PEF – 2506 - Projeto de Estruturas Marítimas PLATAFORMA FIXA TIPO JAQUETA

Como visto, existem os mais variados tipos de plataformas, cada uma com

seus requisitos de projetos.

Neste capítulo será abordada a plataforma fixa tipo jaqueta. Muitos conceitos

aqui desenvolvidos servirão para aplicação em plataformas auto-elevatórias e torres.

As plataformas semi-submersíveis, navios e bóias se enquadram mais na área de

projeto do navio.

Para o projeto estrutural desta plataforma deve-se possuir um sistema que

abranja as mais diferentes áreas de engenharia envolvidas. Vamos dar um

apanhado geral sobre o projeto e análise desta estrutura para que depois

ataquemos cada etapa específica.

O sistema a ser apresentado terá como objetivos básicos o desenvolvimento

de procedimentos para síntese e análise de plataformas de produção, definidas

como estruturas que consistem basicamente de:

I) Uma estrutura tubular chamada jaqueta cujas pernas servem de gabarito

para a cravação das estacas e de contraventamento lateral das mesmas;

II) Estacas que são cravadas no fundo do mar, ancorando a jaqueta, e que

juntamente com ela devem ser projetadas para resistir aos esforços

provenientes das ondas, vento etc.

III) Conveses que se interligam com a jaqueta, sendo a parte realmente útil da

estrutura. (ver fig. 1).

Algumas informações necessárias ao projeto de uma plataforma, podem

assim ser resumidas:

- As finalidades da plataforma, a qual fornece os primeiros elementos para a

concepção da estrutura e que normalmente são: perfuração, produção, sustentação

de poços, habitação, etc., ou combinação destas.

- A área onde se situará a plataforma nos orienta quanto ao tipo e grandeza dos

fenômenos aos quais poderá estar sujeita a estrutura. A localização precisa é

também de grande importância para o levantamento dos parâmetros do solo,

necessários ao cálculo das fundações, para os dados estatísticos dos estados de

mar na região, bem como para uma orientação sobre a escolha da onda de projeto a

ser adotada. Outrossim, é importante conhecer o posicionamento da estrutura em

relação às direções predominantes do vento, correntes e ondas.

- A profundidade da lâmina d’água influirá decisivamente nas dimensões da

jaqueta, métodos de construção e lançamento. Convém lembrar que, em alguns

casos, solicitações estruturais advindas de processos não adequados de

construção, transporte e lançamento podem vir a ser mais críticas que as devidas à

operação em si.

- O número de poços, que dá elementos para a avaliação das áreas de convés

necessárias. Os condutores são responsáveis por grande parte da carga lateral,

devida às ondas e correntes marinhas, sobre a estrutura. Os poços em número

elevado, podem responder por mais de 50% da carga lateral, sendo um fator

importante no dimensionamento da jaqueta e das estacas.

- A altura dos conveses que deve ser maior que a altura atingida pela “maior

onda prevista na área” durante a vida útil da plataforma, dentro de determinadas

probabilidades adotadas no projeto

Como se nota, portanto, o projeto e análise de plataformas requerem o

conhecimento de várias áreas da ciência, tais como: oceanografia, análise estrutural,

mecânica, engenharia de solos, arquitetura , tecnologia de construção etc.

São definidos oito subsistemas, que abrangem todas as fases envolvidas no

projeto, a saber:

- PREPLA – Responsável pela geração de todas as características de

geometria, topologia e rigidez da estrutura.

- CARMAR – Responsável pelo cômputo das cargas impostas pelas ondas,

correntes marinhas,vento e gravidade.

- SOLO – Responsável pelo fornecimento da rigidez do solo nos pontos de

iteração com a plataforma.

- SAP IV – Programa núcleo que, com os dados dos três subsistemas

acima, analisa a estrutura.

- POSPLA – Responsável pela apresentação dos resultados gerados pelo

programa-núcleo.

- JUNTA – Responsável pelo cômputo das tensões agentes nas juntas.

- ESTACA – Responsável pelo projeto das estacas.

- CONSTRU – Responsável pelo desenvolvimento dos procedimentos de

montagem, construção e manutenção da plataforma.

Na figura 2 ilustra-se a organização do sistema, como reunião dos vários

subsistemas. Vamos agora fornecer uma descrição mais clara sobre a função de

cada subsistema.

SUBSISTEMAS

Subsistema PREPLA

A preparação dos dados físicos, requeridos para descrever a estrutura ao

computador, pode tornar-se uma tarefa tediosa e demorada, com o conseqüente

aumento do custo da análise. Todos os usuários de programas de análise matricial

estão familiarizados com o tipo de dados necessários, tais como coordenadas dos

nós, descrição dos membros, propriedades físicas dos elementos etc. O trabalho

torna-se excessivo na análise de grandes plataformas, modeladas por estrutura

reticulada tri-dimensional, onde é comum a ocorrência de 500 a 1000 nós e 1000 a

2000 elementos de viga. O subsistema PREPLA é responsável pela geração

automática e manipulação desses dados, diminuindo muito o custo da análise.

Desenvolvem-se rotinas e técnicas para a descrição dessa espécie de

estruturas de modo a reduzir várias vezes o número de cartões de dados de entrada.

A estrutura deve ser dada de uma forma quase descritiva e o subsistema encarrega-

se de transformá-la em dados “entendíveis” pelo programa-núcleo de análise. Usa-

se também um sistema de plotter para gerar desenhos da estrutura que mostram ao

analista qual o modelo estrutural que vai ser analisado (fig. 3).

Para descrição da estrutura, de modo geral, temos as seguintes etapas

envolvidas:

I) Informações sobre a estrutura, tais como número de pernas, número de

conveses, etc.

II) Dimensões dos vários planos horizontais, necessários à descrição da

topologia.

III) Tabela, de forma codificada, dos tipos de painéis horizontais, verticais e de

condutores, que compõem a estrutura. (fig. 4).

IV) Finalmente, a estrutura é especificada, patamar e patamar, dando-se o

tipo de painel, bem como o tipo de perna e pilar que ocorre entre cada

patamar.

Com esses poucos dados o programa está apto a gerar o modelo estrutural,

fornecendo ao programa-núcleo o grande volume de informações necessárias (ver

figuras de plotter).

Algumas técnicas de modelagem são incorporadas ao sistema, tais como a

simulação da iteração entre os membros coaxiais da perna e pilar, a modelagem dos

condutores seja como elementos que recebem uma grande parcela da carga

proveniente das ondas do mar e correntes descarregando-a sobre a estrutura, seja

como elementos que além disso também colaboram na resistência do conjunto.

Subsistema CARMAR

Este subsistema é responsável pelo cálculo do carregamento sobre a

estrutura (ondas, correntes, vento e peso próprio)

A onda é o fenômeno que normalmente mais solicita a estrutura. O

movimento da superfície do mar é um processo aleatório e a estrutura a cada

instante está sob a ação da superposição de vários tipos de onda. Para

representarmos o fato, teríamos que somar o efeito de cada onda, supor o processo

linear e computar o resultado. Sendo extremamente trabalhoso tal procedimento,

procura-se definir uma onda de projeto, em que se supõe que seu efeito sobre a

estrutura seja o máximo esperado dos estados de mar que possam vir a ocorrer

durante a vida útil da estrutura. A escolha de tal onda é o primeiro grande problema

no cômputo das cargas e depende de dados estatísticos dos estados de mar (e

respectivas alturas significativas de onda) na região onde será instalada a plataforma

(ver figuras 4 de áreas do oceano, levantamento de estados de mar, probabilidade

de onda).

Figura 4.a – Regiões do Globo

Figura 4.b – Número de Ocorrências de Estados de Mar

O programa calcula o carregamento externo agente sobre a estrutura para

várias posições e direções na onda de projeto incidente. É selecionada a posição ou

posições mais desfavoráveis (em combinação com as correntes e vento) usando

determinado critério, por exemplo, aquelas posições que resultem numa máxima

força cortante na base ou momento de tombamento na estrutura. Tais

carregamentos agentes sobre cada elemento de viga são computados a fim de

realizar-se a análise estrutural.

A força da onda nos elementos da estrutura é a soma de duas parcelas: força

de arraste, que de depende da velocidade das partículas d’água e força de inércia,

que depende da aceleração. No caso de fluxo d’água ser perpendicular ao elemento

de viga considerado, a força total é determinada pela equação de Morison:

F = Fa + Fi = ½ Cd ρ D v2 + π/4 Cm ρ D2 a onde:

F = força total por unidade de comprimento

Fa = força de arraste por unidade de comprimento

Fi = força de inércia por unidade de comprimento

Cd e Cm = coeficientes de arraste e de inércia.

O cômputo desses valores para cada caso é um dos problemas mais difíceis

do processo. Depende da rugosidade, da dimensão da forma da secção transversal

da viga, no número de Reynolds, etc. Existem várias pesquisas desenvolvidas nesse

assunto e uma análise detalhada deverá ser levada a cabo para o desenvolvimento

de nosso próprio critério de seleção para Cd e Cm.

ρ = densidade d’água

D = diâmetro externo do caso de tubos (dimensão característica da secção

transversal em outros casos)

v e a = velocidade e aceleração das partículas d’água.

Cada onda é assimilada a um determinado formato e comportamento.

Existem vários procedimentos para escolher uma determinada equação de

movimento às suas partículas. A velocidade e aceleração dependem

fundamentalmente da altura de onda, lâmina d’água e do período, sendo ambas

função do tempo. As várias teorias desenvolvidas de onda são mais ou menos

precisas dependendo dos valores de altura de onda, lâmina d’água e período de

onda de estudo. Como bom guia recomenda-se o uso das curvas da figura 5. Tais

curvas podem ser incorporadas ao programa para uma automatizada seleção da

teoria mais conveniente. Um exemplo de escolha de Cd e Cm nas figuras 5.a e 5.b.

Figura 5 – Regiões de Validade das Teorias de Onda

No caso da velocidade e aceleração não serem perpendiculares à viga, que é

o que geralmente acontece, a equação de Morison está sujeita a várias

interpretações. Esses diversos métodos deverão ser comparados e escolhido

aquele que, no nosso entender, seja mais lógico e satisfatório. Esta é outra das

etapas a ser vencida.

No caso de correntes marinhas, sua velocidade pode ser linearmente

adicionada à velocidade das partículas da onda e computada a força de arraste total.

Procedimentos análogos deverão ser desenvolvidos para o cômputo da força

devida ao vento. O peso próprio é facilmente computado e adicionado aos outros

carregamentos.

O carregamento total é gerado num formato apropriado para ser diretamente

aplicado pelo programa núcleo de análise.

Subsistema SOLO

No projeto e análise de plataformas fixas é usual analisar a estrutura

propriamente dita e a região das estacas dentro do selo como dois problemas

independentes. Isto é natural pois, enquanto a estrutura pode ser associada a

sistema elástico linear, a análise das fundações é de natureza não linear pelo

próprio fato do solo ter esse tipo de comportamento (fig. 6).

Ora, ao “separar” as duas porções, condições de contorno conveniente

devem ser atribuídas na região do “corte”. Isso é feito colocando-se na base da

estrutura elementos de contorno (vigas ou molas) que tenham a mesma rigidez que

o conjunto estaca + solo teria. Mas, devido ao comportamento não linear desse

conjunto, não se sabe a priori qual a rigidez necessária nesses pontos. Daí a

necessidade de um processo iterativo entre o subsistema SOLO e o SAP IV, caso se

necessitem resultados mais precisos. Tal processo pode ser resumido como se

segue:

I) A estrutura é engastada no solo, sendo analisada pelo sistema SAP IV sob

o carregamento advindo do subsistema CARMAR (fig. 2).

II) As reações dos pontos de engastes, advindas de (I) (forças e momentos)

são aplicadas como ação na fundação isolada da estrutura. Neste ponto já

deveremos ter as “curvas” do conjunto estaca + solo, que são encontradas

no subsistema ESTACA. Tais curvas determinam a relação entre esforço

e deslocamento aplicados na região do “corte” das estacas (fig. 7).

Tais curvas podem ser levantadas a partir dos parâmetros físicos do

solo. Existem vários processos para determinar tais curvas, devendo ser

escolhido um deles para uso no nosso SISTEMA. Com o uso dessas curvas

podemos encontrar os deslocamentos para cada estaca na interface com a

estrutura.

III) As reações de (I) e os deslocamentos de (II) permitem-nos determinar

uma “viga equivalente” cuja matriz de rigidez (12 x 12) fornece a mesma

resistência que o conjunto estaca + solo.

IV) A matriz de rigidez dessa “viga equivalente” é adicionada à estrutura e

nova análise é levada a cabo determinando-se um novo conjunto de

reações e deslocamentos. Nesta etapa deve-se utilizar técnicas matriciais

de modo a reduzir o problema para somente computar as reações e

deslocamentos dos nós da interface, reduzindo grandemente o tempo de

processamento e tornando o método economicamente viável.

V) Com as novas reações calculadas em (IV) utiliza-se o mesmo

procedimento de (II), (III) e (IV). O processo é repetitivo até que haja

convergência.

Subsistema ESTACA

Este subsistema além de fornecer as “curvas de resistência” do conjunto

estaca + solo encarrega-se de, a partir das reações finais agentes na interface

estaca e estrutura, dimensionar as próprias estacas, (ver figura 7.a de diferentes

camadas de terreno).

Os cálculos baseiam-se em analisar uma viga contínua (estaca) sobre apoios

(solo) de comportamento não linear (fig. 8). As propriedades desses apoios podem

ser retiradas das características físicas do solo através de um dos processos

existentes na engenharia de solos.

Os resultados da análise dessa viga contínua servem para fornecer as

“curvas de resistência” e os esforços solicitantes nas estacas, propiciando seu

dimensionamento. Portanto, trata-se aqui de desenvolver programas que resolvam

esse problema não linear.

Figura 7.a – Diferentes Camadas de um Terreno

Subsistema SAP IV

Este subsistema é constituído de um programa-núcleo de análise que, a partir

dos dados dos subsistemas já citados, realiza a análise linear do modelo estrutural

da plataforma. O programa nomeado SAP IV, pode corresponder a qualquer outro

programa de análise estrutural. A forma de operação de tais programas é conhecida

junto à comunidade que trabalha na área, evitando-se aqui entrar em maiores

detalhes.

Subsistema POSPLA

Este Subsistema, partindo dos resultados do programa núcleo, tem a

finalidade de apresentá-los de forma facilmente “entendíveis” pelo analista. Entre

suas tarefas podemos citar:

- cômputo das tensões agentes nos membros. Comparação com as tensões

admissíveis. Caso as tensões sejam insatisfatórias, um redimensionamento e

nova análise devem ser levados a cabo.

- desenhos, através de um sistema de plotter, da estrutura deformada; da estrutura

onde estejam assinaladas as vigas cujas tensões são excessivas; vigas onde

haja flambagem, etc.

- listagem dos elementos e materiais da estrutura para ser usada na construção

(Ex.: metros de cada tipo de tubo ou perfis, chapas, peso da estrutura, etc.)

- esforços solicitantes de cada junta da estrutura, para serem usados no

subsistema JUNTA.

Subsistema JUNTA

Em plataformas fixas existem vários tipos de juntas (fig. 9), cujos

componentes básicos estão mostrados na (fig. 10). É nessas regiões onde ocorrem

as máximas tensões. Tem-se constatado a ocorrência de trincas exatamente nesses

pontos. Conseqüentemente, devem essas tensões ser calculadas o mais

precisamente possível.

O modelo de viga utilizado até esta etapa de processo de análise não é capaz

de detectar o nível de tensões nessas regiões. Para tanto, a partir dos resultados de

esforços agentes no contorno da junta e através de um modelo de elementos finitos

de placa em flexão (com comportamento conjunto de membrana) pode-se chegar a

bons resultados, usando-se o mesmo programa-núcleo para resolver o problema de

análise estrutural, (figuras 11, 12 e 13).

Figura 12 – Malha de Elementos Finitos

Figura 13 – Tensão Normal Longitudinal e

Cicunferencial

Apesar desse procedimento resolver o problema, o grande número de juntas, de

vários tamanhos e geometrias, existentes em uma plataforma típica, faz prever um

custo elevado para a análise total. Portanto, deverá ser tentado o desenvolvimento

de um conjunto de equações semi-empíricas para estimar o valor do fator de

concentração de tensões nos diferentes tipos de juntas, sob diferentes tipos de

carregamentos. Do modo geral, para determinar tais equações, cada tipo de junta

terá os parâmetros que governam a distribuição de tensões (diâmetros,

comprimentos, espessuras, ângulos, etc.), variando em uma gama de valores. Para

cada configuração são calculadas as tensões (usando a técnica de elementos

finitos). Análises de regressão convenientes poderão fornecer tais equações. Tal

procedimento vem sendo usado em todo mundo e procurar-se-á, a partir do já

existente, avançar para procedimentos próprios.

Subsistema CONSTRU

Deverão ser desenvolvidos manuais e “know-how” para uso no montagem,

construção e manutenção de plataformas fixas. Alguns problemas, sobre os quais

serão desenvolvidos procedimentos podem ser citados:

- tipos, técnicas e procedimentos de soldagem, principalmente no aspecto de

construção de juntas soldadas. Vantagens e desvantagens dos vários métodos.

- procedimentos para reparos de estruturas offshore. O problema da soldagem sob

a água.

- proteção contra corrosão. Cuidados a serem tomados. Tipos de proteção.

- seleção de materiais e seu tratamento. Uso de aços-liga. Alumínio. Uso de aços

de alta tensão. Aço inoxidável. Seleção do concreto.

- a ocorrência de fissuras em plataformas.Procedimentos para evitar seu

aparecimento. Previsão de sua propagação.