eleva livre de água. Esta é a fase mais crítica, posto que a batida da onda na parte inferior da balsa pode causar cargas de impacto nos macacos e pode virar a balsa lateralmente, fletindo as hastes. Para amortecer o impacto, amortecedores especiais hidráulicos podem ser conectados a cilindros de nitrogênio; alternativamente, amortecedores de neoprene podem ser empregados. Uma vez que estiver bem limpa, a balsa é elevada para sua altura de trabalho. Então, as hastes podem ser liberadas, uma de cada vez, e um martelo de pilha utilizado para atingir maior penetração. Já que podem ocorrer assentamentos desnivelados como resultado do tempo, operações, e descarga de energia nas hastes, os macacos devem ser periodicamente reativados para equalizar a carga em cada uma. Isso é especialmente necessário durante os primeiros dias em um site.

Para deixar um site, o mar deve estar calmo, com ondas e expansões geralmente menores que 1 m. As linhas de amarração são reanexadas, com folga. A balsa é então macaqueada para baixo até que esteja flutuando. Mais uma vez, o período crítico é quando as ondas estão batendo na parte inferior. As linhas de amarração são apertadas. Então, as hastes são desacopladas do macaco, uma de cada vez. Se as hastes não desprenderem com facilidade, várias técnicas podem ser aplicadas. A mais rápida é o jateamento. Em argilas, uma carga contínua pode eventualmente libertar a haste. Ainda em argilas, injeção de água a baixa pressão para quebrar a sucção pode ser mais útil que jateamento a alta pressão, o que leva a formação de canais de escape. O mesmo processo pode ser usado para liberar as hastes na areia, também a pressão baixa continuada. Em hipótese alguma deve ser feita uma tentativa de liberar as hastes com trabalho lateral da balsa. Isto pode resultar em uma haste fletida ou emperrada, com muitas consequências sérias. Em um caso na Cook Inlet, Alaska, a haste emperrou pelo trabalho elevado na lateral da balsa durante a operação de reflutuação. Então, a maré subiu cerca de 6 m, alagando a balsa auto elevatória.

Altas correntes podem criar redemoinhos locais em torno das hastes, levando ao atrito e perda de capacidade lateral. Esteiras de aço são

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geralmente construídas no fundo das hastes, para que quando as hastes sejam macaqueadas para baixo elas tenham suporte temporário do chão marítimo. Um pequeno toco de manga de tubo pode penetrar abaixo da esteira para fornecer resistência ao cisalhamento. Então, a haste principal é macaqueada para baixo através da manga. Posto que a performance do macaco é tão dependente do solo marítimo, é essencial que haja uma avaliação geotécnica aprofundada, incluindo pelo menos uma perfuração, em cada site. Solos em camadas são de preocupação particular, nos quais a haste pode ganhar suporte temporário mas de repente recalcar (ver figura 5.19).

Figura 5.19Balsa auto elevatória afundando devido à erosão em volta das hastes, Califórnia.

Em solos argilosos, em que macacos trabalharam previamente, buracos terão sido deixados no passado, e que agora poderão estar parcialmente vazios ou preenchidos por sedimentos. Se uma haste for agora assentada de forma adjacente a um buraco deste tipo, ela pode ceder para dentro dele, perdendo suporte lateral e vertical, o que irá fletir a haste. Uma regra geral é mapear a posição prévia das hastes (quando conhecidas) e distanciar as novas localizações de hastes 4-5 diametros de distância. Isto, é claro, é outra vantagem das hastes suportadas por esteira metálica: as esteiras podem arcar com as anomalias locais. Foram construídas auto elevatórias caminháveis, variando de uma pequena sonda de perfuração para teste de caminhada na superfície para um casco draga monstruoso com hastes auto elevatórias. Estes equipamentos possuem dois conjuntos de hastes (seis ou oito no geral)

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suportando um casco duplo enquadrado (ou segmentos) de modo que pode ser lançado para frente com sucesso, abaixar as hastes, levar total suporte para a frente, pegar as pernas atrás e retrair a parte traseira para a seção dianteira. O conjunto de pernas traseiras é então abaixado para o mar para que possa se mover. O menor equipamento de macaqueamento para locomoção é especialmente útil para levar as perfurações para a zona de arrebentação. Infelizmente, o grande macaco draga para locomoção provou ser muito oneroso e lento, e foi retirado de serviço. O menor tem se mostrado bem sucedido.

Grandes equipamentos de macaqueamento para construção são mais aplicáveis quando as condições marítimas são bem variáveis, com períodos frequentes de calmaria, de modo que o equipamento possa encontrar momentos convenientes para a movimentação. Por outro lado, se numerosos movimentos são necessários – como, por exemplo, na colocação de tubos de descarga de esgoto – os mares mais persistentemente revoltos podem atrasar as movimentações a ponto de tornar a auto elevatória antieconômica. Uma desvantagem da auto elevatória ocorre durante a transferência de cargas das balsas ou barcos suprimento. Aqui o conceito da auto elevatória novamente se torna sensível ao tempo, já que as balsas não podem ser permitidas a entrar em contato com as hastes ou poderão danificá-las.

Auto elevatórias fornecem uma plataforma fixa, livre de resposta motora aos mares (ver figura 5.20). Portanto, elas são ideias para realizar operações como moagem de uma base de rocha a fim de acomodar um caixão, como foi feito na Ponte Honshu-Shikoku (Koyama-Sakaide Route, Pier 7A). Elas também são ideais para nivelar o site de fundação. Estudos estatísticos acerca de equipamentos auto elevatórios de perfuração e construção auto elevatória mostram que elas são seis vezes mais suscetíveis a sofrer danos sérios ou perdas durante a movimentação e trânsito do que quando estão no local. Isto é primordialmente devido ao fato de que a balsa tem suas hastes totalmente elevadas, assim criando um centro de gravidade alto. Algumas elevatórias, portanto, têm pernas telescópicas.

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Figura 5.20Balsa auto elevatória de grua de construção. (Courtesia de HAM Dredging and Marine Construction.)

Assim como o conceito semissubmersível, o princípio das auto elevatórias foi aplicada para equipamentos de construções de propósito pequeno e especial, cuidados por uma torre offshore. A balsa torre com seu grande sistema de amarração pode ser utilizada para posicionar a auto elevatória e caso necessário ajudar a penetrar suas hastes e depois ajudar a retraí-las. Enquanto isto, o equipamento auto elevatório forma uma plataforma de trabalho vertical estável para operações sensíveis deste tipo como retirada de amostras e operações de amostragem ou para reparos de dutos submarinos.

As auto elevatórias têm sido utilizadas para locar cargas pesadas. Neste caso, uma abrcaça carregando a carga flutua entre as hastes. A carga é então içada por elevação direta do convés da auto elevatória para cima, a balsa é removida, e a carga é abaixada para o chão marítimo. Esta operação, com uma balsa entre as hastes, é obviamente de alto risco e deve ser realizada apenas sob condições marítimas ideais, com controles laterais adequados para assegurar que a balsa não irá chocar com as hastes. Este conceito foi utilizado para a colocação dos tubulões de concreto pré-moldados de 600 tn. para a ponte do Columbia River (Oregon) em Astoria.

39

5.11 – Barcas de lançamentoUm dos desenvolvimentos mais impactantes na prática da construção

offshore foi à utilização de barcas de lançamento para o transporte e

lançamento de estruturas tipo jaqueta. Elas são utilizadas para levar e lançar

gabaritos submarinhos (Figura 5.21). A barca de lançamento típica é grande e

reforçada, comprida e larga, dividida internamente em vários compartimentos

de lastro. Como deve suportar uma jaqueta se movendo progressivamente e

pesando milhares de toneladas, a estrutura deve possuir anteparos reforçados

longitudinal e horizontalmente. Vigas corridas ou feixes de derrapagem

estendem o comprimento da barca (Figura 5.22). Essas vigas distribuem a

carga da jaqueta para a estrutura da barca. Na extremidade da barca, as vigas

irão rotacionar e serão levemente submergidas, necessitando de reforços

especiais.

Por um curto período de tempo, essas vigas terão de suportar todo o

peso da jaqueta. Elas devem então transmitir as reações para a estrutura da

barca, evitando uma reação pontual. A jaqueta deslizará por essas vigas, que

necessitam de uma seção oscilatória que rotaciona de acordo com a posição

da jaqueta (Figura 5.23). Esse aspecto operacional do lançamento é descrito

no capitulo11. O fundo da barca de lançamento deve ser reforçado, pois no

momento do posicionamento da jaqueta na barca, esta precisa ficar ancorada

em um banco de areia, portanto seu casco precisa ser reforçado para resistir a

pressões pontuais devido a irregularidades. Não só o casco deve ser reforçado,

mas também o casco para evitar flambagens locais.

Figura 5.23 – Barca de Lançamento

40

Figura 5.24 – Jaqueta instalada sobre a barca

O descarregar da jaqueta é realizado com a barca flutuando, portanto o

lastro deve ser rapidamente ajustado para manter a elevação do deck da barca

quando a jaqueta é colocada sobre a embarcação. Guindastes potentes são

utilizados para puxar a jaqueta para cima da barca, e mais tarde para empurrar

a jaqueta para o mar. A largura das vigas de uma barca de lançamento deve

ser menor do que a base da jaqueta. A base de uma jaqueta de aguas

profundas é de em torno de 60 metros. Boa parte das barcas de lançamento

tem dimensões de 196 x 52 metros e podem carregar jaquetas de até 40.000

toneladas.

41

Figura 5.25 – Sistema de lançamento de uma barca

Uma barca de 300 metros foi construída no Japão para transportar uma

jaqueta de 55.000 toneladas e 415 metros. Durante o transporte da carga, a

barca deve ser larga o suficiente para evitar que as laterais da jaqueta

mergulhem na água ou que sejam atingidas por ondas. A largura da barca deve

ser menor do que a da jaqueta, pois caso ela deslize lateralmente sobre a

barca, as suas laterais não sofram flambagem.

5.12 – Barcas catamarãsPara o içamento em portos e rios, especialmente para segmentos de

túneis submersos pré-fabricados, catamarãs de içamento pesado são

empregadas. Eles consistem de duas barcas, separadas porem conectadas por

cavaletes. Normalmente, as pernas dos cavaletes são parafusadas nos eixos

das barcas, diminuindo o momento aplicado. Isso também permite a rotação

independente das barcas sem prejudicar as treliças dos cavaletes (Figura

5.24).

Esses cavaletes são constituídos de duas treliças, permitindo o içamento

de estruturas longas e pré-fabricadas, gerando um total de quatro pontos de

içamento no catamarã. Para resistir ao momento, às barcas são ligadas nas

extremidades por treliças horizontais. Para não ser afetado pelas ondas e

maré, catamarãs utilizam do conceito semissubmersível (discutido na seção

anterior), no qual o casco é lastrado bem abaixo do nível d’água, com colunas

ou mastros suportando a superestrutura. Para compensar as variações da

maré e o efeito das ondas, blocos de concreto são amontoados e levados para

baixo para manter uma elevação constante, isso, porém aumenta o risco da

elevação da água nas colunas.

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Figura 5.24 – Catamarã transportando e instalando estrutura subaquática.

(Cortesia de Morisson-Knudsen).

O princípio do catamarã pode ser alcançado através de quatro pontões

colocados em pares, usando um elemento de auto flutuação para manter a

posição horizontal dos pontões.

No conceito de Versatruss, duas barcas grandes são utilizadas como

catamarãs, porém a função é erguer a carga e não abaixa-la. Escoras

inclinadas de grandes tubulões são inclinadas no comprimento de cada barca e

conectadas para que a carga seja erguida. Tipicamente, o deck é a estrutura

de alguma plataforma offshore aposentada. Potentes guinchos são utilizados

para trazer as barcas para perto uma da outra, causando a rotação da

tubulação inclinada e erguendo a carga.

5.13 – DragasPara escavações de canais e portos, inúmeros diferentes tipos de draga

foram desenvolvidos. Cada uma com suas características próprias em relação

à extensão ou quantidade de trabalho, tipo de solo a ser removido e

profundidade da escavação.

Clamshells utilizam sua caçamba verticalmente permitindo o trabalho

próximo a estruturas existentes. Devido ao fato de sua habilidade de

43

escavação ser proveniente do peso da caçamba aplicado nos dentes, as

clamshells não possuem limitação de profundidade.

Draga a cabo são eficientes para cavar trincheiras em águas rasas em solos

moles ou moderadamente duros. A sua habilidade de cavar vem da puxada

quase horizontal da caçamba.

Dragas de alcatruzes podem cavar grandes profundidades (40 metros)

em material rígido. Sua caçamba pequena exerce todo o seu peso em uma das

bordas cortantes. Eles são utilizados para dragagens de cais já existentes,

devido ao fato da sua habilidade de descarga de solo removido em barcas e de

sua escavação precisa.

Dragas de sucção hidráulica sugam o material através de um tubo para

uma bomba montado no casco, e então descarrega o material na zona de

despejo. Essa draga é utilizada em dragagem de manutenção em material

mole. Essa draga pode ser acoplada em uma barca que pode servir como

armazém temporário. É possível acoplar um cabeçote de corte no começo da

tubulação de sucção, permitindo o corte de material mais rígido para a sucção

da bomba. Isso torna a draga uma draga de sucção hidráulica com cabeçote de

corte, muito utilizada para dragagens de grandes proporções.

Algumas dessas dragas de sucção com cabeçote de corte são capazes

de dragar até uma profundidade de 60 metros e escavar material muito denso,

até rochas de até 140 MPa de força. Sendo eficazes na escavação de

trincheiras para instalação de tubulação.

Dragar no offshore é um processo complexo devido à dilatação,

posicionamento e controle da draga. A profundidade é maior do que a de uma

enseada. O volume de material removido é substancialmente maior e o despejo

de material é difícil devido a distancia até áreas de descarga. Essas operações

serão discutidas nos capítulos 7, 15 e 22.

Dragas auto transportadoras de arrasto é a opção se tratando de

dragagem oceânica. Ela é uma embarcação auto propulsora do tamanho de

um navio. Possui um longo tubo suportado por uma estrutura de treliça

metálica capaz de alcançar o assoalho marinho por um ângulo de 30º. No final

desse tubo existem jatos para quebrar torrões de areia ou dentes para quebrar

massas de cimento ou material rígido. A bordo, existe uma bomba que além de

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transportar o material até o local onde será armazenado, também lava esse

reservatório removendo toda a areia fina e silte e o devolvendo para o mar.

Essa draga pode transportar o material e descarrega-lo abrindo seus portões.

Podendo também bombear o material para fora da embarcação ao chegar à

costa.

Um dos problemas na dragagem oceânica é a ondulação do oceano,

que pode prejudicar a estrutura responsável por cavar, como também pode

prejudicar a uniformidade da profundidade da trincheira. Por isso, é instalado

na draga um sistema de suspensões que devem compensar a ondulação,

mantendo assim a uniformidade da escavação.

A draga auto transportadora de sucção é uma opção eficiente, podendo

mover grandes volumes de material a distancias moderadas, podendo mover

até 100.000 m³ de areia em um dia.

A draga de sucção básica suporta sua estrutura responsável pela

sucção em uma estrutura em forma de A na popa. Isso gera momentos altos no

casco. Na ponta da estrutura de sucção existe um cabeçote de corte, cortando

massas de solo que serão sugados para dentro da embarcação. Esses

cabeçotes possuem laminas que podem girar paralelas ou em torno do eixo da

estrutura. Toda essa estrutura é movida por motores elétricos ou hidráulicos.

Para compensar o problema da ondulação do oceano, braços

articulados e boias são colocados na ponta da estrutura de sucção. Isso

elimina o efeito de arremesso do casco e minimiza a respostas as ondas.

Em dragagem profundas a bomba localizada na embarcação perde

eficiência. Para profundidades maiores do que 20 – 25 metros, jatos de água

adicionais propulsionam o material estrutura acima. Esses jatos compensam a

fricção do material com o tubo e a perda de sucção na entrada da bomba,

tornando possível utilizar essa draga em profundidades maiores. Alternativa é

imergir a bomba ou até a estrutura inteira.

Estacas são usualmente usadas para posicionar as dragas nos

ancoradouros e para causar a reação necessária para inserir o cabeçote de

corte no banco submarino. Em projetos em profundezas ou no mar aberto não

é possível utilizar estacas. A draga deve ser presa por cabos em âncoras. Para

garantir que a draga consiga levar a estrutura de sucção lateralmente sem que

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ajam translações indesejadas, a draga deve ser presa no sistema de “árvore de

Natal”, mostrado na Figura 5.25 e Figura 5.26.

Alguns cabeçotes possuem características especiais que os permitem

perfurar até 100 metros de profundidade.

A empresa japonesa Toyo desenvolveu um sistema que permite

deslocar quantidades absurdas de material de baixa carga hidráulica (10 – 15

metros). Essas bombas são muito úteis em dragagens locais, como de

trincheiras.

As dragas de clamshell também podem ser utilizadas em portos e na

região costeira, especialmente para remoção de material duro, como pedra ou

escavando áreas limitadas. Como a habilidade de escavação depende apenas

do peso da caçamba sobre os dentes, a draga não é afetada pela região

estreita e pelas forças horizontais das ondas e da maré.

Por razões práticas, baldes das clamshells usadas offshore são grandes

e pesadas, pesando mais de 100 toneladas (Figuras 5.27 até 5.29). Um balde

de 50 m³ foi utilizado para cavar a trincheira para o túnel pré-fabricado entre

Dinamarca e Suécia. Um de 100 m³ foi desenvolvido no Japão para dragagem

de até 30 metros.

Após seu fechamento, a caçamba é erguida até a superfície. Para

grandes profundidades, essa é a parte mais demorada do processo. O braço

da grua gira e deposita o material removido em alguma barca que serve como

área de despejo. O braço volta para a posição inicial e lança o balde

novamente. Para grandes profundidades, a viagem até o fundo do mar pode

ser auxiliada por motores. Ao chegar ao fundo, o ciclo se repete.

46

Figura 5.27 – Caçamba tipo Chamshell despejando material em uma barca de

despejo (Cortesia da Kajima Engineering & Construction CO.)

Figura 5.28 – Guindaste tipo Clamshell descarregando em uma barca.

O giro também consome bastante tempo, devido aos efeitos inerciais de

rotacionar, para e reverter o giro. Alternativamente, é possível posicionar a

barca depósito transversalmente a popa da draga, evitando assim a

necessidade de rotacionar o braço da grua. Isso reduz o ciclo

consideravelmente, porém depende de uma grua de braço comprido.

Para auxiliar a inserção dos dentes da clamshell em materiais rígidos,

podem ser usados vibradores; eles vêm acompanhados de acompanhados de

problemas, manutenções periódicas e problemas práticos. Em um caso, em um

recife de corais, os dentes penetraram tanto que não foi possível o fechamento

do balde. Em outros casos, vibradores causam fraturas devido à fadiga.

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Retroescavadeiras hidráulicas foram adaptadas para dragagens de

profundidade moderada, podendo alcançar até 25 metros de profundidade.

Esse equipamento é eficaz na remoção de elevações ou extrato de pedras de

cal ou de cobertura. Seu uso é otimizado quando utilizado como uma alavanca.

É um equipamento eficaz em baixas profundidades.

Figura 5.29 – Guindaste tipo Clamshell descarregando material em barca

atracada.

Controle de dragagem é um problema complexo, especialmente em

taludes, aterro ou quando há elevação de água devido à maré. GPS facilitaram

precisão nas escavações. Sensores colocados nas estruturas de escavação

permitem um controle tridimensional da dragagem com precisão milimétrica.

5.14 – Navios instaladores de tubulaçãoSão embarcações extremamente sofisticadas e elementos chaves nos

sistemas de instalação de tubulação submarina. Essa seção tratará das

propriedades do barco em si (Figura 5.30).

As funções do navio instalador são receber, estocar, montar e soldar a

tubulação, revestir as conexões e levar a tubulação da popa ao fundo do mar.

As operações relevantes para que o navio cumpra as funções citadas são:

1. Posicionar a embarcação.

2. Receber a tubulação de navios suprimentos e estoca-la.

3. Double-ending

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Figura 5.30 – Navios instaladores de primeira geração.

4. Alinhar e completar a solda a quente

5. Completar a solda

6. Raios-x

7. Aplicar tensão na tubulação

8. Revestir as conexões

9. Alinhar a tubulação na popa

10.Mover a embarcação para frente das suas âncoras

11.Levar as âncoras continuamente para frente

12.Marcar a posição da tubulação

13.Comunicar-se via radio com navios, com a equipe costeira e com

aeronaves

14.Transferência de pessoal por helicóptero ou navio

15.Quando as condições climáticas forem severas, abandonar a tubulação

de maneira segura e de tal forma que ela permaneça intacta no fundo do

mar

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16.Recuperar a tubulação abandonada

17.Um gaviete que suporte uma seção da tubulação para reparos

18.Suporte para mergulhos de inspeção

19.Moradia e alimentação para 300 pessoas

Abandonar significa uma parada temporária do trabalho e colocar a

tubulação no assoalho marinho.

Para realizar todas essas atividades é necessário um espaço grande. O

comprimento do navio depende do número de estações de solda. Como tubos

utilizados submersos são espessos é necessário um grande número de

passagens para completar a solda. Um maior número de estações significa um

tempo menor para iniciar a locação da tubulação no mar (Figura 5.31).

Para mover o barco é necessária a utilização de várias âncoras e cabos de

ancoragem. E são utilizadas com esguichos laterais para mudar a direção do

navio.

Para manipular a tubulação já montada para a barca de instalação é

necessário utilizar um guindaste. Após a colocação da tubulação a bordo, o

próximo passo é a dupla conexão. Isso não aumenta a velocidade de solda,

mas diminui a necessidade de soldadores especializados.

A tubulação já soldada é levada para a estação de alinhamento. Os

tubos são colocados em uma esteira onde são mecanicamente alinhados com

precisão. Após serem alinhadas, as conexões são mandadas para serem

soldadas para serem soldadas novamente e limpas.

Em seguida, são mandadas para as estações de raios-x, para apurar a

qualidade das soldas, caso sejam rejeitadas as conexões são refeitas e

reavaliadas. Após os raios-x, os tensores são instalados. Esses tensores são

compostos por faixas de poliuretano empurradas contra o revestimento por

vários macacos hidráulicos e fixados com argamassa cimentícia impermeável e

uma conexão elétrica é estabelecida. A linha de tubulação está pronta para ser

levada para uma longarina, que se assemelha a uma escada flutuante. Através

dessa longarina, a tubulação será levada até o assoalho marinho sofrendo o

mínimo de momento fletor possível. Rodas ou esteiras podem ser utilizadas

para evitar a fricção do revestimento externo. Podem também ser articulados,

diminuindo o impacto das ondas e a assim a tensão aplicada nos tubos.

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Os navios instaladores mais modernos possuem as estações de solda e

de guincho no centro da embarcação, evitando tensões maiores no casco.

Além disso, é preciso fornecer moradia e alimentação, cabines, quartos, salas

de recreação, geradores de energia, bombas de água. Um guindaste a bordo

tornou possível utilizar navios instaladores como navios Derrick. Porém, uma

grua longa é necessária para remover e instalar o pontilhão.

5.15 – Navios de SuprimentosSão navios que possuem um grande espaço livre na popa, são tão

grandes e largos quanto possível, permitindo que o navio carregue suprimentos

de todos os tipos. Essa abertura deve ser grande suficiente para acomodar

tubulações de até 14 metros de comprimento. Por isso, é comum que essas

embarcações tenham uma popa com 15 – 20 metros de comprimento.

Atualmente é possível encontrar navios de carga que conseguem transportar

até 3500 toneladas.

Mesmo sendo projetado principalmente para transportar carga, ele deve

ser manobrável para que possa se aproximar de outros barcos para transferir

os suprimentos. Devido ao contato direto com o casco de outras embarcações,

navios de suprimentos possuem cascos reforçados.

5.16 – Navio carregador de âncoraEsse navio é projetado especialmente para içar e mover âncoras.

Portanto, ele é uma embarcação altamente manobrável. Sua popa é aberta e

reforçada de maneira que boias e cabos possam ser levados para a popa

quando necessário. Possui um guincho na parte da frente para que boias e

cabos possam ser puxados rapidamente a bordo.

5.17 – Navios ReboquesExistem inúmeros tipos de navio reboque. O navio reboque construído

para longas viagens no oceano é capaz de operar de 20 a 30 dias sem

reabastecer. Ele é projetado para se locomover para qualquer localidade e

realizar um reboque de grande porte. Tais navios podem medir 80 metros de

comprimento e suportar uma equipe de operações de 16 a 20 pessoas. Eles

51

podem atingir velocidades de12 -15 nós. Navios reboques portuários ou

costeiros são menores e mais manobráveis.

Navios reboques são identificados em termos de cavalo-vapor, porém

essa divisão pode estar incorreta. Cavalo vapor indicado (CVI) avalia o trabalho

realizado por cilindros no motor. Cavalo vapor no eixo é o trabalho realizado

pela hélice de eixo e pode ser entre 15% e 20% menor do que o IHP.

Reboques utilizados para longas distâncias possuem médias de IHP de 4000 –

22000 HP.

Arranque do poste de amarração, uma medida mais significativa, é a

força exercida pelo navio aplicando toda a força do motor para frente enquanto

está preso por um cabo totalmente tensionado a um poste de amarração; e,

portanto, o navio não está se locomovendo para frente na água. Existe uma

relação entre cavalo vapor no eixo e arranque do poste de amarração: um

navio de 10000 HP pode exercer 100 – 140 toneladas de arranque do poste de

amarração estática. Contudo, essa relação varia de acordo com o tamanho da

hélice, se é parafusado de forma simples ou dupla, e de acordo com o DRAFT

do navio. O valor efetivo de arranque do poste de amarração decai com o

aumento da velocidade na água (FIGURA 5.33). Os maiores rebocadores tem

arranque do poste de amarração estático de mais de 300 toneladas.

Navios reboque utilizados em oceanos possuem sistemas de navegação

modernos: GPS, LORAN C, radares, posicionamento eletrônico e sonares.

Podendo se comunicar através de rádio com qualquer lugar do planeta. Esses

navios podem conter um sistema de reboque que permite que eles mantenham

uma tensão constante no cabo, independente dos esforços causados pelo

contato entre as ondas e o navio. Outros operadores preferem confiar na

utilização de catenária longa, ajustado durante o reboque para alongar-se pelo

comprimento de uma onda. O comprimento do barco deve ser 11 ou mais

vezes maior do que o H s máximo esperado. Em tempestades, o navio pode ser

obrigado a largar o reboque e subsequentemente recuperar o seu reboque

após o fim da tempestade.

Menores em comprimento, porém ainda potentes são os navios

projetados para operações em locais específicos como o Mar do Norte. Essas

embarcações são altamente manobráveis, possuindo uma variável hélice que

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os permite manter seus motores funcionando em potência máxima durante

situações de posicionamento crítico. Eles são equipados com proa que os

permitem manobrar no vento sem progredir para frente.

Navios reboque oceânicos RANGE de 4.000 HP para utilização em

mares moderados, 11.000 HP para utilização em qualquer condição climática e

22.000 HP para o reboque da maior plataforma offshore. Oito embarcações

foram utilizadas para mover a plataforma de 600.000 toneladas (FIGURA 5.34).

Navios reboque de marinas variam de 200 – 1.000 IHP.

Os barcos utilizados em portos e em regiões costeiras possuem baixa

autonomia e são altamente manobráveis, foram projetados para serviços curtos

e próximos ao porto. Eles possuem reforço pesado e proa com para-lama para

permitir que eles tanto empurrem quanto reboquem. Empurrar com o navio

permite um maior controle em áreas restritas.

Algumas embarcações possuem um reforço para que possam quebrar e

se locomover através de águas congeladas.

5.18 – Embarcações Perfuradoras Normalmente, navios perfuradores ou semissubmersíveis embarcações

não são encarados como equipamentos de construção. No entanto, essas

embarcações muitas vezes estão disponíveis nos canteiros e podem ser

utilizados para realizar perfurações de exploração. Eles são grandes

embarcações offshore, totalmente equipados, incluindo um equipamento para

atracar apropriado. Eles possuem equipamentos para realizar a remoção

vertical direta da broca, além de um poço aberto central, que prove um acesso

parcial e protegido ao mar. Essas máquinas podem ser utilizadas em grandes

profundidades. Por isso, são utilizadas para atividades offshore como: reparos

em tubulações SUBSEA TEMPLATES e modificações no assoalho marinho.

O navio perfurador offshore pode ser semissubmersível, com as

características descritas anteriormente, ou pode ser um navio de grande casco

configurado especificamente para minimizar o balanço. Portanto, tendo uma

resposta ao balanço melhor do que a de um submersível.

O guindaste de perfuração é equipado com um guincho de

aproximadamente 500 toneladas força (5.000 kN) de elevação direta e com

uma lança compensadora.

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5.19 – Navios transportadoresEmbarcações utilizadas para transportar pessoal da costa até as

estações offshore de maneira prática. Esses navios não são utilizados no Mar

do Norte, pois as distâncias são excessivas e as condições climáticas

imprevisíveis. Para operações no Mar do Norte são utilizados helicópteros. Por

razões econômicas, os barcos devem navegar em altas velocidades. Para

navios que não planam, o cavalo vapor necessário é proporcional ao quadrado

da velocidade. Bom senso deve ser levado em conta na hora de transportar a

equipe: não queremos que a equipe chegue enjoada nos postos de trabalho.

Aceleração deve ser minimizada adotando uma altura metacêntrica tão baixa

quanto permitida. Um GM alto representa uma resposta ROLL rápida e

desconforto físico para os passageiros. Isso pode ser alterado mudando a

velocidade ou a HEADING ou ambos. Se o comprimento do navio excede o

comprimento das ondas, a resposta de PITCH é reduzida; no entanto, isso é

praticado apenas no Golfo do México, e não no Oceano Pacífico ou Atlântico,

devido a suas ondas compridas.

Descarga e transferência de pessoal no mar serão discutidas na Seção

6.4. Em estados relativamente marítimos baixos, transferências diretas podem

ser realizadas por um navio guindaste navegando junto, utilizando-o como um

quebra-mar.

5.20 – Usinas de concreto flutuanteEssas usinas são montadas em grandes, barcas de alta capacidade que

são equipados com linhas estacas ou lanças para mantê-la estática. A usina

on-board tipicamente tem maiores gamelas para agregados finos, silos para

cimento, cinzas, e escórias de alto forno, tanques de água, uma usina de

mistura, betoneiras (normalmente misturadora turbina) e bombas de concreto

(figura 5.35).

A usina de pesagem e de mistura é o centro de operações. As balanças

devem automaticamente compensar pelo fundo da barca. Provisões devem ser

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feitas para dosagens precisas das misturas. Dispositivos de gravação e testes

são essenciais manter a qualidade do concreto.

Para carregar as gamelas, gruas com baldes ou ponte rolante são

utilizadas. Pontes rolantes transportam agregados das gamelas para os

batchers, bombas e pontes rolantes entregam a água e materiais cimentícios.

Agregados, água e cimentados são levados para a usina flutuante por barcos.

Uma usina flutuante pode suportar de duas a três barcas atracadas

simultaneamente, por isso é necessário que ela possua um sistema de

atracagem robusto que mantenha a frota segura. Um guindaste a bordo ou

uma barca específica podem ser utilizados para montar e relocar tubos tremie.

O método de lançamento de concreto pode ser utilizando bombas ou baldes.

5.21 – Torres gruaHá um aumento na utilização de torres grua na construção de píeres e

superestruturas de pontes. Possuem altura e envergaduras elevadas, porém

são limitados em relação à capacidade máxima de carga que pode ser

suspensa. São utilizados na construção de fundações e reservatórios de

concreto, onde compensam a sua falta de mobilidade com precisão na

movimentação.

Elas são normalmente fixadas em fundações móveis da estrutura

parcialmente completa. Contudo, podem ser montadas em barcas, se estas se

mostrarem suficientemente rígidas. As fundações devem ser adequadas para

suportar rotações, torsões e compressões.

5.22 – Equipamentos especializadosOutros arranjos e combinações de equipamentos marinhos podem ser

montados para realizar tarefas específicas. Em condições específicas,

montagens diferenciadas devem sem projetadas, incluindo detalhes de

conexões e testes de carga para garantir a segurança da estrutura durante as

operações marítimas. Muitas ideias com potencial para o sucesso falharam

devido à falta de planejamento, organização dos projetos e tentativas ruins de

poupar custos. A falha ocorre majoritariamente nos componentes e não

nos conceitos básicos do projeto em si.

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Sumário5. Equipamentos de construção marítima e offshore.................................................................1

5.1 Conceitos gerais.................................................................................................................1

5.2 Movimentos básicos em uma via marítima........................................................................2

5.3 Flutuação, Calado e Calado Aéreo......................................................................................6

5.4 Estabilidade........................................................................................................................7

5.5 Controle de danos............................................................................................................11

5.6 Balsas................................................................................................................................15

5.7 Balsas grua.......................................................................................................................23

5.8 Balsas torre offshore (totalmente articuladas).................................................................26

5.9 Balsas semissubmersíveis.................................................................................................30

5.10 Balsas auto elevatórias de construção...........................................................................35

5.11 – Barcas de lançamento.................................................................................................40

5.12 – Barcas catamarãs.........................................................................................................42

5.13 – Dragas..........................................................................................................................43

5.14 – Navios instaladores de tubulação................................................................................48

5.15 – Navios de Suprimentos................................................................................................51

5.16 – Navio carregador de âncora........................................................................................51

5.17 – Navios Reboques.........................................................................................................51

5.18 – Embarcações Perfuradoras..........................................................................................53

5.19 – Navios transportadores...............................................................................................54

5.20 – Usinas de concreto flutuante.......................................................................................54

5.21 – Torres grua..................................................................................................................55

5.22 – Equipamentos especializados......................................................................................55

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