análise não linear de plataformas fixas offshore do tipo jaqueta de aço

of 250/250
UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO ESCOLA POLITÉCNICA PROGRAMA DE PROJETO DE ESTRUTURAS Fábio Modesti Orsini de Castro ANÁLISE NÃO LINEAR DE PLATAFORMAS FIXAS OFFSHORE DO TIPO JAQUETA DE AÇO: ESTUDO E APLICAÇÃO DO MÉTODO QUASI-ESTÁTICO PUSHOVER
  • date post

    10-Jan-2017
  • Category

    Documents

  • view

    225
  • download

    3

Embed Size (px)

Transcript of análise não linear de plataformas fixas offshore do tipo jaqueta de aço

  • UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO

    ESCOLA POLITCNICA

    PROGRAMA DE PROJETO DE ESTRUTURAS

    Fbio Modesti Orsini de Castro

    ANLISE NO LINEAR DE PLATAFORMAS FIXAS OFFSHORE DO TIPO JAQUETA DE AO: ESTUDO E APLICAO DO MTODO QUASI-ESTTICO

    PUSHOVER

  • Fbio Modesti Orsini de Castro

    ANLISE NO LINEAR DE PLATAFORMAS FIXAS OFFSHORE DO TIPO JAQUETA DE AO: ESTUDO E APLICAO DO MTODO QUASI-ESTTICO PUSHOVER

    Dissertao de Mestrado apresentada ao Programa de Projeto de Estruturas, Escola Politcnica da Universidade Federal do Rio de Janeiro, como parte dos requisitos necessrios obteno do ttulo de Mestre em Projeto de Estruturas.

    Orientadores: Prof. Gilberto Bruno Ellwanger, D.Sc.

    Prof. Nelson Szilard Galgoul, Dr.-Ing.

    Rio de Janeiro

    Novembro de 2013

  • Eu fiz tudo parecer to fcil em quadra todos esses anos.

    Ningum imagina o quo duro eu tive que trabalhar. Ningum

    imagina o quanto eu tive que me dedicar...

    - Pete Sampras

  • AGRADECIMENTOS

    minha me, Jane Aparecida Modesti, pela dedicao aos filhos por toda

    uma vida. Sem sua entrega, nada do que conquistamos teria sido possvel.

    Aos meus irmos, Aline e Adriano, que torcem e se orgulham das vitrias de

    cada dia, incondicionalmente.

    Andrea Beatriz, por seu amor e carinho. Por me mostrar a direo certa a

    ser seguida e por fazer de mim uma pessoa melhor. Por ser meu ponto de equilbrio.

    Aos meus grandes amigos Gabriel Rocha e Wilson Bigarel, que nunca

    desistiram de mim. Por estarem presentes em minha vida.

    Ao Professor Gilberto Ellwanger, pela amizade e pelo apoio irrestrito, desde o

    primeiro momento em que me recebeu como seu aluno.

    Ao Professor Nelson Szilard, por me aceitar como seu aluno e por me

    receber, com a mesma cordialidade, em todos os momentos que precisei.

    Ao Professor Sergio Hampshire, pela amizade construda ao longo de todos

    esses anos, desde a graduao. Por me proporcionar a chance de ser um bom

    engenheiro.

    Ao Jobel Freitas, pela amizade, pelos conselhos e por me ensinar a ver alm.

    Por ser um dos meus grandes professores dentro da vida profissional.

    Promon Engenharia, pelas oportunidades proporcionadas e pela chance de

    participar de projetos de altssima sofisticao. Pela possibilidade de desenvolver este

    trabalho.

    Det Norske Veritas, nas figuras de Joo Volpini, Srgio Mendes e Mariana

    Santos, pela cesso dos recursos necessrios para a realizao deste trabalho.

    Laninha.

  • iv

    Orsini, Fbio Anlise no linear de plataformas fixas offshore do

    tipo jaqueta de ao: estudo e aplicao do mtodo quasi-esttico pushover / Fbio Modesti Orsini de Castro UFRJ/Escola Politcnica, 2013.

    250 p.: il.; 30 cm. Dissertao (Mestrado em Projeto de Estruturas)

    Universidade Federal do Rio de Janeiro, Escola Politcnica, Programa de Projeto de Estruturas, Rio de Janeiro, 2013.

    Orientadores: Gilberto Bruno Ellwanger e Nelson

    Szilard Galgoul. Referncias Bibliogrficas: p. 207-211. 1. Plataformas fixas. 2. Estruturas offshore. 3.

    Anlise no linear. 4. Colapso. I. Orsini, Fbio. II. Ellwanger, Gilberto. III. Galgoul, Nelson. VI. Universidade Federal do Rio de Janeiro. Escola Politcnica. V. Ttulo.

  • v

    Resumo da Dissertao de Mestrado apresentada Escola Politcnica/UFRJ como

    parte dos requisitos necessrios obteno do Ttulo de Mestre em Projeto de

    Estruturas (M.Sc.).

    ANLISE NO LINEAR DE PLATAFORMAS FIXAS OFFSHORE DO TIPO JAQUETA

    DE AO: ESTUDO E APLICAO DO MTODO QUASI-ESTTICO PUSHOVER

    Fbio Modesti Orsini de Castro

    Novembro/2013

    Orientadores: Prof. Gilberto Bruno Ellwanger, D.Sc.

    Prof. Nelson Szilard Galgoul, Dr.-Ing.

    Programa: Projeto de Estruturas

    Dentre as tcnicas mais utilizadas na determinao da capacidade resistente

    limite das plataformas fixas offshore, o mtodo quasi-esttico Pushover

    reconhecidamente um dos mais eficientes. Assim, para que se possa avaliar o real

    comportamento dessas estruturas frente ocorrncia de aes ambientais extremas,

    relevantes aspectos devem ser considerados, a dizer: no linearidades fsica e

    geomtrica, resistncias e flexibilidades locais de juntas tubulares e interao solo-

    estaca atravs do uso de curvas no lineares fora-deslocamento.

    A presente dissertao demonstra os conceitos acerca do mtodo Pushover,

    necessrios para que se possa determinar a Reserva de Resistncia Estrutural (RRE)

    das plataformas fixas do tipo jaqueta de ao. Ao final, esses conceitos so aplicados

    em um estudo de caso, no qual todas as simulaes foram conduzidas atravs do uso

    de um sistema computacional desenvolvido especificamente para esse tipo de anlise.

    Palavras-chave: Plataformas fixas, Estruturas offshore, Estruturas metlicas, Juntas

    tubulares, Solo-Estrutura, Anlise no linear, Colapso, Pushover.

  • vi

    Abstract of Dissertation presented to Escola Politcnica/UFRJ as a partial fulfillment of

    the requirements for the degree of Master in Design of Structures (M.Sc.).

    NONLINEAR ANALYSIS OF OFFSHORE STEEL JACKETS: STUDY AND

    APPLICATION OF THE QUASI-STATIC PUSHOVER METHOD

    Fbio Modesti Orsini de Castro

    November/2013

    Advisors: Prof. Gilberto Bruno Ellwanger, D.Sc.

    Prof. Nelson Szilard Galgoul, Dr.-Ing.

    Department: Design of Structures

    In determining the ultimate lateral strength of bottom fixed offshore platforms,

    one of the most widely adopted methods is the quasi-static Pushover technique. Thus,

    to evaluate the real structural behavior of steel jackets in the occurrence of extreme

    environmental actions, relevant aspects shall be considered, such as: material and

    geometric nonlinearities, tubular joints capacities and local flexibilities, as well as soil-

    pile interaction using nonlinear force-displacement curves.

    The present dissertation demonstrates the main topics that shall be addressed

    when performing a Pushover analysis, necessary to determine the Reserve Strength

    Ratio (RSR) of fixed offshore platforms. A real case of study is presented at the end, in

    which all simulations were performed using a numerical tool specifically tailored for this

    kind of analysis.

    Keywords: Fixed platforms, Offshore structures, Steel structures, Tubular joints, Soil-

    Structure, Nonlinear analysis, Collapse, Pushover.

  • vii

    SUMRIO

    CAPTULO 1 . INTRODUO ..................................................................................... 1

    1.1. APRESENTAO .......................................................................................... 1

    1.2. MOTIVAO .................................................................................................. 4

    1.3. JUSTIFICATIVA ............................................................................................. 8

    1.4. OBJETIVO .................................................................................................... 12

    1.4.1. OBJETIVO GERAL ................................................................................ 12

    1.4.2. OBJETIVOS ESPECFICOS .................................................................. 12

    1.5. MTODO ...................................................................................................... 13

    1.5.1. ESTRUTURA DO TRABALHO .............................................................. 14

    1.5.2. LIMITAES DO ESTUDO ................................................................... 14

    CAPTULO 2 . REVISO DA LITERATURA .............................................................. 15

    2.1. BREVE HISTRICO DA INDSTRIA OFFSHORE ...................................... 15

    2.2. AS JAQUETAS DE AO NA INDSTRIA OFFSHORE ................................ 17

    2.2.1. APRESENTAO ................................................................................. 17

    2.2.2. ELEMENTOS QUE COMPEM UMA JAQUETA .................................. 20

    2.2.3. COMPORTAMENTO ESTRUTURAL DAS JAQUETAS ......................... 22

    2.3. JUNTAS TUBULARES ................................................................................. 25

    2.3.1. CONSIDERAES INICIAIS ................................................................ 25

    2.3.2. FLEXIBILIDADE LOCAL ........................................................................ 32

    2.3.3. RESISTNCIA LIMITE .......................................................................... 62

    2.4. INTERAO SOLO-ESTRUTURA ............................................................... 71

    2.4.1. CONSIDERAES INICIAIS ................................................................ 71

    2.4.2. RESISTNCIA VERTICAL DO SOLO (CURVAS t-z e Q-z) ................... 73

    2.4.3. RESISTNCIA LATERAL DO SOLO (CURVAS p-y) ............................. 86

    2.5. MODELAGEM ESTRUTURAL ...................................................................... 97

    2.5.1. CONSIDERAES INICIAIS ................................................................ 97

    2.5.2. RTULAS PLSTICAS ....................................................................... 115

    2.5.3. MODELAGEM DE MEMBROS TUBULARES ...................................... 122

  • viii

    2.6. HIDRODINMICA....................................................................................... 133

    2.6.1. ONDAS ................................................................................................ 135

    2.6.2. CORRENTES ...................................................................................... 143

    2.6.3. FORAS HIDRODINMICAS ............................................................. 146

    CAPTULO 3 . ANLISE DE COLAPSO .................................................................. 149

    3.1. CONSIDERAES INICIAIS ..................................................................... 149

    3.2. RESERVAS DE RESISTNCIA ESTRUTURAL ......................................... 152

    3.3. O MTODO QUASI-ESTTICO PUSHOVER ............................................ 159

    CAPTULO 4 . APLICAO PRTICA .................................................................... 165

    4.1. O OBJETO DE ESTUDO ............................................................................ 166

    4.1.1. MODELO ESTRUTURAL .................................................................... 166

    4.1.2. DADOS AMBIENTAIS E GEOTCNICOS ........................................... 172

    4.2. A FERRAMENTA COMPUTACIONAL ........................................................ 179

    4.2.1. JUNTAS TUBULARES ........................................................................ 180

    4.2.2. INTERAO SOLO-ESTACA ............................................................. 181

    4.2.3. HIDRODINMICA ............................................................................... 181

    4.2.4. ANLISE ELASTOPLSTISCA DE SISTEMAS APORTICADOS

    (SKALLERUD & AMDAHL, 2009) ...................................................................... 183

    4.2.5. ANLISE ELASTO-PLSTICA DE SISTEMAS TRELIADOS

    (SKALLERUD & AMDAHL, 2009) ...................................................................... 186

    4.3. PLATAFORMA PROTEU: RESULTADOS OBTIDOS ................................. 190

    4.3.1. AO AMBIENTAL INCIDINDO A 0 .................................................. 191

    4.3.2. AO AMBIENTAL INCIDINDO A 45 ................................................ 196

    4.3.3. AO AMBIENTAL INCIDINDO A 90 ................................................ 199

    4.3.4. RESULTADOS PARA AS DEMAIS DIREES DE INCIDNCIA ....... 201

    CAPTULO 5 . FECHAMENTO ................................................................................ 205

    5.1. CONCLUSES .......................................................................................... 205

    5.2. SUGESTES PARA TRABALHOS FUTUROS .......................................... 206

    REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS ......................................................................... 207

  • ix

    ANEXO I . ROTINA DE CLCULO PARA DETERMINAO DE CURVAS p-y PARA

    SOLOS COESIVOS.................................................................................................. 212

    ANEXO II . ROTINA DE CLCULO PARA DETERMINAO DE CURVAS p-y PARA

    SOLOS NO COESIVOS ......................................................................................... 215

  • x

    LISTA DE FIGURAS

    Figura 1 . Acidente que resultou na perda da plataforma Piper Alpha, em 1988, no Mar

    do Norte. Retirado de (Acesso em: 26 mai. 2013,

    14:15:00). ..................................................................................................................... 4

    Figura 2 . Imagem de satlite mostra a formao do ciclone tropical Catarina, em 2004,

    no litoral de Santa Catarina. Retirado de (Acesso em: 15 out.

    2012, 18:30:00). ............................................................................................................ 6

    Figura 3 . Crescimento previsto para os investimentos (CAPEX) direcionados para a

    construo de novas plataformas fixas offshore no mundo, por regio, entre os anos

    2007 e 2016 (INFIELD SYSTEMS, 2012). .................................................................... 8

    Figura 4 . Convs da plataforma North Rankin B, instalada no Campo de Perseu, na

    Costa Oeste da Austrlia. Retirado de (Acesso em: 26

    mai. 2013, 15:45:00). .................................................................................................... 9

    Figura 5 . Plataforma de Rebombeio Autnoma (PRA-1), da Petrobras. Retirado de

    (Acesso em 26 mai. 2013, 15:55:00). ......................................... 10

    Figura 6 . Mdulo de Operao de Pigs (MOP-1), da Petrobras. Retirado de

    (Acesso em 26 mai. 2013, 16:20:00). .................. 10

    Figura 7 . Plataforma de Mexilho (PMXL-1), da Petrobras. Retirado de

    (Acesso em 10 jan. 2013). ....................................... 11

    Figura 8 . A plataforma de perfurao Kermac 16 foi a primeira unidade fixa offshore

    construda no Golfo do Mxico, nos EUA, em 1947, posicionada a 14,5 quilmetros da

    costa (OFFSHORE, 2004). ......................................................................................... 16

    Figura 9 . Representao de uma plataforma fixa offshore do tipo jaqueta de ao

    (Adaptado de CHAKRABARTI, 2005). ........................................................................ 17

    Figura 10 . Principais fenmenos ambientais e condies operacionais que devem ser

    consideradas no projeto estrutural de uma jaqueta de ao (LAVER, 1997). ............... 18

    Figura 11 . Evoluo das plataformas fixas do tipo jaqueta instaladas nos EUA

    (OFFSHORE, 2007).................................................................................................... 19

    Figura 12 . Principais elementos estruturais que compem uma jaqueta de ao

    (Adaptado de CHAKRABARTI, 2005). ........................................................................ 20

    Figura 13 . Foto clssica do n (junta tubular) de uma jaqueta de ao, ilustrando sua

    complexidade e magnitude (DEFILIPPO, 2007 e ALMEIDA, 2008). ........................... 21

    Figura 14 . Cravao das estacas de uma jaqueta com o auxlio de martelos

    hidrulicos (GERWICK JR., 1999). ............................................................................. 22

  • xi

    Figura 15 . Relao fora-deslocamento obtida atravs de uma anlise pushover

    mostrando a capacidade de recuperao da resistncia de uma jaqueta em funo de

    sua redundncia estrutural (SKALLERUD & AMDAHL, 2009). ................................... 23

    Figura 16 . Ilustrao dos espectros de energia referentes a duas alturas de onda

    observadas no Golfo do Mxico, E.U.A., em comparao com a frequncia natural de

    um modelo de jaqueta (Adaptado de WILSON et al., 1984). ....................................... 24

    Figura 17 . Terminologia utilizada para descrever as juntas tubulares simples e seus

    elementos componentes (normas ISO 19902, 2007, API RP 2A-WSD, 2007 e

    NORSOK N-004, 2004). ............................................................................................. 26

    Figura 18 . Tipos bsicos de juntas tubulares: a) Tipo Y ; b) Tipo K e c) Tipo X (norma

    ISO 19902, 2007). ...................................................................................................... 29

    Figura 19 . Comparao das curvas adimensionais P para juntas tubulares com diferentes classificaes ( = 0,3, = 25, = 45 e g = 2T para junta tipo K) (DIER et al., 2000). .................................................................................................................... 30

    Figura 20 . Exemplos de ponderaes para a classificao de juntas tubulares (normas

    API RP 2A-WSD, 2007, ISO 19902, 2007 e NORSOK N-004, 2004). ......................... 31

    Figura 21 . Influncia das relaes entre as geometrias das sees transversais do

    chord e do brace (parmetros e ) sobre a flexibilidade local de juntas tubulares simples, de acordo com as equaes propostas por Fessler et al. (1986): a) FLJ Axial ;

    b) FLJ para Flexo no Plano e c) FLJ Flexo para Fora do Plano. ............................. 36

    Figura 22 . Avaliao da influncia do dimetro externo do brace sobre a flexibilidade

    local de juntas tubulares simples, de acordo com as equaes propostas por Fessler et

    al. (1986), considerando = 15 e = 45. .................................................................. 37 Figura 23 . Avaliao da influncia do ngulo entre os eixos do chord e do brace sobre

    a flexibilidade local de juntas tubulares simples, de acordo com as equaes propostas

    por Fessler et al. (1986) (considerando = 15 e D = 730 mm): a) FLJ Axial ; b) FLJ Flexo no Plano e c) FLJ Flexo Fora do Plano. ........................................................ 38

    Figura 24 . Influncia das relaes entre as geometrias das sees transversais do

    chord e do brace (parmetros e ) sobre a flexibilidade local de juntas tubulares simples, de acordo com as equaes propostas por Buitrago et al. (1993): a) FLJ Axial

    ; b) FLJ para Flexo no Plano e c) FLJ Flexo para Fora do Plano. ........................... 43

    Figura 25 . Influncia das relaes entre as geometrias das sees transversais do

    chord e do brace (parmetros e ) sobre a FLJ Axial: comparativo entre as propostas de Fessler et al. (1986) e de Buitrago et al. (1993), considerando = 30 e = 0,625. ................................................................................................................................... 44

  • xii

    Figura 26 . Avaliao da influncia do dimetro externo do brace sobre a flexibilidade

    local de juntas tubulares simples, de acordo com as equaes propostas por Buitrago

    et al. (1986) e Fessler et al. (1986), considerando = 15, = 45 e = 0,625. .......... 44 Figura 27 . Resultados experimentais e curvas ajustadas para juntas do tipo DT

    ( = 0,67) axialmente carregadas e sujeitas a diversas tenses de compresso no chord (DIER et al. 2000). ............................................................................................ 52

    Figura 28 . Relaes fora-deslocamento para o brace comprimido de uma junta tipo K

    ( = 1) sujeita a variaes de tenso no chord, mostrando a concordncia entre os valores experimentais e as curvas obtidas com as formulaes dadas pelas equaes

    2.32 e 2.33 (DIER et al., 2000). .................................................................................. 55

    Figura 29 . Ilustrao do mtodo para avaliao da relao fora-deslocamento axial

    de uma junta hbrida (25%X, 75%Y) em comparao com modelos numricos

    utilizando o MEF (DIER et al., 2000). .......................................................................... 59

    Figura 30 . Representao esquemtica do modelo para a anlise de juntas tubulares

    inserido em estruturas reticulares (DIER et al., 2000). ................................................ 60

    Figura 31 . Histrico sucinto do desenvolvimento tecnolgico sobre juntas tubulares

    (adaptado de DIER, 2005). ......................................................................................... 63

    Figura 32 . Junta simples do tipo T, considerando = 0,8 e = 25 (SINTEF, 2001). . 69 Figura 33 . Junta simples do tipo K, considerando = 0,8 ; = 10 e gT = 2,5 (SINTEF, 2001). ......................................................................................................................... 69

    Figura 34 . Sistema resistente de uma estaca isolada carregada axialmente. ............ 73

    Figura 35 . Representao esquemtica da interao solo-estaca em meios coesivos

    (KRAFT et al., 1981). .................................................................................................. 74

    Figura 36 . Curvas t-z recomendadas pelas normas API RP 2A-WSD (2007) e ISO

    19902 (2007). ............................................................................................................. 82

    Figura 37 . Curvas de transferncia de carregamento por atrito lateral obtidas em

    ensaios de laboratrio para solos coesivos (VALENZUELA, 1980). ............................ 83

    Figura 38 . Curvas de transferncia de carregamento por atrito lateral obtidas em

    ensaios de campo para solos coesivos (VALENZUELA, 1980). .................................. 84

    Figura 39 . Curvas de transferncia de carregamento por atrito lateral obtidas em

    ensaios de campo para solos no coesivos (VALENZUELA, 1980). ........................... 84

    Figura 40 . Curvas Q-z recomendadas pelas normas API RP 2A-WSD (2007) e ISO

    19902 (2007). ............................................................................................................. 85

    Figura 41 . Representao esquemtica dos efeitos que ocorrem nas estacas sujeitas

    a foras laterais: a) vista em elevao mostrando o deslocamento lateral no topo da

    estaca ; b) representao das tenses radiais atuantes no fuste antes e depois da

    aplicao da carga (REESE et al., 1974 e BRDBK et al., 2009). .......................... 86

  • xiii

    Figura 42 . Famlia de curvas p-y (REESE et al., 1974 e VALENZUELA, 1980). ...... 88

    Figura 43 . Construo de curvas p-y para solos coesivos de acordo com o mtodo

    proposto por Matlock (1970). ...................................................................................... 90

    Figura 44 . Avaliao da convergncia entre os mtodos propostos por Matlock (1970)

    e pelas normas API RP 2A-WSD (2007) e ISO 19902 (2007). .................................... 91

    Figura 45 . Determinao da profundidade de referncia para aplicao das equaes

    2.81 e 2.84 de acordo com o mtodo proposto por Reese et al. (1974). ..................... 93

    Figura 46 . Coeficientes de correo a) A e b) B para a resistncia lateral do solo em

    funo da profundidade, para o mtodo proposto por Reese et al. (1974). ................. 93

    Figura 47 . Famlia de curvas p-y obtidas atravs do mtodo proposto por Reese et al.

    (1974). ........................................................................................................................ 94

    Figura 48 . Comparao entre as curvas p-y obtidas com base na formulao proposta

    por Reese et al. (1974) e pelas normas API RP 2A-WSD (2007) e ISO 19902 (2007).

    ................................................................................................................................... 96

    Figura 49 . Movimento de um elemento linear dX (SKALLERUD & AMDAHL, 2009). . 97

    Figura 50 . Deformao em uma barra devido a um deslocamento axial imposto. .... 100

    Figura 51 . Velocidade diferencial entre pontos no espao (SKALLERUD & AMDAHL,

    2009). ....................................................................................................................... 102

    Figura 52 . Sistema de referncia local (SREIDE et al., 1993). .............................. 107

    Figura 53 . Deslocamentos locais para um elemento de prtico (SREIDE et al.,

    1993). ....................................................................................................................... 109

    Figura 54 . Ilustrao da eliminao das rotaes de corpo rgido nos pontos de

    formao de rtulas plsticas (SREIDE et al., 1993). ............................................. 119

    Figura 55 . Decomposio de foras para anlise do fluxo de plastificao com

    considerao do encruamento (SREIDE et al., 1993). ........................................... 120

    Figura 56 . Analogia entre a abordagem multidirecional e as curvas unidimensionais

    tenso-deformao para descrever o comportamento das rtulas plsticas (SREIDE

    et al., 1993). .............................................................................................................. 122

    Figura 57 . Valor mdio e desvio padro para diferentes abordagens para o problema

    das imperfeies iniciais (SKALLERUD & AMDAHL, 2009). ..................................... 125

    Figura 58 . Simulao do colapso por perda de estabilidade de um membro tubular

    atravs de diferentes mtodos e considerando imperfeies iniciais (SKALLERUD &

    AMDAHL, 2009). ....................................................................................................... 128

    Figura 59 . Avaliao da flambagem de um elemento isolado considerando os critrios

    para imperfeies iniciais das principais normas vigentes (SINTEF, 2012). .............. 129

    Figura 60 . Comparao dos resultados obtidos com o programa USFOS para a

    flambagem de membros tubulares, considerando diversas taxas de imperfeies

  • xiv

    geomtricas, em relao curva de resistncia da norma API RP 2A-WSD (2007)

    (SINTEF, 2012). ........................................................................................................ 129

    Figura 61 . Sistema de coordenadas para modelagem de juntas tubulares. ............. 130

    Figura 62 . Graus de liberdade independentes na superfcie do chord de uma junta do

    tipo K (SREIDE et al., 1993). .................................................................................. 131

    Figura 63 . a) Translao da curva de interseo compatvel com a translao ao

    longo do eixo Z no n da superfcie ; b) Rotao da curva de interseo compatvel

    com a rotao em torno do Y no n da superfcie ; c) Rotao da curva de interseo

    compatvel com a rotao em torno do X no n da superfcie (SREIDE et al., 1993).

    ................................................................................................................................. 132

    Figura 64 . Modelo de barras para considerar os efeitos da flexibilidade local da junta

    tubular (SREIDE et al., 1993). ................................................................................ 132

    Figura 65 . Procedimento para clculo das foras devido ao combinada de onda e

    corrente, segundo a norma API RP 2A-WSD (2007). ................................................ 134

    Figura 66 . Representao esquemtica da superfcie de uma onda (AZAR, 1980). 136

    Figura 67 . Regies para quais so vlidas as teorias de onda de Airy, Stokes e

    Stream Functions, segundo a Norma API RP 2A-WSD (2007). ................................ 138

    Figura 68 . Perfil de corrente recomendado pela norma API RP 2A-WSD (2007), para

    projetos de plataformas instaladas no Golfo do Mxico, E.U.A. (API RP 2A-WSD,

    2007). ....................................................................................................................... 144

    Figura 69 . Alterao no perodo da onda incidente devido ao efeito Doppler (API RP

    2A-WSD, 2007). ........................................................................................................ 145

    Figura 70 . Representao esquemtica simplificada do processo de anlise estrutural:

    a) linear ; b) no linear (DNV et al., 1999). ................................................................ 151

    Figura 71 . Descrio das caractersticas no lineares de um componente estrutural

    (DNV et al., 1999). .................................................................................................... 152

    Figura 72 . RRE requerida para alcanar determinada probabilidade de falha do

    sistema estrutural (VAN DE GRAAF et al., 1994). .................................................... 158

    Figura 73 . Aumento incremental de um vetor de cargas fixo para anlise no linear de

    jaquetas (DNV et al., 1999). ...................................................................................... 160

    Figura 74 . Modificao da anlise Pushover para considerar o aumento da altura da

    onda de projeto, como proposto por Golafshani et al. (2011). ................................... 161

    Figura 75 . Aumento da altura de onda para anlise incremental utilizando a tcnica

    Pushover (DNV et al., 1999). .................................................................................... 162

    Figura 76 . Ilustrao de uma curva fora global-deslocamento global para a anlise

    Pushover de uma estrutura offshore (SKALLERUD & AMDAHL, 2009). ................... 164

  • xv

    Figura 77 . Definies para a curva de capacidade limite (SKALLERUD & AMDAHL,

    2009). ....................................................................................................................... 164

    Figura 78 . Elevaes das mesas e geometria do sistema de contraventamento da

    jaqueta da plataforma Proteu (Faces 1, 2 e A). ......................................................... 167

    Figura 79 . Detalhe do sistema de contraventamento na Face B da jaqueta da

    plataforma Proteu. .................................................................................................... 167

    Figura 80 . Geometria dos membros tubulares estruturais (dimetro externo x

    espessura de parede) que compem a estrutura da jaqueta da plataforma Proteu

    (Dimenses em milmetros). ..................................................................................... 168

    Figura 81 . Orientao da plataforma Proteu. ........................................................... 168

    Figura 82 . Detalhe tpico do reforo local das juntas tubulares da plataforma Proteu

    (Dimenses em milmetros). ..................................................................................... 169

    Figura 83 . Detalhe da modelagem das juntas tubulares, considerando os gaps entre

    braces, com a listagem de entrada (SINTEF, 2012) para todas os ns da jaqueta,

    incluindo a definio dos cans. ................................................................................. 169

    Figura 84 . Aplicao de carregamentos funcionais no convs da plataforma. ......... 170

    Figura 85 . Modelo tridimensional completo da plataforma Proteu: a) Convs ; b)

    Jaqueta ; c) Elevao vista Face A ; d) Elevao vista Face 2 ; e) Elevao vista Face

    1 e f) Vista isomtrica. .............................................................................................. 171

    Figura 86 . Altura mxima da onda de projeto e perodo associado por direo para o

    local de instalao da plataforma Proteu (TR = 100 anos). ....................................... 172

    Figura 87 . Velocidade mxima da corrente de projeto por direo para o local de

    instalao da plataforma Proteu (TR = 100 anos). .................................................... 172

    Figura 88 . Orientao em planta da plataforma Proteu mostrando a nomenclatura das

    faces da jaqueta e as direes de incidncia das foras ambientais consideradas nas

    anlises realizadas. .................................................................................................. 174

    Figura 89 . Perfil geotcnico considerado para o estudo de caso. ............................ 175

    Figura 90 . Famlia de curvas p-y para areias empregada na anlise da plataforma

    Proteu. ...................................................................................................................... 176

    Figura 91 . Curva p-y para argila empregada na anlise da plataforma Proteu. ........ 176

    Figura 92 . Famlia de curvas t-z para areias empregada na anlise da plataforma

    Proteu. ...................................................................................................................... 177

    Figura 93 . Curva t-z para argila empregada na anlise da plataforma Proteu. ......... 177

    Figura 94 . Curva Q-z para argila empregada na anlise da plataforma Proteu. ....... 178

    Figura 95 . Representao grfica das diversas curvas no lineares aplicadas ao

    modelo matemtico para considerao da interao solo-estrutura. ......................... 179

  • xvi

    Figura 96 . Ilustrao da gerao automtica de parmetros locais de juntas tubulares.

    ................................................................................................................................. 180

    Figura 97 . Avaliao da posio de onda que gera a maior ao global sobre a

    jaqueta da plataforma Proteu com base no critrio de maior reao na base (SINTEF,

    2012). ....................................................................................................................... 182

    Figura 98 . Perfil de coeficientes de inrcia para clculo das foras hidrodinmicas -

    Onda incidindo a 0 (Direo X Global). ................................................................... 182

    Figura 99 . Perfil de coeficientes de arrasto para clculo das foras hidrodinmicas -

    Onda incidindo a 0 (Direo X Global). ................................................................... 183

    Figura 100 . Prtico plano para anlise elasto-plstica: a) Geometria e carregamentos ;

    b) Mecanismo de Colapso esperado (SKALLERUD & AMDAHL, 2009).................... 184

    Figura 101 . Avaliao dos resultados obtidos atravs de mtodos analticos e

    utilizando o programa USFOS, atravs do emprego da tcnica Pushover

    (SKALLERUD & AMDAHL, 2009). ............................................................................ 184

    Figura 102 . Avaliao da formao das rtulas plsticas no sistema estrutural ao

    longo da anlise. Observa-se a evoluo dos momentos fletores com a deformao do

    quadro (SKALLERUD & AMDAHL, 2009). ................................................................ 185

    Figura 103 . Ilustrao do esgotamento da capacidade plstica dos pontos no meio do

    vo e no n C atravs de anlise realizada com o programa USFOS (SKALLERUD &

    AMDAHL, 2009). ....................................................................................................... 186

    Figura 104 . Sistema treliado para anlise elasto-plstica (SKALLERUD & AMDAHL,

    2009). ....................................................................................................................... 187

    Figura 105 . Relao fora-encurtamento idealizada para braces da estrutura

    (SKALLERUD & AMDAHL, 2009). ............................................................................ 187

    Figura 106 . Comparao entre os resultados obtidos atravs de mtodos analticos e

    com o uso do programa USFOS, empregando o mtodo Pushover no sistema treliado

    da figura 82 (SKALLERUD & AMDAHL, 2009). ......................................................... 188

    Figura 107 . Anlise da capacidade resistente do elemento comprimido, considerando

    a perda da capacidade portante no regime ps-flambagem (SKALLERUD & AMDAHL,

    2009). ....................................................................................................................... 189

    Figura 108 . Ilustrao do esgotamento da capacidade plstica dos braces atravs de

    anlise realizada com o programa USFOS (SKALLERUD & AMDAHL, 2009). ......... 189

    Figura 109 . Listagem com as reaes de apoio do modelo para verificao da correta

    aplicao dos carregamentos funcionais (Unidade: Newton). ................................... 190

    Figura 110 . Verificao das curvas de representao do solo para o n 1000393,

    referente camada de profundidade 18,75m: a) p-y ; b) t-z. ..................................... 191

    Figura 111 . Curva de resistncia para incidncia da ao ambiental em 0. ............ 192

  • xvii

    Figura 112 . Flambagem do membro 595 - Incidncia da ao ambiental em 0. ..... 194

    Figura 113 . Evoluo da fora axial resistida pelo membro 595 at sua perda de

    resistncia e entrada no regime ps-flambagem - Incidncia da ao ambiental em 0

    (Unidade: Newton). ................................................................................................... 194

    Figura 114 . Configurao deformada em colapso da plataforma Proteu - Incidncia da

    ao ambiental em 0. .............................................................................................. 195

    Figura 115 . Configurao deformada final mostrando o movimento torsional da

    jaqueta Incidncia da ao ambiental em 0. ......................................................... 195

    Figura 116 . Ilustrao da verificao do uso da capacidade resistente das juntas

    tubulares - Incidncia da ao ambiental em 0 (Unidades: metro, Newton). ............ 196

    Figura 117 . Curva de resistncia para incidncia da ao ambiental em 45. .......... 197

    Figura 118 . Flambagem dos membros 595 e 386 - Incidncia da ao ambiental em

    45. ........................................................................................................................... 197

    Figura 119 . Configurao em colapso da plataforma - Incidncia da ao ambiental

    em 45. ..................................................................................................................... 198

    Figura 120 . Configurao deformada final mostrando o movimento torsional da

    jaqueta Incidncia da ao ambiental em 45. ....................................................... 199

    Figura 121 . Curva de resistncia para incidncia da ao ambiental em 90. .......... 200

    Figura 122. Flambagem dos membros 386 e 562 - Incidncia da ao ambiental em

    90. ........................................................................................................................... 200

    Figura 123 . Curva de resistncia para incidncia da ao ambiental em 135. ........ 201

    Figura 124 . Curva de resistncia para incidncia da ao ambiental em 180. ........ 202

    Figura 125 . Curva de resistncia para incidncia da ao ambiental em 225. ........ 202

    Figura 126 . Curva de resistncia para incidncia da ao ambiental em 270. ........ 203

    Figura 127 . Curva de resistncia para incidncia da ao ambiental em 315. ........ 203

    Figura 128 . Avaliao da reserva de resistncia estrutural do sistema. ................... 204

  • xviii

    LISTA DE TABELAS

    Tabela 1 . Coeficientes A e B referentes s equaes 2.26 e 2.27, definidos na

    primeira etapa do projeto conduzido pela MSL Engineering (DIER et al., 2000). ........ 50

    Tabela 2 . Coeficientes A e B referentes s equaes 2.32 e 2.33, considerando os

    ajustes feitos para incorporar a influncia do carregamento atuante no chord e seu

    material constituinte (DIER et al., 2000). ..................................................................... 53

    Tabela 3 . Parmetros de ajuste para determinao do fator de carregamento do chord

    Qf (DIER et al., 2000). ................................................................................................ 54

    Tabela 4 . Fatores de ajuste para a resistncia limite de juntas tubulares (DIER et al.,

    2000) .......................................................................................................................... 57

    Tabela 5 . Critrios e avaliao dos mtodos para implementao computacional do

    acoplamento entre as relaes fora-deslocamento (DIER et al., 2000). .................... 61

    Tabela 6 . Parmetros bsicos Qu para o critrio de ruptura da resistncia limite mdia (DIER et al., 2000). ..................................................................................................... 65

    Tabela 7 . Parmetros bsicos Qu para o critrio de ruptura da resistncia limite caracterstica (DIER et al., 2000). ............................................................................... 65

    Tabela 8 . Parmetros bsicos Qu para o critrio de ruptura da resistncia limite frente ao surgimento da primeira trinca (DIER et al., 2000)................................................... 66

    Tabela 9 . Parmetros bsicos de resistncia Qu definidos pelas mais utilizadas normas tcnicas internacionais. .................................................................................. 68

    Tabela 10 . Clculo da resistncia da junta tubular definida na figura 32, segundo

    diferentes formulaes (SINTEF, 2001). ..................................................................... 70

    Tabela 11 . Clculo da resistncia da junta tubular definida na figura 33, segundo

    diferentes formulaes (SINTEF, 2001). ..................................................................... 70

    Tabela 12 . Valores sugeridos para o parmetro e limites para a tenso de atrito lateral por unidade de comprimento de estacas em solos no coesivos (API RP 2A-

    WSD, 2007 e ISO 19902, 2007). ................................................................................ 78

    Tabela 13 . Valores recomendados para o parmetro adimensional de ajuste da

    resistncia de ponta de estacas em solos no coesivos (API RP 2A-WSD, 2007 e ISO

    19902, 2007). ............................................................................................................. 80

    Tabela 14 . Curvas t-z para solos coesivos (API RP 2A-WSD, 2007 e ISO 19902,

    2007). ......................................................................................................................... 83

    Tabela 15 . Curvas t-z para solos no coesivos (API RP 2A-WSD, 2007 e ISO 19902,

    2007). ......................................................................................................................... 83

  • xix

    Tabela 16 . Curvas Q-z para solos coesivos e no coesivos (API RP 2A-WSD, 2007 e

    ISO 19902, 2007). ...................................................................................................... 85

    Tabela 17. Curvas p-y propostas pelas normas API RP 2A-WSD (2007) e ISO 19902

    (2007). ........................................................................................................................ 91

    Tabela 18 . Valores propostos para o mdulo de reao inicial do solo (REESE et al.,

    1974) .......................................................................................................................... 95

    Tabela 19 . Medidas de deformao (SKALLERUD & AMDAHL, 2009). ................... 107

    Tabela 20. Coeficientes sugeridos pelas normas API RP 2A-WSD (2007) e ISO 19902

    (2007) para aplicao na frmula de Morison para o projeto de jaquetas. ................ 147

    Tabela 21 . Determinao do nvel de exposio de uma plataforma fixa (ISO 19902,

    2007). ....................................................................................................................... 150

    Tabela 22 . RRE relacionada probabilidade de falha definida de acordo com a regio

    de instalao da plataforma (VAN DE GRAAF et al., 1994). ..................................... 158

    Tabela 23 . Valores do fator de majorao da carga ambiental extrema e da RRE para

    alcanar uma probabilidade de falha menor que 3 x 10-5 por ano para novas

    plataformas habitadas (Nvel de exposio L1) (ISO 19902, 2007). .......................... 159

    Tabela 24 . Valores do fator de majorao da carga ambiental extrema e da RRE para

    alcanar uma probabilidade de falha menor que 5 x 10-4 por ano para novas

    plataformas desabitadas (Nvel de exposio L2) (ISO 19902, 2007). ...................... 159

    Tabela 25 . Principais caractersticas geomtricas da jaqueta da plataforma Proteu. 166

    Tabela 26 . Dimenses principais da jaqueta da plataforma Proteu. ......................... 166

    Tabela 27 . Distribuio por disciplina do peso operacional da plataforma Proteu para

    determinao dos carregamentos funcionais da unidade. ........................................ 171

  • xx

    LISTA DE SIGLAS

    SIGLAS EM PORTUGUS

    CAPES Coordenao de Aperfeioamento de Pessoal de Nvel Superior.

    E&P Explorao e Produo.

    ELU Estado Limite ltimo.

    FLJ Flexibilidade Local de Junta.

    F.S. Fator de Segurana.

    IMR Inspeo, Manuteno e Reparo.

    MEF Mtodo dos Elementos Finitos.

    O&G leo e Gs.

    P&D Pesquisa e Desenvolvimento.

    PLANGAS Plano de Antecipao da Produo de Gs.

    PVC Problema de Valor de Contorno.

    RAP Recuperao Avanada de Petrleo.

    RE Redundncia Estrutural.

    RRE Reserva de Resistncia Estrutural.

    TR Tempo de Recorrncia.

    V.G. Verdadeira Grandeza.

    SIGLAS EM INGLS

    API American Petroleum Institute.

    ASCE American Society of Civil Engineers.

    CAPEX Capital Expenditure.

    JIP Joint Industry Project.

    LRFD Load and Resistance Factor Design.

    NPD Norwegian Petroleum Directorate.

    USFOS Ultimate Strength Analysis of Fixed Offshore Systems.

    WSD Working Stress Design.

    SIGLAS EM NORUEGUS

    DNV Det Norske Veritas.

  • xxi

    LISTA DE SMBOLOS

    LETRAS ROMANAS MINSCULAS

    c Velocidade de propagao da onda. ca Aderncia entre a estaca e o solo. cd Coeficiente hidrodinmico de arrasto. cl Coeficiente de lift (empuxo vertical) hidrodinmico. cm Coeficiente hidrodinmico de inrcia. cu Resistncia no drenada da argila. e Excentricidade. e Constante de Euler (2,71828...). e* Imperfeio inicial em um membro tubular. d Dimetro externo do brace. d Lmina dgua. f Termos da matriz de flexibilidade local de juntas tubulares. fY Tenso de escoamento do material constituinte do brace de uma junta. g Gap (vo). g Acelerao da gravidade (9,80665m/s2). k Nmero de onda. l Comprimento. o Offset (afastamento). p Resistncia lateral do solo. pu Resistncia lateral limite do solo. pud Resistncia lateral limite do solo em grandes profundidades. pus Resistncia lateral limite do solo em profundidades rasas. t Tempo. t Espessura de parede do brace. t Atrito lateral por unidade de comprimento atuante no fuste de uma estaca. v Velocidade. v Velocidade de corrente em uma determinada profundidade. y Deslocamento lateral de uma estaca. z Deslocamento vertical por unidade de comprimento no fuste de uma estaca. z Profundidade medida a partir da superfcie do terreno.

  • xxii

    LETRAS ROMANAS MAISCULAS

    A rea. AP rea de ponta da estaca. AS rea lateral da estaca. D Dimetro externo do chord. D Dimetro externo da estaca. E Mdulo de Elasticidade (Young). Eij Tensor das deformaes de Green. Es Mdulo de deformao do solo. F)*+,-.* Fora ambiental global que causa o colapso estrutural. F)/ Fora ambiental global de projeto devido corrente F0 Fora de arrasto. F1 Fora de inrcia. F2 Fora de lift (empuxo vertical hidrodinmico). FLJ5 Flexibilidade local da junta tubular para foras axiais. FLJ6I Flexibilidade local da junta tubular para flexo no plano. FLJ6O Flexibilidade local da junta tubular para flexo fora do plano. FY Tenso de escoamento do material constituinte do chord de uma junta. F90 Fora ambiental global de projeto devido onda. F9: Fora ambiental global de projeto devido ao vento. H Profundidade. H Energia potencial devido s foras externas em um sistema. H Altura de onda. HMx Altura mxima de onda. HS Altura significativa de onda. I Momento de inrcia. K Rigidez. K0 Rigidez inicial. K0 Coeficiente de empuxo no repouso. Ka Coeficiente de empuxo ativo (Rankine). Ks Coeficiente de empuxo mdio ao longo do fuste da estaca. KY,K,X Rigidez ponderada de uma junta tubular hbrida. L Comprimento. M Momento fletor.

  • xxiii

    Mk Momento fletor resistente caracterstico. MI Momento fletor no plano da junta tubular. MO Momento fletor fora do plano da junta tubular. MRd Momento fletor resistente de clculo. MRd,I Resistncia de clculo flexo no plano da junta. MRd,O Resistncia de clculo flexo fora do plano da junta. Ncr Fora axial crtica de flambagem. NE Fora axial de flambagem de Euler. NRd Fora normal resistente de clculo. P Fora. P Presso hidrosttica. Pk Fora axial caracterstica. Pu Fora axial mxima. Q Resistncia de ponta de uma estaca. Qf Fator de carregamento do chord de uma junta tubular. Qg Fator de gap de uma junta tubular. QP Resistncia de ponta de uma estaca isolada. QS Resistncia por atrito lateral de uma estaca isolada. Qu Parmetro bsico de resistncia de juntas tubulares. Q Parmetro geomtrico de juntas tubulares. Qyy Fator de correo do ngulo entre os braces e o chord de uma junta tubular. T Espessura de parede do chord. T Perodo. Tapp Perodo aparente. THMx Perodo associado altura mxima de onda. TMx Perodo mximo. TP Perodo associado altura de onda significativa. U Energia potencial de deformao interna de um sistema. V Volume. VI Velocidade de propagao da corrente. VMx Velocidade mxima de corrente. W Peso (massa multiplicada pela acelerao da gravidade). W Mdulo elstico da seo transversal. Y Deslocamento lateral de uma estaca.

  • xxiv

    LETRAS GREGAS MINSCULAS

    I Fator de ajuste para o clculo da resistncia lateral de estacas. Parmetro adimensional geomtrico (juntas tubulares). Parmetro adimensional para resistncia lateral de estacas. Parmetro adimensional geomtrico (juntas tubulares). J,K Peso especfico natural do solo. LMN Peso especfico submerso do solo. Deslocamento. OP Delta de Kronecker. M Deslocamento axial mximo. Q Deformao. Q Declividade da onda. QRS Deformao correspondente metade da tenso mxima resistente do solo. QOP Tensor das deformaes. Q+T Deformao logartmica. U Parmetro adimensional geomtrico (juntas tubulares). V Elevao da onda na superfcie livre. ngulo. W ngulo formado entre o brace comprimido e o chord de uma junta tubular. K ngulo formado entre o brace tracionado e o chord de uma junta tubular. X Densidade de um fludo. Y Tenso. YS Tenso vertical efetiva em uma camada de solo. YZ Tenso horizontal mdia na superfcie lateral da estaca. Y[ Tenso de escoamento. Parmetro adimensional geomtrico (juntas tubulares). + Atrito lateral por unidade de comprimento da estaca. \ Fator de ajuste para a capacidade resistente das juntas tubulares. \ ngulo de atrito entre a estaca e o solo. \1 Rotao no plano da junta tubular. \] Rotao fora do plano da junta tubular.

  • xxv

    LETRAS GREGAS MAISCULAS

    5N Deformao axial de viga na extremidade do brace. Incremento. 5) Deformao de viga no chord referente ao deslocamento axial. `1N Deformao de viga no brace referente rotao no plano da junta tubular. `]N Deformao de viga no brace referente rotao fora do plano da junta. a Potencial de velocidade da onda. Energia total de um sistema. c Fator. c1) Deformao de viga no chord referente rotao no plano da junta tubular. c]) Deformao de viga no chord referente rotao fora do plano da junta.

  • 1

    CAPTULO 1 . INTRODUO

    1.1. APRESENTAO

    A indstria de Explorao e Produo (E&P) de hidrocarbonetos1 , atualmente, um

    dos mais importantes segmentos da economia mundial. Bilhes de dlares so investidos

    todos os anos nas mais diversas reas do conhecimento, com o objetivo de desenvolver a

    tecnologia necessria para que novas jazidas sejam descobertas, e delas se possa extrair

    com segurana o maior volume possvel de petrleo e de gs natural.

    Nesse contexto, as atividades de E&P conduzidas em alto mar (offshore) podem ser

    consideradas as mais relevantes, tendo em vista que os maiores reservatrios j

    identificados se encontram em bacias sedimentares distantes centenas de quilmetros da

    costa. Em contrapartida, operaes offshore so extremamente perigosas, no somente por

    conta dos riscos associados s prprias atividades exploratrias, mas tambm devido ao

    ambiente hostil em que so realizadas.

    Ondas, ventos, correntes, furaces e sismos so fenmenos naturais que desafiam

    os engenheiros na busca por solues tcnicas que possam minimizar, no somente os

    riscos sobre o capital empregado, mas tambm, e principalmente, os riscos de perda de

    vidas humanas em empreendimentos de grande complexidade. E dentre os principais

    adventos tecnolgicos desenvolvidos para possibilitar a explorao offshore, as plataformas

    fixas do tipo jaqueta de ao possuem caractersticas que as tornam extremamente

    importantes para toda a indstria petroleira.

    O substancial nmero de pesquisas voltadas especificamente para o estudo desses

    sistemas estruturais, com o objetivo de torn-los mais resistentes, confiveis e,

    consequentemente, mais seguros, mostra como este tipo de plataforma movimenta o setor

    de Pesquisa e Desenvolvimento (P&D) na rea de leo e Gs (O&G) em todo o mundo.

    Soma-se a isso a necessidade de se avaliar periodicamente as jaquetas existentes, em face

    ao grau de desgaste que podem vir a ter, j que os riscos associados degradao

    estrutural aumentam com o passar do tempo. Van Raaij (2005) acrescenta ainda que, dentre

    outros aspectos, fenmenos naturais extremos, de magnitude superior quelas previstas em

    projeto, podem vir a ocorrer.

    Em relao anlise estrutural, o projeto de uma jaqueta comumente desenvolvido

    a partir da avaliao da capacidade portante individual de cada um dos seus membros, ao

    1 Recursos naturais originados a partir da fossilizao de organismos retidos em bacias sedimentares, cujas molculas so formadas por cadeias de carbono e hidrognio. Esses so o petrleo, em suas diversas variaes de qualidade, o gs natural e o leo condensado (THOMAS, 2001).

  • 2

    invs de todo o seu sistema estrutural (LAVER, 1997). Assim, razovel afirmar que esse

    tipo de plataforma dispe de alguma reserva de resistncia, j que a eventual falha de um

    elemento no necessariamente implicar no colapso de todo o conjunto.

    Ao contrrio, por se tratarem de sistemas altamente redundantes, as jaquetas so

    capazes de redistribuir os esforos internos por diversos caminhos para o fluxo de cargas

    at as fundaes, mostrando-se, assim, mais complacentes com eventos de grandes

    propores. Em suma, o todo maior do que a soma das partes2 e, por isso, projetos

    baseados na anlise por componente estrutural podem vir a ser demasiadamente

    conservativos e no eficientes o bastante.

    Seguindo essa lgica, observa-se que a Reserva de Resistncia Estrutural (RRE)3

    vem sendo cada vez mais utilizada pelas grandes companhias como um importante

    parmetro de auxlio tomada de deciso, seja na construo de novas plataformas ou nas

    operaes de inspeo, manuteno e reparo (IMR) conduzidas em unidades existentes

    (LALANI e SHUTTLEWORTH, 1990). Nesse sentido, as tcnicas de anlise linear

    usualmente empregadas no mais se aplicam, e mtodos que possibilitem a identificao

    dos mecanismos de colapso, considerando caractersticas verdadeiramente no lineares,

    intrnsecas a este tipo de sistema estrutural, tornam-se fundamentais para avaliar o real

    comportamento das jaquetas frente s mais severas condies de operao.

    Reconhecidamente importante para a avaliao do desempenho estrutural das

    plataformas fixas offshore, o mtodo Pushover (DNV et al., 1999) foi desenvolvido para

    tornar esse tipo de trabalho mais expedito e menos custoso, considerando o emprego de

    robustas tcnicas computacionais. Trata-se de uma abordagem simples e direta para um

    problema extremamente complexo, j que o seu produto final, denominado Curva de

    Resistncia, permite inferir a capacidade portante de todo o conjunto como um sistema,

    efetivamente, alm de prover o histrico de falha de cada elemento at que se tenha

    atingido o colapso global da unidade (SKALLERUD & AMDHAL, 2009).

    O maior desafio na realizao de uma anlise Pushover, contudo, est em descrever

    correta e adequadamente o comportamento dos principais subsistemas que compem uma

    plataforma fixa do tipo jaqueta. Isso deve ser feito atravs do emprego de mtodos

    matemticos consistentes, validados por resultados experimentais e descritos por algoritmos

    eficientes, capazes de considerar tais subsistemas na avaliao do desempenho de todo o

    conjunto estrutural.

    Por fim, considerando o exposto, o uso de mtodos no lineares de anlise pode vir

    a ser mais adequado para viabilizar o projeto de novas jaquetas, adquirindo relevncia ainda

    maior em situaes onde seja necessrio prolongar a vida til de unidades existentes. Para

    2 Aristteles, A Metafsica. Escrito em 350 a.C. 3 Referenciado nas normas tcnicas internacionais pelo termo Reserve Strength Ratio (RSR).

  • 3

    isso, diversos pacotes, bastante difundidos no meio tcnico e cientfico, esto disponveis no

    mercado. Cabe ento aos engenheiros de estruturas conhecer os mtodos que rodam por

    trs da interface grfica, para que sejam capazes de julgar qualitativamente os resultados

    obtidos. O domnio dessas tcnicas requer experincia, alm de um slido entendimento

    dos conceitos tericos fundamentais que as sustentam.

  • 4

    1.2. MOTIVAO

    As jaquetas de ao so, at os dias de hoje, os sistemas estruturais mais utilizados

    pela indstria offshore de E&P no mundo para atividades em guas rasas (profundidades

    menores do que 400 metros). Quando viveis, representam a soluo de engenharia com a

    melhor relao custo-benefcio, em comparao com os demais tipos de plataforma

    (CHAKRABARTI, 2005).

    As primeiras jaquetas foram construdas na dcada de 50. Desde ento, com o

    aumento da produo martima de petrleo e gs natural, o nmero de unidades desse tipo

    aumentou consideravelmente. Hoje existem milhares de plataformas espalhadas por todo o

    mundo, e novas construes ainda esto por vir.

    Originalmente, as plataformas offshore eram projetadas para resistir, exclusivamente,

    s cargas permanentes, denominadas funcionais, e s cargas devido s aes de ondas,

    ventos e correntes. Contudo, alguns episdios catastrficos, como a perda das plataformas

    Alexander Kielland, em 1980, e Piper Alpha, em 1988 (Figura 1), ambas no Mar do Norte,

    trouxeram tona a necessidade de avaliao da capacidade resistente limite deste tipo de

    estrutura como um sistema, considerando, dentre outros fatores, sua redundncia e sua

    capacidade de dissipao de energia (SKALLERUD & AMDAHL, 2009).

    Figura 1 . Acidente que resultou na perda da plataforma Piper Alpha, em 1988, no Mar do Norte. Retirado de (Acesso em: 26 mai. 2013, 14:15:00).

  • 5

    Algumas plataformas no Mar do Norte, ainda em operao, foram projetadas para ter

    uma vida til de 20 anos, aproximadamente. O mesmo ocorre com unidades instaladas no

    Golfo do Mxico (LAVER, 1997). J no Brasil, as primeiras jaquetas foram construdas no

    final da dcada de 60, e a grande maioria delas ainda completamente operante

    (DEFILIPPO, 2007). Apesar disso, devido ao advento de novas e avanadas tcnicas para a

    extrao de hidrocarbonetos, muitas companhias passaram a ter interesse no

    prolongamento da vida til de suas plataformas. Sobre isso, Ersdal (2005) afirma que,

    mesmo que grandes reconstrues, reparos ou inspees tenham que ser feitos, o uso de

    unidades existentes, ainda assim, pode ser economicamente vantajoso, contanto que os

    requisitos de segurana descritos pelas normas tcnicas vigentes sejam atendidos.

    importante observar, porm, que as estruturas mais antigas foram desenvolvidas

    com base nos mtodos de engenharia convencionalmente utilizados na poca em que seus

    projetos foram elaborados. Nesse sentido, e adicionalmente ao exposto, a segurana

    estrutural de uma jaqueta frente s aes ambientais, como originalmente havia sido

    previsto, pode no mais ser a mesma, devido ao processo de degradao ocorrido ao longo

    dos seus anos em operao.

    J em relao s novas unidades, de suma importncia definir quais so as suas

    reservas de resistncia estrutural, uma vez que fenmenos extremos associados a fortes

    tempestades vm ocorrendo com alguma frequncia em diversas regies exploratrias,

    como o Golfo do Mxico e o Mar do Norte. Mesmo o Brasil tem presenciado mudanas

    climticas abruptas, que acarretam estados de mar at ento nunca vistos, e.g. o ciclone

    tropical Catarina, que atingiu a costa do Estado de Santa Catarina em 2004 (Figura 2).

    Skallerud e Amdhal (2009) afirmam que, inevitavelmente, qualquer plataforma

    offshore estar sujeita a severos fenmenos ambientais durante sua vida til de operao.

    No Golfo do Mxico, muitas unidades foram destrudas com a passagem de grandes

    furaces, o que resultou em significativos prejuzos financeiros para diversas companhias do

    setor. Contudo, nos casos mais recentes, com o auxlio de sistemas de monitoramento

    meteorolgico, a produo pde ser interrompida e as unidades evacuadas em tempo hbil,

    evitando, assim, a ocorrncia de fatalidades.

    No Mar do Norte, por outro lado, fortes tormentas so to frequentes, que as

    jaquetas l instaladas devem ser projetadas para se manterem ntegras aps o trmino

    desses eventos, sem que as atividades de produo sejam interrompidas. Dessa forma,

    proporcionalmente aos riscos envolvidos, e a fim de garantir maior segurana em todos os

    sentidos aos operadores, o emprego de tcnicas mais sofisticadas de anlise estrutural se

    faz necessrio. No somente isso, mas o desenvolvimento continuado de sistemas

    computacionais de simulao para apoio aos projetos de engenharia, ganha cada vez mais

  • 6

    relevncia na indstria, tornando-se indispensveis para o sucesso de qualquer

    empreendimento para a produo offshore de petrleo e gs natural.

    Figura 2 . Imagem de satlite mostra a formao do ciclone tropical Catarina, em 2004, no litoral de Santa Catarina. Retirado de (Acesso em: 15 out. 2012, 18:30:00).

    Anlises no lineares para a avaliao das condies de colapso so ferramentas de

    apoio a diversas linhas de pesquisa, como por exemplo: a inferncia probabilstica da

    confiabilidade de unidades existentes e a avaliao dos riscos devido ao fenmeno da

    subsidncia4 que, particularmente, conduz ao problema da ao de ondas no convs das

    jaquetas (ERSDAL, 2005); todos temas relacionados segurana estrutural. Ainda,

    problemas envolvendo possveis colises de embarcaes, assim como eventos ssmicos,

    podem ser estudados com o uso da tcnica Pushover.

    Por esses motivos, os requisitos necessrios para que este mtodo seja

    adequadamente aplicado se constituem em um conjunto de conhecimentos tcnicos

    indispensveis, principalmente, aos engenheiros de estruturas que atuam em projetos para

    o setor offshore de E&P.

    Com base no exposto, a necessidade de reavaliar as jaquetas existentes, e

    minimizar os riscos sobre novas unidades, torna-se bastante relevante para toda a indstria

    petroleira e para a sociedade em geral. Assim, o uso de tcnicas e ferramentas capazes de

    4 Rebaixamento do nvel do leito marinho devido ao adensamento do reservatrio causado pelas atividades de explotao de hidrocarbonetos.

  • 7

    simular o comportamento no linear desses sistemas estruturais vem ganhando espao em

    pesquisas realizadas por todo o mundo (DEFILIPPO, 2007).

    No somente isso, mas alguns dos principais organismos responsveis pelo

    desenvolvimento, fiscalizao e pela normalizao da engenharia para a indstria offshore,

    e.g. Norwegian Petroleum Directorate (NPD), Det Norske Veritas (DNV), ambos da Noruega,

    e o American Petroleum Institute (API), dos EUA, vm buscando estabelecer parmetros

    mnimos de segurana, baseados em anlises de colapso, para que projetos de construo

    de novas plataformas fixas sejam aprovados. E como as operadoras e sociedades

    classificadoras que atuam no Brasil, normalmente, seguem as regras estabelecidas por

    essas entidades, indispensvel o conhecimento de suas bases tericas e preceitos.

  • 8

    1.3. JUSTIFICATIVA

    As atividades de E&P offshore no mundo vm sendo desenvolvidas em

    profundidades cada vez maiores. Muitas das provncias descobertas no pr-sal brasileiro e

    em campos da Angola, por exemplo, esto localizadas em regies de guas profundas e

    ultraprofundas, assim como grande parte dos reservatrios de gs natural no leste da frica.

    Conforme as curvas de produo dos reservatrios localizados em guas rasas tendem a

    decair, as grandes operadoras dependero cada vez mais dos sistemas remotos de

    produo, posicionados a quilmetros de distncia da costa.

    Em uma primeira anlise, em face ao cenrio exposto, possvel inferir que algumas

    regies do mundo podem vir a no mais requerer investimentos para o desenvolvimento de

    novas jaquetas. Contudo, o mercado de construo de plataformas fixas no est em

    declnio, como mostram as projees feitas por conceituadas consultorias internacionais de

    mercado, e.g. Infield Systems (2012), e por artigos publicados em veculos de comunicao

    especializados no setor de O&G, e.g. Offshore Magazine (2007).

    Ainda, com o surgimento de novas operadoras, e por se tratarem de sistemas

    economicamente vantajosos, as plataformas fixas devero continuar a ser uma das mais

    adotadas solues de engenharia em empreendimentos para explorao offshore de

    hidrocarbonetos. De acordo com o ltimo relatrio desenvolvido pela Infield Systems (2012),

    os investimentos previstos para a construo de novas unidades fixas no mundo podem

    chegar a 81 bilhes de dlares, at 2016.

    Figura 3 . Crescimento previsto para os investimentos (CAPEX) direcionados para a construo de novas plataformas fixas offshore no mundo, por regio, entre os anos 2007 e 2016 (INFIELD SYSTEMS, 2012).

  • 9

    Em algumas regies da sia, o aumento da produo de petrleo em guas rasas

    vem impulsionando o setor e atraindo cifras cada vez maiores. Isso pode fazer com que o

    capital l empregado na construo de novas jaquetas aumente em cerca de 31% no total

    (Figura 3). Por sua vez, a produo de gs natural ao longo da Costa Oeste da Austrlia

    tambm deve continuar a ser apoiada por plataformas fixas. No Campo de Perseu, por

    exemplo, localizado a cerca de 135 quilmetros da costa, onde a altura da lmina dgua

    pode chegar a 130 metros, foi instalada uma das maiores jaquetas do mundo, a North

    Rankin B, em 2011, cujo convs completamente equipado pesa cerca de 25.000 toneladas

    (Figura 4).

    Figura 4 . Convs da plataforma North Rankin B, instalada no Campo de Perseu, na Costa Oeste da Austrlia.

    Retirado de (Acesso em: 26 mai. 2013, 15:45:00).

    No Brasil, graas s cada vez mais sofisticadas tcnicas de recuperao avanada

    de petrleo (RAP), campos de elevada maturidade em guas rasas vm tendo suas vidas

    teis prolongadas, contribuindo, assim, para a manuteno da importncia das plataformas

    fixas do tipo jaqueta de ao para a indstria nacional. Alm disso, a necessidade de

    interligao dos sistemas definitivos5 existentes, para aumento da eficincia logstica no

    transporte dos hidrocarbonetos recuperados at as plantas de refino, traz consigo a

    demanda por novas unidades de apoio, e.g. Plataforma de Rebombeio Autnoma (PRA-1) e

    5 Conjunto de unidades e equipamentos pertencentes a um campo de explorao.

  • 10

    o Mdulo de Operao de Pigs (MOP-1). Ambas so construes recentes encomendadas

    pela Petrobras (Figuras 5 e 6, respectivamente).

    Figura 5 . Plataforma de Rebombeio Autnoma (PRA-1), da Petrobras. Retirado de (Acesso

    em 26 mai. 2013, 15:55:00).

    .

    Figura 6 . Mdulo de Operao de Pigs (MOP-1), da Petrobras. Retirado de

    (Acesso em 26 mai. 2013, 16:20:00).

  • 11

    Menezes (2007) explica que, juntamente com a descoberta de novos reservatrios

    de petrleo e gs natural nas Bacias de Santos e do Esprito Santo, surgiram no Brasil

    novas condies para as atividades de E&P. Consequentemente, projetos para a construo

    de novas jaquetas vm sendo desenvolvidos. E com essas descobertas, a Petrobras

    tambm vem investindo no uso de sistemas fixos de produo em alguns dos seus

    empreendimentos, dentre os quais destaca-se o Campo de Mexilho, na Bacia de Santos,

    onde est instalada a PMXL-1 (Figura 7).

    Figura 7 . Plataforma de Mexilho (PMXL-1), da Petrobras. Retirado de (Acesso

    em 10 jan. 2013).

    Por fim, iniciativas como o Plano de Antecipao da Produo de Gs (PLANGAS),

    alm dos investimentos previstos at 2016 (PETROBRAS, 2012), mostram que a demanda

    nacional por novas plataformas fixas deve perdurar. Isso refora a necessidade por parte

    das empresas de engenharia de todo o pas de capacitar seus profissionais, tornando-os

    aptos a desenvolver projetos de tal complexidade.

    No mbito da engenharia de estruturas, no somente as tcnicas de anlise linear,

    baseadas nos mtodos de clculo realizados dentro do regime elstico, mas tambm

    anlises no lineares complexas, devem ser empregadas, pois, diante dos riscos inerentes a

    este tipo de empreendimento, faz-se necessrio o emprego de tcnicas mais sofisticadas

    que tragam maior confiabilidade e segurana para todos os envolvidos.

  • 12

    1.4. OBJETIVO

    1.4.1. OBJETIVO GERAL

    No mbito do Mestrado Profissional, objetivo desta dissertao apresentar o

    estado-da-prtica da tecnologia corrente na anlise ou estudo de problemas reais de

    engenharia na rea de plataformas fixas offshore.

    Sobre o tema abordado, objetiva-se apresentar os conceitos e a aplicao de uma

    das mais reconhecidas tcnicas de anlise estrutural, utilizadas na avaliao da capacidade

    resistente limite de plataformas fixas offshore do tipo jaqueta de ao: o mtodo quasi-

    esttico6, 7 Pushover.

    1.4.2. OBJETIVOS ESPECFICOS

    Os objetivos especficos definidos para cumprir a proposta desta dissertao, atravs

    do mtodo de pesquisa adotado, so:

    Descrever os principais mtodos de modelagem de juntas tubulares e de meios

    elsticos para caracterizao da interao solo-estaca.

    Apresentar as teorias para representao dos carregamentos hidrodinmicos

    devido s ondas e correntes.

    Expor os modelos matemticos implementados na ferramenta numrica utilizada

    nas simulaes computacionais realizadas.

    Evidenciar as recomendaes das principais normas tcnicas vigentes acerca do

    mtodo Pushover, bem como seus limites de aplicao.

    Demonstrar a aplicabilidade dos conceitos descritos atravs de um estudo de

    caso.

    6 Quasi (Latim) = como se. Advrbio: prximo de, aproximadamente. 7 Refere-se anlise esttica de uma estrutura sujeita a aes de pequena variao em relao ao seu perodo fundamental, de tal forma que as aceleraes impostas podem ser negligenciadas ou aproximadas por uma ao esttica equivalente (ISO 19902, 2007).

  • 13

    1.5. MTODO

    Os mais importantes modelos matemticos, utilizados na descrio dos aspectos

    necessrios para simular o real comportamento estrutural das jaquetas de ao frente aos

    principais fenmenos ambientais a que esto sujeitas, so apresentados com o objetivo de

    construir o arcabouo terico desta pesquisa, a saber:

    Juntas tubulares: flexibilidades locais e capacidade resistente. So

    apresentadas as formulaes mais modernas, conforme recomendado pelas

    normas tcnicas vigentes.

    Interao solo-estrutura: curvas no lineares fora-deslocamento, utilizadas

    para descrever as condies de apoio da estrutura de uma jaqueta no leito

    marinho.

    Modelagem de membros estruturais: no linearidades fsica e geomtrica, com

    consideraes sobre a estabilidade de membros comprimidos e a formao de

    rtulas plsticas, especificamente aplicados em anlises no lineares.

    Hidrodinmica: teoria e aplicao dos principais modelos utilizados para

    descrever a ao de ondas e correntes sobre estruturas reticuladas.

    A pesquisa por publicaes especficas sobre o tema foi feita atravs da plataforma

    CAPES (Coordenao de Aperfeioamento de Pessoal de Nvel Superior), alm de

    mecanismos de busca na internet. Livros e publicaes de uso restrito foram consultados ou

    obtidos diretamente de suas bases distribuidoras oficiais, como bibliotecas online e

    repositrios dos mais diversos rgos tcnicos. Desta forma, o autor gostaria de ressaltar

    que teve acesso aos originais de todas as referncias bibliogrficas citadas ao final da

    presente dissertao, expressando, assim, sua busca pelos conceitos impolutos, como

    concebidos.

    No que tange aplicao direta de tecnologia, a seleo da ferramenta numrica foi

    feita com base em uma pesquisa envolvendo os principais pacotes computacionais

    disponveis no mercado. O sistema utilizado, escolhido por critrio de aplicabilidade e

    disponibilidade, alm de credibilidade junto indstria, em licena original de propriedade da

    DNV, foi cedido nica e exclusivamente ao autor para a elaborao da presente dissertao.

    O objetivo principal do emprego de tais recursos tcnolgicos, neste caso, demonstrar que

  • 14

    os engenheiros de estruturas que utilizam programas de grande robustez devem conhec-

    los intimamente. As teorias implementadas em pacotes de anlise estrutural no podem ser

    ignoradas, sob pena de se obter resultados incoerentes, que podem acarretar graves falhas

    de projeto.

    1.5.1. ESTRUTURA DO TRABALHO

    No Captulo 1, faz-se a apresentao do tema estudado, considerando sua

    contribuio, no somente para a indstria, mas tambm para o meio tcnico e acadmico.

    Em seguida, os tpicos listados na descrio do mtodo de pesquisa adotado so descritos

    no Captulo 2, partes 3, 4, 5 e 6, respectivamente, e os preceitos das principais normas

    tcnicas vigentes so destacados sempre que julgado pertinente. No Captulo 3, apresenta-

    se a tcnica estudada, o mtodo Pushover, que faz uso de todos os conceitos e formulaes

    at ento demonstrados.

    A descrio do sistema computacional utilizado, que rene as ferramentas

    necessrias para a aplicao do mtodo de anlise, alm de uma sucinta apresentao das

    formulaes nas quais se apoia, feita no Captulo 4. Ao final, este sistema empregado

    em um estudo de caso. Os resultados dos ensaios numricos realizados so, ento,

    expostos e discutidos.

    Por fim, as concluses obtidas atravs do trabalho conduzido, bem como sugestes

    para pesquisas futuras, so elencadas no Captulo 5.

    1.5.2. LIMITAES DO ESTUDO

    Observa-se que o tema extenso e no haveria como aqui esgot-lo. Por esse

    motivo, outros pontos especficos, inerentes pesquisa, podero ser mencionados, mas no

    sero discutidos, e.g. ao combinada do vento com ondas e correntes, ao de ondas no

    convs (wave-in-deck loads), coliso de embarcaes, fadiga e modelagem de elementos

    com mossas.

    Todavia, os tpicos abordados em cada captulo, por si s, formam um conjunto de

    conhecimentos ainda pouco difundidos, tendo em vista a pequena quantidade de

    publicaes nacionais sobre o assunto disponvel na literatura, almejando-se, inclusive, que

    venha a contribuir para diversas outras linhas de pesquisa e futuros trabalhos acadmicos.

  • 15

    CAPTULO 2 . REVISO DA LITERATURA

    2.1. BREVE HISTRICO DA INDSTRIA OFFSHORE

    A indstria offshore de E&P no mundo teve incio em 1930 no Golfo do Mxico, EUA.

    Vinte anos depois, a Venezuela comeou a investir fortemente no setor e, mais tarde, o

    processo exploratrio chegou at o Mar do Norte, na Europa, que passou a competir com a

    indstria norte-americana, tanto em grau de importncia, quanto em volume de capital

    investido. Furtado (1996) relata que, nesse momento, formou-se um conjunto de grandes

    empresas com atuaes voltadas especificamente para este segmento, dentro do qual esto

    includas: Shell, ExxonMobil, Texaco e AGIP.

    Por sua vez, o Brasil somente viria a ingressar definitivamente na indstria do

    petrleo e do gs ao final da dcada de 60, mais precisamente em 1968 quando foi

    descoberto o primeiro poo offshore do pas no Campo de Guaricema, em Sergipe, pela

    Petrobras. Ainda naquele ano, foi perfurado o primeiro poo no Campo de Garoupa, na

    Bacia de Campos, situada no Estado do Rio de Janeiro. Antes disso, como descrito por Neto

    e Costa (2007), apesar de se saber que o pas possua reservas de hidrocarbonetos em sua

    zona martima costeira, ainda no se tinha uma definio precisa de suas localizaes.

    A partir de ento, tendo em vista a rapidez com que novos reservatrios eram

    descobertos, a problemtica da indstria do petrleo passou a ser o desenvolvimento da

    tecnologia capaz de viabilizar os empreendimentos necessrios explorao offshore.

    Nesse momento, e de maneira geral, pode-se definir a caracterizao de trs conjuntos

    tecnolgicos distintos que, por sua vez, so os principais objetos de pesquisa das grandes

    companhias em todo o mundo: as plataformas, o sistema de perfurao e o mecanismo de

    transporte do petrleo do reservatrio para a unidade de produo8 (NETO & COSTA,

    2007).

    Em relao s plataformas, indubitvel que os sistemas fixos representam a

    grande mola propulsora dessa indstria. Por todo o mundo, principalmente no Golfo do

    Mxico e no Mar do Norte, a utilizao de estruturas fixadas ao leito marinho para a

    produo em guas com profundidades que chegam at 400 metros (a partir dessa

    profundidade, essas estruturas tendem a apresentar elevada esbeltez, tornando-se tcnica e

    economicamente inviveis), foi a soluo mais adotada pelas grandes companhias durante

    anos (Figura 8). No Brasil, por exemplo, a construo de quatorze plataformas fixas do tipo

    jaqueta de ao representou o marco inicial da produo na Bacia de Campos, em 1983.

    8 Denominado sistema de garantia de escoamento.

  • 16

    Figura 8 . A plataforma de perfurao Kermac 16 foi a primeira unidade fixa offshore construda no Golfo do

    Mxico, nos EUA, em 1947, posicionada a 14,5 quilmetros da costa (OFFSHORE, 2004).

    O uso exclusivo de unidades fixas, contudo, no permitiria ao pas assumir um dos

    papis de protagonista neste segmento da indstria. Devido ao fato dos poos ligados aos

    grandes reservatrios nacionais estarem localizados em guas com profundidades que

    podem ultrapassar a barreira dos 1.000 metros, fez-se necessrio seguir uma trajetria

    tecnolgica original, baseada, principalmente, nos sistemas flutuantes de produo.

    A partir da dcada de 70, com a descoberta de reservas cada vez mais distantes da

    costa, teve incio em todo o mundo uma verdadeira corrida mar adentro, que perdura at

    os dias atuais. Nesse cenrio, as grandes companhias da indstria offshore investem

    bilhes de dlares todos os anos no desenvolvimento de recursos tecnolgicos que

    possibilitem a explorao e produo de hidrocarbonetos em guas intermedirias e

    profundas (entre 300 metros e 1.000 metros) e ultraprofundas (a partir de 1.000 metros).

    Por fim, considerveis reservas descobertas em regies historicamente menos

    desenvolvidas comeam a ser exploradas, dado chegada de empresas petrolferas

    multinacionais em pases com pouco ou nenhum desenvolvimento tecnolgico at ento.

    Esse o caso das provncias localizadas no Sul da sia, no Norte da Oceania, na Regio

    do rtico e na Costa Oeste da frica. Particularmente, esta regio vem atraindo

    investimentos substanciais de grandes corporaes que atuam no setor. As previses para

    os prximos anos mostram que o total do capital l empregado poder chegar ao nvel

    daquele que recebe toda a Amrica Latina (OFFSHORE, 2012).

  • 17

    2.2. AS JAQUETAS DE AO NA INDSTRIA OFFSHORE

    2.2.1. APRESENTAO

    Formadas por elementos tubulares de ao interligados, as jaquetas se constituem em

    estruturas altamente hiperestticas que, fixadas ao leito marinho atravs de estacas

    cravadas percusso ou por vibrao, so projetadas para resistir aos esforos

    provenientes das aes de ondas, ventos e correntes.

    Basicamente, esse tipo de plataforma fixa formado por dois conjuntos: o convs e a

    jaqueta. O primeiro representa a prpria unidade de E&P, com seus equipamentos,

    utilidades e, normalmente, um heliponto para apoio logstico. J o segundo, representa a

    estrutura que sustenta o convs e, juntamente com as estacas, mantm a plataforma em

    sua posio de instalao (Figura 9).

    Figura 9 . Representao de uma plataforma fixa offshore do tipo jaqueta de ao (Adaptado de CHAKRABARTI,

    2005).

  • 18

    Desde o incio da dcada de 50, as jaquetas so utilizadas como base para os

    equipamentos posicionados acima da linha dgua, incluindo o sistema de perfurao. As

    jaquetas tambm servem como pontos de interligao dos dutos submarinos de produo

    costa (tie-ins). Outra funo dessas estruturas sustentar a tubulao e os condutores de

    explotao, na subida desde o leito marinho at a planta de produo localizada no convs

    da prpria plataforma.

    O projeto de uma jaqueta bastante desafiador em todas as suas etapas. Uma

    plataforma deve reunir os requisitos tcnicos necessrios para manter-se ntegra ao longo

    de toda a sua vida til de operao e, consequentemente, resistir s foras impostas pelos

    principais fenmenos ambientais e condies operacionais a que est sujeita (Figura 10).

    Alm disso, os materiais empregados, o processo construtivo, bem como a estratgia para

    sua instalao, devem ser muito bem engendrados para que o empreendimento se torne

    vivel tcnica e financeiramente.

    Figura 10 . Principais fenmenos ambientais e condies operacionais que devem ser consideradas no projeto estrutural de uma jaqueta de ao (LAVER, 1997).

  • 19

    Em relao aos materiais, principalmente devido ao ambiente hostil em que estas

    estruturas so instaladas, os aos utilizados em obras onshore correntes, em sua grande

    maioria, no atendem aos requisitos concomitantes de tenacidade, resistncia mecnica,

    resistncia corroso e vida fadiga exigidos das estruturas offshore. Por isso, a definio

    e especificao, bem como a qualificao atravs de ensaios normalizados, dos aos que

    sero empregados na construo desse tipo de plataforma, tornam-se fundamentais para

    garantir o atendimento s premissas provenientes das anlises e clculos estruturais

    realizados ainda na fase de projeto (ORSINI, 2011).

    J em relao s operaes de instalao, logo no incio, quando as jaquetas eram

    projetadas para operar em lminas dgua com profundidades acerca de 30 metros, todo o

    processo era conduzido com o auxlio de guindastes convencionais posicionados sobre

    balsas. Mais tarde, a partir de meados da dcada de 60, plataformas desse tipo passaram a

    ser fabricadas em verses maiores e mais pesadas, o que abriu campo para a construo

    de colossais equipamentos martimos de movimentao de cargas.

    Na realidade, como explicado por Laver (1997), o expressivo avano no

    desenvolvimento de equipamentos especficos para grandes operaes offshore foi o que

    permitiu s companhias de todo o mundo projetar e construir grandes plataformas (Figura

    11). Isso se deve, principalmente, consequente reduo dos custos de interligao e

    comissionamento no mar. Sem esses equipamentos, o progresso da indstria teria sido

    interrompido em face inevitvel reduo de investimentos que viria a ocorrer.

    Figura 11 . Evoluo das plataformas fixas do tipo jaqueta instaladas nos EUA (OFFSHORE, 2007).

  • 20

    2.2.2. ELEMENTOS QUE COMPEM UMA JAQUETA

    Uma plataforma nunca ser igual a outra. Cada empreendimento nico e

    especfico. Por isso, suas caractersticas dependem de fatores como: finalidade a que se

    destinam, lmina dgua, propriedades fsico-qumicas dos hidrocarbonetos presentes no

    reservatrio, bem como a profundidade deste; anlise dos parmetros meteorolgicos e

    oceanogrficos9 da regio, entre outros. Ainda assim, o sistema estrutural de uma jaqueta

    possui especificidades inerentes a esse tipo de soluo de engenharia, como ilustra a figura

    12, a seguir:

    Figura 12 . Principais elementos estruturais que compem uma jaqueta de ao (Adaptado de CHAKRABARTI,

    2005).

    As pernas da jaqueta so suas colunas principais, elementos necessrios para a

    manuteno da integridade da plataforma. Esses elementos so considerados crticos, ou

    seja, de maior importncia estrutural. Dessa forma, o projeto de unidades offshore desse

    9 Denominados metocean data.

  • 21

    tipo deve considerar que, na ocorrncia de fenmenos ambientais extremos, esses devero

    ser os ltimos membros a falhar. Segundo a norma ISO 19902 (2007), elementos crticos

    fazem parte da estrutura primria de uma plataforma que, por sua vez, constituda por

    todas as partes que contribuem para a rigidez e resistncia do conjunto.

    As pernas so conectadas entre si por meio de elementos de

    contraventamento/diagonais, comumente conhecidos pelo termo em ingls braces,

    responsveis pela integrao de todo o conjunto, tornando o sistema estrutural

    estaticamente redundante. Os braces do jaqueta caractersticas de trelia, sendo

    solicitados, fundamentalmente, por esforos axiais. Por sua vez, o sistema de

    contraventamento horizontal formado pelas diversas elevaes ou mesas presentes na

    estrutura da plataforma. Esses conjuntos contribuem para aumentar a rigidez lateral, face s

    caractersticas de prtico que atribuem jaqueta, e torsional, especialmente importante na

    ocorrncia de sismos.

    A ligao dos elementos de contraventamento com as pernas de uma jaqueta ocorre

    nos ns dessas estruturas, comumente conhecidos como juntas tubulares (Figura 13).

    Essas so regies particularmente especiais do ponto de vista de anlise e projeto, devendo

    ser cuidadosamente estudadas. Em alguns casos, as juntas tubulares podem vir a ser os

    pontos fracos de uma plataforma. Ainda, devido s elevadas concentraes de tenses que

    nelas se desenvolvem, comumente, observa-se um