Sistemas de Ancoragem e Fundação Offshore

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ANLISE E PROJETOS DE ESTRUTURAS OFFSHORE I

Professor: Gilberto Bruno Ellwanger, D.Sc. Aluno: Antonio Roberto de Medeiros

ANCORAGEMEFUNDAOOFFSHORE

RIO DE JANEIRO RJ SETEMBRO/2009

CURSODEMESTRADODOPROGRAMADEENGENHARIACIVILUFRJ/COPPE 2 TrabalhodeOffshoreIANCORAGEMEFUNDAOOFFSHOR 1. OBJETIVO 06 2. INTRODUOASISTEMASOFFSHORE 06 3. PRINCIPAISTIPOSDEPLATAFORMAS 10 3.1 PLATAFORMASFIXAS 11 3.1.1 PLATAFORMASFIXASTIPOJAQUETA 11 3.1.2 PLATAFORMAAUTOELEVVEL(JACKUP) 14 3.1.3 PLATAFORMADEGRAVIDADE(GRAVITYPLATFORM) 15 3.1.4 TORRECOMPLACENTE 21 3.2 PLATAFORMASFLUTUANTES 24 3.2.1 SEMISUBMERSVEL(SS) 25 3.2.2 TLPTensionLegPlatform 29 3.2.3 SPARBOUY(BiaCilndrica) 35 3.2.4 FPSOFloatingProductionStorageandOffloadingSystem(SistemaFlutuantede Produo,ArmazenamentoeTransferncia) 44 4. ANCORAGEMOFFSHORE 46 4.1 FundamentossobreTiposdeAncoragem 47 4.2 TiposdeAncoragemOffshore 48 4.2.1 AncoragememCatenria 48 4.2.2 AncoragemTautLeg(Esticada) 49 4.2.3 AncoragemVertical 51 4.2.4 AncoragemCombinada 52 4.3 SISTEMASDEANCORAGEM(Atracao/Posicionamento/Fixao) 52 4.3.1 AncoragemcomPontonico(SPM) 53 4.3.2 AmarraocomTurret(Torre) 54 4.3.3 SistemaCALM(CatenaryAnchorLegMoorings) 55 4.3.4 SistemaSALM(SingleAnchorLegMooring) 56 4.3.5 AmarraocomQuadrodeAncoragem(SMSpreadMooring) 57 4.3.5.1 SistemaDICAS(DifferentiatedComplianceAnchoringSystem) 58 4.4 COMPOSIODASLINHASDEANCORAGEM 59 4.5 FUNDAOOFFSHORE 59 4.5.1 FUNDAESPROFUNDAS 62 4.5.2 FUNDAESRASAS 64 4.5.2.1 EstacasdeSuco 64 4.5.3 NCORAS 66 5. SMULADEANCORAGEMPORTIPODEUNIDADE 71 6. REFERNCIASBIBLIOGRFICAS 73

CURSODEMESTRADODOPROGRAMADEENGENHARIACIVILUFRJ/COPPE 3 TrabalhodeOffshoreIANCORAGEMEFUNDAOOFFSHOR LISTADEFIGURAS Figura1:Tiposdeplataformasempregadasemguasprofundas[3]. ........................................................7 Figura2:TiposeEvoluoquantitativadeSistemasFlutuantesnomundo[3]...........................................8 Figura4:Principaistiposdeestruturasemusocomcapacidadesdeproduoeperfurao[3]. ............11 Figura6Plataformasfixasdeaoemlminadguamaiorque310m[2].................................................12 Figura7OndasePlataformasFixasnoMardoNorte .............................................................................13 Figura8IlustraodePlataformaFixadotipoJaqueta...........................................................................13 Figura9PlataformasAutoElevatrias(Jackups)[10]. ...........................................................................14 Figura10PlataformaautoElevatria/JackUp......................................................................................15 Figura11:Plataformasdegravidadeemconcreto[9]. ..............................................................................16 Figura12:PlataformaPUB3,CampodeUbarana,RN,Brasil ....................................................................17 Figura13PlataformaemconcretoprotendidoTrollA............................................................................17 Figura14PlataformadeGravidadeemAo............................................................................................18 Figura15TowinlargeMaureenPlatform[8].........................................................................................18 Figura16:MaureenGravityPlatform31mShallowWater[8]................................................................19 Figura17PlataformadeHiberniaAtlnticoNorte. ..............................................................................20 Figura18RebocadorlaaIcebergcomcaboflutuanteparamudaratrajetriadedeslocamentoda montanhadegelo. .....................................................................................................................................20 Figura21PlataformasFixasdeproduoemmardegelo[9]/[10]/[24].............................................21 Figura22Plataformatorrecomplacente[11]. ........................................................................................22 Figura23TorresComplacentes. ..............................................................................................................23 Figura24PlataformaSemiSubmersvelP52. ........................................................................................25 Figura25ImagenseDesenhoesquemticodeumaplataformaSemiSubmersvel...............................26 Figura26ThunderHorse,daBritishPetroleum,com59.500toneladassobreoDockwiseBlueMarlim. 27 Figura27PlataformaSemiSubmersvelThunderHorse,daBritishPetroleum,amaiordomundo.Na fotosendotransportadapeloDockwiseBlueMarlim,niconomundocomcapacidadeparaisso..........27 Figura28Ilustraodasunidadesdeperfuraomveis. ......................................................................28 Figura29PlataformaTLP[1]. ...................................................................................................................29 Figura30DocwiseTransportandoTLP. ...................................................................................................30 Figura31MorpethSeaStarTLPSobreBalsadeLanamento(LaunchingBarge). .................................30 Figura32MorpethSeaStarTLPhullInstalaodocasco. ......................................................................31 Figura33MorpethSeaStarTLPInstalaodoConvs. .........................................................................31 Figura34MorpethSeaStarTLPmontadaemoperao........................................................................32 Figura35MorpethSeaStarTLPDesenhoartstico. ...............................................................................32 Figura36TLPsInstalaesdesde1984a2009MaiorProfundidade1.425mem2005[3]. ..............33 Figura37TLPExtendidaConcepodaTLPinstaladaemmaiorprofundidadeatoanode2009[13]..34 Figura38CaractersticastpicasdeumaSparBuoy[13].........................................................................35 Figura39IlustraodecomponentestpicosemPlataformaSPAR[3]...................................................36 Figura40Plataformasparbuoy[5]e[14]................................................................................................37

CURSODEMESTRADODOPROGRAMADEENGENHARIACIVILUFRJ/COPPE 4 TrabalhodeOffshoreIANCORAGEMEFUNDAOOFFSHOR Figura41FreqnciaNaturaldeRespostainduzidaporPerododeOnda[13]. ....................................37 Figura42TransportedeSparsBuoyssobreconvsdeembarcaoDocwise. .......................................38 Figura43ImagemdeIamentodeSparBuoy .........................................................................................38 Figura44ReboquedocascodaGnesisSparBuoyparainstalao[15]................................................39 Figura45CascodaSparBuoyGnesisnalocaodeInstalaoparaverticalizao. ............................39 Figura46VerticalizaodoCascodaSparBuoyGnesisporlastreamento. ..........................................39 Figura47CascodaSparBuoyGnesisVerticalizadanalocao..............................................................40 Figura48PosicionamentodoCascodaSparBuoyGnesisnalocaofinal...........................................40 Figura49SeqncialdeinstalaodeumaSparBuoy. ...........................................................................41 Figura50ConvsdaPlataformaSparBuoyGnesisinstaladosobreocasco............................................41 Figura51EvoluodasPlataformasdotipoSPARerecordemundialemPerdidoGoMUSA[3]......42 Figura52GolfodoMxicoeMalsiaPlataformasdotipoSPARinstaladas[3]. ..................................43 Figura53IlustraodosprincipaisSistemasFlutuantesdeproduoearmazenamento[17]. .............44 Figura54SistemasFlutuantes. ...............................................................................................................45 Figura55PlataformaFPSOP50PETROBRAS[18]..................................................................................46 Figura56DatasmemorveisdaShellnadireodasguasprofundas..................................................46 Figura57Esquemticocomparativo:AncoragemConvencionalxTautleg(Girn2009) ......................49 Figure59FundaoemTLP.....................................................................................................................51 Figura60SistemadeAncoragemCombinada[20]..................................................................................52 Figura62TurretInterno. .........................................................................................................................54 Figura63AncoragemtipoCALMcomnavioamarrado(comhawser)....................................................55 Figura64AmarraoemcatenriacomYOKE. .......................................................................................55 Figura65SALMcomrisereYoke. ............................................................................................................56 Figura66SALMcomriserdecorrenteehawser......................................................................................57 Figura67SemiSubmersvelancorada. ...................................................................................................57 Figura69Ilustraodeestacainteragindocomosolo. ..........................................................................60 Figura70Ilustraogrficadecomportamentodeestacasubmetidacarregamentolateral..............61 Figura72Desenhoesquemticodeestacacravadaeestacaperfuradagrauteada. ...........................63 Figura73LanamentodeEstacatorpedo[22].........................................................................................64 Figura74Passopassodainstalaodeumaestacadesuco[23].....................................................65 Figura75Estacadesuco[2]e[23]. ........................................................................................................66 Figura76ncorasconvencionais. ............................................................................................................69 Figura77ExemplosdeVLAncoravertical[22]&(Randolphetal.,2005)............................................70

LISTADETABELAS Tabela1:Plataformasetiposdeancoragem. Tabela2:UEPseseustiposdefundao(dependedalminadgua). 21 21

CURSODEMESTRADODOPROGRAMADEENGENHARIACIVILUFRJ/COPPE 5 TrabalhodeOffshoreIANCORAGEMEFUNDAOOFFSHOR ABREVIAES CALM DEA DICAS DGP FPDSO FPS FSO FSU GP MODU P PEA SALM SEPLA SM SP SPM SS TC TLP TP UEP VIV VLA CATENARYANCHORLEGMOORING DRAGEMBEDMENTANCHORS DIFFERENTIALCOMPLIANTMOORINGSYSTEM DRIVENANDGROUTEDPILES FLOATING,PRODUCTION,DRILLING,STORAGEANDOFFLOADING FLOATINGPRODUCTIONSYSTEM FLOATING,STORAGEANDOFFLOADING FLOATINGSTORAGEUNIT GROUTEDPILES MOBILEOFFSHOREDRILLINGUNIT NCORADEPESO PLATEEMBEDMENTANCHOR SINGLEANCHORLEGMOORING SUCTIONEMBEDDEDPLATEANCHORS SPREADMOORING SUCTIONPILES SONGLEPOINTMOORING SEMISUBMERSVEL TORRECOMPLACENTE TENSIONLEGPLATFORM TORPEDPILES UNIDADEESTACIONRIADEPRODUO VIBRAOINDUZIDAPORVRTEX VERTICALLOADINGANCHORS

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1. OBJETIVOO presente trabalho tem a finalidade de apresentar os variados tipos de plataformas e sistemas offshore flutuantes da atualidade, e descrever os tipos de ancoragem em uso e fundao aplicados s unidades de perfurao e produo petrolfera, tendo como alvo a consolidao de conhecimento obtido em sala de aula e a obteno proporcional do grau final da avaliao da disciplina Anlise de Estruturas OFFSHORE I.

2. INTRODUOASISTEMASOFFSHOREA explorao offshore de petrleo no mundo vai cada vez mais fundo. E, no Brasil , isso fato consolidado com os desafios e recordes mundiais sendo superados a todo momento pela PETROBRAS. A indstria do petrleo, no Brasil, motor de desenvolvimento para outras reas do conhecimento. fator fundamental na busca por tecnologias ainda desconhecidas. que mais se desenvolve. Alm da PETROBRAS, h muitas outras empresas que j se instalaram no pas. No desenvolvimento de suas atividades, a produo de petrleo no mar a que mais carece de novas tecnologias, mtodos cientficos, servios e mo-de-obra especializada. As estruturas empregadas no mar, para essa finalidade, so essencialmente ligadas rea da engenharia civil. Ao longo das buscas por solues as engenharias civil, naval, ocenica e mecnica vem se destacando na fundamentao e comprovao de teorias ligadas com a soluo dos problemas apresentados e no desenvolvimento de softwares que promovem a confiabilidade dos projetos a um nvel de segurana nunca visto antes. A crescente quantidade de poos produtores em ambientes com lminas dgua cada vez mais profundas vem ocasionando inmeros desafios, e nas sua solues, vem-se grandes saltos tecnolgicos gerando mais conhecimento e especializaes tcnicas de alta confiabilidade. Os sistemas offshore, como podero ser vistos adiante, e nas imagens que se sucedem ao longo deste trabalho, compreendem unidades martimas de explorao, produo e/ou armazenamento de petrleo. Eles podem ser fixos

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(no flutuante), tais como: Jaquetas; Torres Complacentes (torre estaiada; torre Gamma; torre Roseau; torre Delta), Plataformas de Gravidade, e Plataformas Auto-elevatrias; Ou flutuantes, tais como: Plataformas Semi-submersveis; Plataformas de Pernas Tensionadas (TLP), Plataformas Spar; e Navios Ancorados [1] e [2]. importante ressaltar que o incremento da produo offshore, deu-se, em sua maioria, a partir de plataformas fixas, com desenvolvimento quase que incipiente na Venezuela e depois com tcnicas j avanadas no Golfo do Mxico, da expandindo-se para o Mar do Norte, onde tecnicamente foi ampliado seu desenvolvimento, seguindo depois para frica, Brasil e sia. A descrio de cada tipo de plataforma pode ser encontrada em Chakrabarti [1987, 2005]. Ver na Error! Reference source not found. Figura 1 abaixo, uma ilustrao com os principais tipos de sistemas usados em guas profundas [3].

Figura1:Tiposdeplataformasempregadasemguasprofundas[3].

No princpio da explorao offshore, principalmente nas prospeces em guas rasas, plataformas Auto-Elevatrias e Fixas foram bastante utilizadas. No Brasil, at mesmo na Bacia de Campos, elas foram muito empregadas. Com a continuidade do avano da busca pelo petrleo em alto-mar, as severas dificuldades impostas pela crescente ampliao da lmina dgua e condies ambientais cada vez mais rigorosas e afastadas da costa, inviabilizaram a utilizao desses tipos de estrutura. Iniciou-se ento a busca por alternativas para viabilizar a continuidade exploratria e de produo, e muito embora, em outras regies do planeta, j se conhecesse a utilizao de outros sistemas, eles no eram adequados s condies brasileiras. Havia muitas adaptaes a

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se fazer para contemplar solues nos desafios de custos. Cabe observar que a busca por novos conceitos de estruturas surgiu apenas quando tornou-se imperativo valorizar reservas que encontravam-se a grandes profundidades. Muitos estudos e pesquisas no Brasil e no exterior, em busca de outros tipos de sistemas foram desenvolvidos desde ento. Sistemas complacentes, flutuantes, com outros tipos de fundao e formas de ancoragem que fossem seguros, foram projetados. partir de 1978, diversas solues tm sido empregadas em guas profundas. Globalmente, esto sendo utilizadas plataformas do tipo Spar (1997), TLP (1984), SS (1980)e FPSO (1978), entre outras (vide Figura 2) [3]. Esses sistemas (alguns deles s empregados no exterior), tornaram-se eficientes, economicamente viveis e aplicados na continuidade exploratria e de prospeco de petrleo.

Figura2:TiposeEvoluoquantitativadeSistemasFlutuantesnomundo[3].

No Brasil, a Petrobras, desenvolveu sistemas flutuantes prprios1, como citado em A NAVEGAO DE APOIO MARTIMO NO BRASIL, HISTRIA E EVOLUO, encontrado em ABEAM, 1989 [4].

Sistema flutuante de produo S.F.P foi projetado por tcnicos da PETROBRS, atravs de um processo de desenvolvimento de tecnologia prpria, para colocar em produo, a curto prazo, poos recmperfuradosouosquetmreservascompoucaspotencialidades.OS.F.Pconsistebasicamenteem umaplataformasemisubmersvelinterligadaaumnaviotanquecisternaporintermdiodesistema detubulaesflexveis,queserveparaoarmazenamentodopetrleoextradodopoo,ficandoonavio amarrado a um sistema de bias mltiplas ou monobias. Periodicamente, outro naviotanque, o aliviador,amarradocomoauxiliodosrebocadoresaoutroquadrodebiasprximodoprimeiroeo petrleo transferido tambm por tubulaes flexveis para, em seguida, ser transportado at as refinariasparaprocessamento.1

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O desenvolvimento da tcnica de produo offshore originou-se a partir de plataformas fixas, enquanto a perfurao seguia uma evoluo diferenciada, buscava facilidade para os necessrios deslocamentos aps a descoberta do petrleo. Por isso seu desafio principal era a construo de sondas martimas mveis. Aps os primeiros navios-sonda, foram instaladas sondas sobre as plataformas semi-submersveis, e a partir da desenvolveu-se velozmente a tecnologia de perfurao com posicionamento dinmico, para perfurar a grandes profundidades. Naturalmente, com o avano da explorao e produo em guas profundas (a partir de 400m / 500m) o uso de estruturas flutuantes estacionrias tornou-se cada vez mais freqente, e seu posicionamento num determinado campo durante algum tipo de operao passou a ser garantida atravs do sistema de ancoragem e da confiabilidade de projeto, atendendo obrigatoriamente s certificaes de praxe e reconhecidos rgos regulamentadores internacionais. Em termos de condio estacionria de unidades flutuantes, h, em larga escala sendo usados os chamados sistemas de posicionamento dinmico (D.P. - Dynamical Positioning) atuando principalmente nas fases de perfurao e/ou completao [5]. So descartados2 para sistemas definitivos de produo. Eles se mostram viveis economicamente apenas em certas condies ocasies muito particulares como por exemplo, quando seu uso transitrio, por tempo determinado, ou enquanto se concretiza a construo e a instalao de sistemas ancorados com pontos fixos no fundo do mar. Devido o sistema D.P. usar propulso prpria e motores robustos, de capacidade gigantesca, para manter-se sobre uma posio pr-definida (em coordenadas geogrficas prestabelecidas), eles apresentam um alto grau de consumo de combustvel, pois usam a propulso como reao s cargas de onda, vento e correnteza para manter-se posicionado dentro das tolerncias de projeto, contrabalanando o carregamento dinmico imposto embarcao. Alm disso, necessitam do auxlio de sistemas referenciais de posicionamento por satlite. Assim, o meio maisEssessistemasocasionamumgrandeconsumodeenergiaeportantoapresentamumcustomuitoalto, oquetornasuaeconomicidadeinigualvelaossistemasdeamarraoqueusamncoraseestacasna suafixaoesointerligadossunidadesflutuantesatravsdeelementoslinearespresosaospontos fixosnosoloocenico,oquelhespermitecontraporasforasambientaisqueatuamsobreasmesmas.2

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utilizado e economicamente vivel dos arranjos de posicionamento estacionrio de unidades flutuantes tem sido o sistema de fixao por ancoragem. O sistema de ancoragem usado em unidades flutuantes pode ser formado por um conjunto homogneo ou heterogneo (este mais usado em guas profundas visando minimizar o peso suspenso). O seu arranjo se faz com aproveitamento de materiais de alta resistncia, normalmente formada por amarras, cabos de ao, cabos sintticos (polister) ou uma combinao dos trs. Os sistemas combinados utilizam-se das propriedades dos materiais sintticos (compostos por polmeros de alta resistncia e empuxo adequado). Na extremidade das linhas de ancoragem so utilizadas ncoras ou estacas, e nos trechos intermedirios podem ser encontrados alguns acessrios para a conexo de segmentos de materiais diferentes. Existem vrios modelos de configurao de linhas aceitveis para a utilizao em ancoragem de estruturas offshore. De acordo com a geometria da linha, podem ser encontradas ancoragens em catenria (convencional), ancoragem tipo taut-leg e ancoragem vertical (utilizando tendes), cada uma delas se aplica a diferentes sistemas de ancoragem. O critrio de escolha do tipo de ancoragem depender principalmente do tipo da embarcao (ou plataforma), sua geometria (design e dimensional), condies ambientais do local de instalao, lmina dgua, nmero de risers, tipo de operao e custo.

3. PRINCIPAISTIPOSDEPLATAFORMASOs principais tipos de plataformas utilizadas na prospeco e/ou produo offshore e sua pertinente conceituao so resumidamente descritos a seguir. Basicamente elas se dividem em: i Fixas - Apoiadas no Fundo do Mar (Jaquetas, Auto-Elevatria, de Gravidade e do tipo Complacente); ii Flutuantes (Semi - Submersveis, Bias, Torres e Navios Ancorados). A Figura 3, ao lado e a Figura 4 a seguir, ilustra a maioria dos tipos tradicionais de plataformas fixas, complacentes e flutuantes em uso no planeta.Figura3TiposdePlataformasemusonomundo

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Figura4:Principaistiposdeestruturasemusocomcapacidadesdeproduoeperfurao[3].

3.1 PLATAFORMASFIXAS As principais plataformas fixas so classificadas como: Jaquetas de ao (Steel Jackets), Auto-elevveis (Jack-ups), de Gravidade (Gravity Platform) e Torres Complacentes (CT - Compliant Towers). Nesses sistemas3, a rvore de natal (conjunto de vlvulas que controla a produo do poo) e as unidades de processamento da produo esto posicionados na superfcie, sobre a plataforma. A isso se d o nome de completao seca. As plataformas do tipo Jaqueta e AutoElevveis foram as primeiras unidades offshore utilizadas. Observe-se que no desenvolvimento dos sistemas offshore, as plataformas de produo fixas tm merecido especial ateno por permanecerem estacionrias durante a vida produtiva do poo, ficando expostas s condies ambientais e oceanogrficas. 3.1.1 PLATAFORMASFIXASTIPOJAQUETA Esse tipo de plataformas fixa consiste em grandes estruturas metlicas que repousam sobre o subsolo marinho, feitas de ao, e compostas por estruturas modulares (jaquetas, conveses, e estacas), instaladas no local de operao e fixadas com estacas cravadas no fundo do mar. Possuem grande rigidez estrutural, e tm sido as preferidas para campos localizados em lminas dgua de at 300m.

Agrandevantagemacapacidadedeseremcompletamenteestveisatnaspiorescondiesdo mar(Furtado,1996).3

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So projetadas para receber todos os equipamentos de perfurao, estocagem de materiais, alojamento de pessoal, e todas as instalaes necessrias para a produo de petrleo. Sua freqncia natural aproxima-se da freqncia de excitao conforme profundidade. causada vai Para pelas aumentando aumentar ondas a sua

resistncia ao colapso, havia que seFigura5:PlataformadePXA1,aofundo NavioTanqueancoradoemQuadrode Bias,noCampodeXaruCE,Brasil.

investir de forma exponencial em seus custos de construo4 na tentativa de faz-las mais robustas. H quase duas

dcadas, o recorde mundial, de plataforma fixa de ao, ainda continua sendo a plataforma da Shell Oil, instalada em Bullwinkle, no Golfo do Mxico a uma profundidade de 412 metros sendo at, maio 2008, a plataforma fixa mais profunda do mundo (Figura 6). Sua instalao, ocorrida em 1991, constitui uma proeza em termos de engenharia dada a dimenso dos seus mdulos [3] e [6].

Figura6Plataformasfixasdeaoemlminadguamaiorque310m[2].

De fato, as plataformas fixas sejam elas de ao ou cimento no podiam ser utilizadas em guas profundas, por uma questo de custos crescentes. Esses tendiam a aumentar exponencialmente de acordocomaprofundidade.,nopodiamserutilizadasemguasprofundas,porumaquestodecusto crescentes[6].4

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Figura7OndasePlataformasFixasnoMardoNorte

Figura8IlustraodePlataformaFixadotipoJaqueta.

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3.1.2 PLATAFORMAAUTOELEVVEL(JACKUP) De fato so plataformas mveis, de casco flutua15nte, rebocadas at seu local de operao. Tem grandes dificuldades nos deslocamentos e no posicionamento. Possuem design triangular ou retangular, sendo dotadas de pernas retrteis capazes de ser abaixadas at o leito marinho para elevar a estrutura do casco acima do nvel mar. So consideradas fixas, quando em operao, por estarem sem flutuar e diretamente apoiada sobre o solo marinho, com seu casco acima da linha dgua. Os jacks-ups (vide Figura 9) ou plataformas auto-elevatrias foram uma verdadeira inovao da dcada de 50

Figura9PlataformasAutoElevatrias(Jackups)[10].

(George, 1994). Suas pernas so formadas por estrutura treliada ou tubular. Elas so usadas fundamentalmente para perfurao, ou para interveno de manuteno em poos em etapas necessrias para recuperao da produo tais como troca do intervalo produtivo da formao, componentes da coluna, acessrios, vlvulas.

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Essas unidades so adequadas para guas rasas. Possuem altura de perna varivel, pela justaposio das sees (acopladas mecanicamente), sendo acionadas atravs de macacos hidrulicos e sistemas de pinho-e-cremalheira.

Figura10PlataformaautoElevatria/JackUp.

Ocasionalmente so aproveitadas na produo de petrleo (em carter provisrio por tempo determinado), ou para apoio, como flotel5. Tem limite de profundidade mxima determinada pelas condies ambientais e de economicidade6. O recorde mundial em profundidade de utilizao (150m) atualmente da AP Moller Jack-up7 Drilling Rigs Noruega - construda pela Hyundai Heavy Industry em 2002 [7].

3.1.3 PLATAFORMADEGRAVIDADE(GRAVITYPLATFORM) um tipo de plataforma basicamente usada em guas rasas, cujo conceito principal como o prprio nome define a utilizao da fora de atrao gravitacional para fix-la na locao apoiando-se sobre o solo ocenico, e assegurando sua estabilidade em uma posio permanente (estacionria) sem fundaes especiais. As figuras de 11 a 17 ilustram esse tipo de plataforma.FLOTELAvesselbuiltorconvertedtoaccommodatepeopleworkingintheconstructionphasesof offshore development. The floating accommodation used as quarters for offshore personnel. uma espciedeHoteloffshore.Umaunidadeestruturadaparaserutilizadacomoalojamentoeapoio;ficavia deregraposicionadaaoladodeumajaqueta(plataformafixa),interligadaporrampa,afimdeprover serviosdeconstruo,reparos,mudanasestruturaisoumanutenoemgeral.6 5

apalavraquesintetizaostermosracionalidadeeconmicaoueconmicoracional.

AsprincipaisdimensesdesseJackupso:comprimentode102m,largurade88m,caladode8m,peso brutode26.000toneladas,comcomprimentodaspernasdesustentaode205mecapacidadede operarnoMardoNorte,emlminadguade150m,comcargascombinadasdecorrentezade2ns, alturadeondade29m,eventosde95ns,comairgapde25m.

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Podem ser de concreto armado e/ou protendido (essas alcanam maiores profundidades chegando aos limites de 400 metros). Em seu interior encontram-se uma composio de clulas estanques perifricas

Figura11:Plataformasdegravidadeemconcreto[9].

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que servem para equilbrio de peso (lastro), possuindo um conjunto de clulas centrais, intercomunicadas, que so utilizadas para armazenamento de petrleo.

Figura12:PlataformaPUB3,CampodeUbarana,RN,Brasil8

So submersveis e tambm podem ser em ao. So rebocadas flutuando at o local de instalao, onde so submergidas e posicionadas por meio de lastro.

Figura13PlataformaemconcretoprotendidoTrollA

No Brasil existem apenas trs plataformas do tipo gravidade. Todas localizadas no estado do Rio Grande do Norte, sendo duas no Campo de Ubarana e outra no Campo de Agulha. So feitas em concretoprotendidoesituamseemlminadguarasa,emtornodos13a20metrosdeprofundidade.8

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Figura14PlataformadeGravidadeemAo.

Os principais carregamentos que atuam sobre essas estruturas so provenientes de cargas ambientais e de seu peso prprio. As dificuldades de explotao offshore sempre levam a solues particulares, de carter especfico e, individualizado, como por exemplo a encontrada para o campo de Hibernia9, no Canad, que foi descoberto em 1979, e fica a 315 quilmetros de St. John's, em Terra Nova, no Atlntico Norte. Levou-se 18 anos para a primeira produo de petrleo que ocorreu no fim de 1997. Suas instalaes de produo compreendem uma plataforma fixa de produo GBS (Gravity Base Structure Estrutura Mantida por Gravidade) e topsides para perfurao e produo. Espera-se que a vida til do campo seja de apenas 20 anos, com produo mdia de 29 a 35 mil metros cbicos de petrleo por dia. Est instalada em lmina dgua de 80m e pesa 600 mil toneladas (ver Figura 17).

Figura15TowinlargeMaureenPlatform[8].

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VerHibernia:http://www.ic.gc.ca/eic/site/ogtipg.nsf/eng/dk00122.html.

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Figura16:MaureenGravityPlatform31mShallowWater[8].

A GBS (Gravity Base Structure) a primeira de seu tipo, com uma parede de concreto de 15 metros de espessura que a protege contra icebergs e gelo do mar. A plataforma foi projetada para resistir ao impacto de um iceberg de seis milhes de toneladas; o que, conforme as estatsticas, ocorre uma vez a cada 10 mil anos.. Perfurao de desenvolvimento realizada nesse campo (poo Hibernia B-16 36), atingiu a profundidade de 9.356,6 metros, tornando-se um dos poos de maior afastamento lateral do mundo.

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Figura17PlataformadeHiberniaAtlnticoNorte.

Figura18RebocadorlaaIcebergcomcaboflutuanteparamudaratrajetriadedeslocamentoda montanhadegelo.

Um mar de gelo, afora os glidos ventos,

Figura 20 Navio petroleiro transportando petrleo nas guas geladas do Campo de HibernianoAtlnticoNorte.

Figura 19 Cpsula de transferncia dos trabalhadore entre a plataforma e o convs da embarcao de apoio suprimentonoCampodeHiberniaCanad.

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ondas e correntezas marinhas, e a constante neblina ao redor da Plataforma de Hibernia um desafio inflexvel a se enfrentar na superao genuna das hostis condies ambientais10. Os desafios nas intervenes offshore encontram sempre as melhores e mais seguras solues para os problemas operacionais, continuamente aportando recursos tcnicos e de gesto para a confiabilidade dos sistemas produtivos e do pessoal envolvido no processo. A Gesto Estratgica da Confiabilidade e de Segurana nos Projetos de Instalaes Offshore fundamental para evitar os possveis danos ambientais e conseqentes colapso na explotao.

Figura21PlataformasFixasdeproduoemmardegelo[9]/[10]/[24].

3.1.4 TORRECOMPLACENTE A plataforma do tipo de torre complacente (Compliant Piled Tower CPT), conforme mostrada, a seguir (Figura 22), consiste, essencialmente, de uma torre estreita e flexvel fixada a uma fundao com pilares capazes de suportar uma superestrutura convencional para operaes de perfurao e produo. Geralmente, so utilizadas em lminas dgua entre 300 e 600 metros e possui capacidade de suportar grandes esforos laterais, graas possibilidade de oscilar lateralmente.10

AsFiguras20e21ilustramascondieshostisdomeioambiente.

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BaldpateGoMFigura22Plataformatorrecomplacente[11].

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Figura23TorresComplacentes.

Elas podem apresentar um sistema auxiliar de ancoragem (estais) permitindolhes que possua pequenos movimentos na superfcie. Se mantm na posio vertical atravs desses estais, ligados a pesos submersos apoiados no solo marinho. Sua estrutura dispe de cmaras de flutuao que associadas ao sistema de estaqueamento possibilitam reduzir o sobrepeso dos suportes de apoio fixados no leito ocenico, e possuem uma arquitetura relativamente flexvel e muito esbelta. As estruturas complacentes caracterizam-se por apresentar grandes deslocamentos no plano horizontal sob a ao das cargas ambientais e que so absorvidos sem danos. Se houver tormenta no mar, seus estais11 so elevados visando dar maior flexibilidade a estrutura metlica. Este tipo de plataforma comporta-se como pndulo invertido, sendo conectada em solo marinho por meio de apoios rotulados, e verticalmente sustentadas por flutuador. Torres complacentes so estruturas de base metlica com largura de base prxima de topo permitindo assim que atinjam profundidades de at 600 m devido a um menor peso de sua estrutura.Linhasquepodemserrepetidamente"afrouxadas"duranteasoscilaes,oqueresultanuma descontinuidadedarigidezdosistema,promovendoasdeflexesdentrodoslimitesdetolerncia.11

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3.2 PLATAFORMASFLUTUANTESOs sistemas flutuantes empregados na indstria do petrleo, tem por definio conceitual alta estabilidade, elevada envergadura e grande porte, suportando altos carregamentos promovidos pelas foras ambientais, alm de ter grande competncia de carga e de movimentao. So unidades martimas muito estveis, com capacidade suficiente para manter-se na superfcie lquida, em arranjo pr-definido, sem avariar s demais instalaes de fundo. Assim, o seu apoio se d ao nvel do mar e para manter-se em posio necessita ser preso ao fundo atravs de ancoragem. As plataformas flutuantes possuem alto grau de liberdade e sofrem constante movimentaes devido ao das ondas, correntes e ventos, com possibilidade de comprometer os equipamentos instalados abaixo do nvel do mar, no leito marinho e em sub-superfcie. Por isso, torna-se necessrio que ela fique posicionada na superfcie do mar, dentro de um crculo com raio de tolerncia ditado pelos equipamentos de sub-superfcie. So, em sua maioria, consideradas meios navais, e diferentemente das plataformas fixas, so capazes de apresentar grande flexibilidade de movimento entre a superfcie do mar e o leito marinho, alm de poder ser, com pequenas alteraes, deslocadas para atender outras reas de explotao. As unidades flutuantes so grandiosas estruturas com capacidade para produzir, processar e/ou armazenar petrleo e gs natural, ficando fundeadas em um local peremptrio. Em seus conveses, so instaladas plantas de processamento para separar e tratar os fluidos de produo. Depois de separado da gua e do gs, o petrleo produzido pode ser armazenado nos seus tanques e/ou transferido para terra atravs de navios aliviadores ou oleodutos. O gs comprimido e enviado para terra atravs de gasodutos e/ou reinjetado no reservatrio. As principais plataformas flutuantes empregadas na atualidade so as Semi Submersveis (SS Semi Submersible Platforms), Bias Cilndricas (SPAR Buoys), Plataformas de Pernas Atirantadas (TLP - Tension Leg Platform) e Navios (FPS Floating Production Systems).

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3.2.1 SEMISUBMERSVEL(SS)As Plataformas Semi-Submersveis so compostas por estruturas emersas (conveses) que por meio de colunas se apiam em cascos submersos, chamados de flutuadores. Sendo estes e parte das colunas que do flutuabilidade ao todo. Tais flutuadores so tambm denominados pontoons, oferecendo a possibilidade de lastro e flutuabilidade. Estas unidades flutuantes tem a superestrutura interligada ao conjunto de flutuadores que ficam logo abaixo da superfcie do mar. A P-52 na Figura 24 abaixo, do tipo Plataforma Semi-Submersvel. Ela pode realizar operaes de produo de hidrocarbonetos, processamento e offloading (transferncia do leo), mas no de armazenagem. No possui limites operacionais de profundidade, pois flutua na superfcie e sua fixao ao fundo do mar se d por meio de ancoragem em forma de catenrias que produzem esforos capazes de restaurar a posio do flutuante quando alterada pela ao dinmica das cargas ambientais. O que limita sua ao so as cargas provenientes dos sistemas de escoamento da produo associadas com a sua estabilidade e condies operacionais relativas s foras de ondas, correntes e ventos. Uma unidade flutuante sofre movimentaes devido ao das ondas, correntes e ventos, com possibilidade de danificar os equipamentos que ficam abaixo da superfcie, instalados no fundo do mar. Por isso, torna-se necessrio que ela fique posicionada na superfcie do mar, numa rea alvo pr-determinada, com raio de tolerncia ditado pelos equipamentos de sub-superfcie.

Figura24PlataformaSemiSubmersvelP52.

CURSODEMESTRADODOPROGRAMADEENGENHARIACIVILUFRJ/COPPE 26 TrabalhodeOffshoreIANCORAGEMEFUNDAOOFFSHOR As semi-sub so plataformas flutuantes que podem ser utilizadas na produo, completao ou perfurao.

Figura25ImagenseDesenhoesquemticodeumaplataformaSemiSubmersvel.

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Figura26ThunderHorse,daBritishPetroleum,com59.500toneladassobreoDockwiseBlueMarlim.

Figura27PlataformaSemiSubmersvelThunderHorse,daBritishPetroleum,amaiordomundo.Na fotosendotransportadapeloDockwiseBlueMarlim,niconomundocomcapacidadeparaisso.

CURSODEMESTRADODOPROGRAMADEENGENHARIACIVILUFRJ/COPPE 28 TrabalhodeOffshoreIANCORAGEMEFUNDAOOFFSHOR As plataformas de semi-submersveis podem empregadas operaes somente de na perfurao da so

geralmente denominadas de MODUs - Mobile Offshore Drilling Units (Furtado, 1996). Alm perfurar, realizar avaliao produo, processamento e transferncia do leo, mas no de armazenagem. So semelhantes as de produo. Possuem sistema de ancoragem clssico ou usam posicionamento dinmico que no tem ligao fsica com o fundo do mar, exceto pelos equipamentos de perfurao (Furtado, 1996). Entretanto a plataforma de perfurao fica estacionria numa localizao por um perodo determinado (vila, 2005).

Figura28Ilustraodasunidadesdeperfuraomveis.

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3.2.2 TLPTensionLegPlatformPlataforma de pernas atirantadas (Tension-Leg Plataform - TLP) - so unidades flutuantes utilizadas para a produo de petrleo, muito semelhante s semisubmersveis, sendo que a sua ancoragem ao fundo mar diferente: as TLPs so ancoradas por trao dos tirantes, estruturas tubulares e cabos especiais, com os tendes fixados ao fundo do mar por estacas e mantidos esticados pelo excesso de flutuao da plataforma, o que reduz drasticamente os movimentos da mesma. Esta trao deve ser mantida ao longo de todo seu comprimento a fim de evitar a desconexo no solo marinho e/ou a flambagem dos tendes. As operaes de perfurao, completao e produo das TLPs so semelhantes s executadas em plataformas fixas, permitindo a completao seca, ou seja, o controle e a interveno nos poos so realizados na prpria plataforma e no no fundo do mar. O conceito de TLP tem demonstrado ser incontestvel para variadas condies climticas e tm sido utilizado em lminas dgua de at 1500 m (STORHAUG et al, 2002).

Instalaoespecialsemiamento desenvolvidopelaAtlantiaOffshore Limited[12]. Figura29PlataformaTLP[1].

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Figura30DocwiseTransportandoTLP.

Figura31MorpethSeaStarTLPSobreBalsadeLanamento(LaunchingBarge).

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Figura32MorpethSeaStarTLPhullInstalaodocasco.

Figura33MorpethSeaStarTLPInstalaodoConvs.

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Figura34MorpethSeaStarTLPmontadaemoperao.

Figura35MorpethSeaStarTLPDesenhoartstico.

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Figura36TLPsInstalaesdesde1984a2009MaiorProfundidade1.425mem2005[3].

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Figura37TLPExtendidaConcepodaTLPinstaladaemmaiorprofundidadeatoanode2009[13].

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3.2.3 SPARBOUY(BiaCilndrica) So plataformas flutuantes que incorporaram o conceito de bias cilndricas operando verticalmente. apoiada sobre um nico cilindro vertical metlico de grande dimetro, ancorado e operando com calado de profundidade constante e aproximadamente 200m, gerando assim principalmente movimentos verticais. Neste cilindro instalado supressores de vrtices com o intuito de reduzir o fenmeno VIV. Suas principais peculiaridades podem ser vistas abaixo (Figura 38 e 39).

Figura38CaractersticastpicasdeumaSparBuoy[13].

Sua estrutura suporta risers rgidos e sistemas de completao seca, pois sofre exclusivamente movimentos verticais. Na Figura 40 encontram-se os trs principais tipos de Spar. Este tipo de plataforma flutuante possui estrutura com casco cilndrico cuja altura muito maior que seu dimetro, sendo as mesmas fechadas ou treliadas e ancoradas por sistemas de amarrao convencionais.

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Figura39IlustraodecomponentestpicosemPlataformaSPAR[3].

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Figura40Plataformasparbuoy[5]e[14].

A caracterstica fundamental deste tipo de plataforma o baixo movimento vertical de heave. Tm tambm a capacidade de armazenar grandes volumes de leo e pode ser instalada em profundidades de at 1700 m. Uma das principais diferenas entre uma Spar-Buoy e uma TLP que na primeira o sistema de risers rgidos verticais de produo no transmite carga vertical plataforma, enquanto que na segunda um sistema de tensionamento transmite totalmente a carga para o convs de produo [RIBEIRO, 1999]. Como ilustrado na Figura 41 abaixo, as respostas relativas dos trs tipos de casco variam consideravelmente. Em todos os casos o objetivo minimizar a resposta das cargas ambientais e reduzir os movimentos dinmicos que podem gerar tenses excessivas nas linhas de risers e de ancoragem, levando-as ruptura.

Figura41FreqnciaNaturaldeRespostainduzidaporPerododeOnda[13].

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Figura42TransportedeSparsBuoyssobreconvsdeembarcaoDocwise.

Figura43ImagemdeIamentodeSparBuoy

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Figura44ReboquedocascodaGnesisSparBuoyparainstalao[15].

Figura45CascodaSparBuoyGnesisnalocaodeInstalaoparaverticalizao.

Figura46VerticalizaodoCascodaSparBuoyGnesisporlastreamento.

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Figura47CascodaSparBuoyGnesisVerticalizadanalocao.

Figura48PosicionamentodoCascodaSparBuoyGnesisnalocaofinal.

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Figura49SeqncialdeinstalaodeumaSparBuoy.

Figura50ConvsdaPlataformaSparBuoyGnesisinstaladosobreocasco.

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Figura51EvoluodasPlataformasdotipoSPARerecordemundialemPerdidoGoMUSA[3].

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Figura52GolfodoMxicoeMalsiaPlataformasdotipoSPARinstaladas[3].

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3.2.4 FPSO Floating Production Storage and Offloading System (Sistema FlutuantedeProduo,ArmazenamentoeTransferncia) Os FPSOs so considerados pelas grandes companhias operadoras como os sistemas que apresentam os melhores custos e opes para o desenvolvimento de campos produtores em guas profundas (Frazer, 1995). Consistem em uma unidade estacionria de produo que utiliza um navio ancorado, o qual suporta no seu convs uma planta de processo, facilidades e mdulos especiais de alojamento e de gerao de energia, com tancagem para armazenamento do leo produzido, e outras utilidades como potentes bombas de transferncia, que permitem o escoamento da produo para outro navio, chamado aliviador, o qual periodicamente, vem para receber e transportar o leo armazenado at os terminais petrolferos. So plataformas proveniente da transformao de navios petroleiros modificados, ou novos, originalmente construdos com a especfica finalidade de produzir, processar, armazenar e transferir petrleo.

Figura53IlustraodosprincipaisSistemasFlutuantesdeproduoearmazenamento[17].

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Tem-se descoberto nesse conceito de plataforma uma grande versatilidade e economia, pois instalada em campos localizados muito distantes da costa e em guas ultra-profundas. Por serem unidades navais, com caractersticas nuticas prprias de navios de grande porte, tm razovel independncia quanto s necessidades bsicas de logstica e bem-estar. Apresentam grande capacidade de armazenamento de combustvel, gua, e rancho, oferecendo conforto e proporcionando incondicional autonomia por extenso perodo.

Figura54SistemasFlutuantes.

Variao na nomenclatura diferentes terminologias classificam-nos de acordo com a operao que realizam. Sendo as principais: FPSO (sistema de produo flutuante, cuja denominao pode aplicar-se a uma plataforma semi-submersvel). FPDSO - FLOATING, PRODUCTION, DRILLING, STORAGE and OFFLOADING (plataforma flutuante de produo de petrleo e gs, perfurao, armazenagem e transbordo da produo). Esta descrio aplica-se tambm ao FPSO, exceto quanto perfurao (drilling). FSU (so unidades flutuantes de armazenamento). FSO - FLOATING, STORAGE and OFFLOADING (armazena e promove o transbordo da produo) Plataforma flutuante cuja nica diferena quando comparada ao FPSO no produzir hidrocarbonetos, s os armazena e promove seu transbordo (transferncia para navios aliviadores ou dutos). FPS Floating Production System (Sistema de produo flutuante) Esta denominao pode aplicar-se a uma plataforma semi-submersvel

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Figura55PlataformaFPSOP50PETROBRAS[18].

4. ANCORAGEMOFFSHORENa explotao offshore, os mltiplos sistemas flutuantes apresentam diversas configuraes de amarrao variando de acordo com os fundamentos do projeto, cujo critrio para escolha final da ancoragem depender principalmente do tipo da embarcao, da locao (lmina dgua, caractersticas do solo, e cargas ambientais), do nmero de risers, tipo de operao e custo. Na Figura 56, abaixo, se v esquematicamente os marcos de progresso e tipos de unidades de explotao vinculadas profundidade em que so empregadas.

Figura56DatasmemorveisdaShellnadireodasguasprofundas.

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4.1 FundamentossobreTiposdeAncoragem O preceito fundamental de ancoragem usada em sistemas flutuantes origina-se no princpio complacente. Esse configurao suporta esforos de carregamentos ambientais oferecendo resistncia atravs da deformao elstica dos seus componentes que apresentam como conseqncia a ativao de foras de reao. Esse mecanismo funciona como molas onde o deslocamento do meio flutuante induzido pelas cargas ambientais, desde uma posio neutra, em equilbrio, restabelecida ao ponto de origem pelas foras de reao que se opem ao carregamento aplicado, restaurando o equilbrio. As foras restauradoras decorrentes do efeito mola das linhas de ancoragem resultam de dois mecanismos: o efeito da catenria suspensa devido a fora de gravidade que age verticalmente em cada linha de ancoragem; e o efeito elstico que deriva do aumento na extenso do comprimento da linha causado pelo alongamento da mesma, instigado pelo carregamento axial. Destarte, sistemas de ancoragem so qualificados em funo desses mecanismos: configurao catenria e configurao esticada (taut-leg). Determina-se a configurao catenria por formulaes padres que relacionam os seguintes parmetros: peso submerso da linha suspensa, carga horizontal de ancoragem, tenso e ngulo de sada da linha no fairlead (guiacabo). A complacncia do sistema para permitir movimentos induzidos pelas ondas assegurada pela combinao de alteraes geomtricas e elasticidade axial das linhas. As grandes mudanas geomtricas em configurao catenria fazem esse sistema sujeitar-se a efeitos dinmicos significativos devido cargas de arraste transversais. O arranjo das linhas de ancoragem nos sistemas de configurao catenria geralmente composto por cabos de ao e segmentos de amarras. Cabe ressaltar que, para obter-se as configuraes desejadas, muitas vezes, se faz necessrio o uso de bias e pesos concentrados, distribudos em pontos predeterminados da configurao. Na conservao das plataformas flutuantes em suas locaes de projeto podem ser utilizados os sistemas de ancoragem apresentados acima. Cada um destes sistemas pode empregar

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diferentes tipos de elementos de fundao para servir como ponto fixo de ancoragem. Quando as linhas de ancoragem apresentam-se sob a configurao de catenria livre, elas transmitem ao sistema de fundao, basicamente, cargas horizontais. Isso um ponto decisivo, pois flexibiliza a escolha do tipo apropriado de elemento de fundao, o qual deve ser capaz de suportar esforos laterais. Nesses casos, porm, o raio de ancoragem requerido , de aproximadamente, trs vezes a profundidade da lmina dgua local, criando, em guas profundas, grandes dificuldades na aplicao da configurao catenria, causadas pelo aumento do peso das linhas de ancoragem, e tambm, por problemas de instalao - quando em locais congestionados locaes com vrias plataformas e/ou instalaes submersas muito prximas, que podem interferir no posicionamento das mesmas. A configurao em taut minimiza as inconvenincias mencionadas do sistema catenria, e foi criada durante o movimento exploratrio decorrente da busca por petrleo em guas profundas e ultra-profundas.

4.2 TiposdeAncoragemOffshore De acordo com a geometria da linha, podem ser encontradas ancoragens em catenria (convencional), ancoragem tipo taut (esticada), ancoragem vertical (utilizando tendes), e ancoragem combinada (utiliza variados componentes e artefatos). Todo os tipos aludem a uma conformao mista de propsitos e reaes diferenciadas. Cada um tipo tem suas vantagens e desvantagens de aplicao nos diversos sistemas offshore.

4.2.1 AncoragememCatenria Ancoragem em catenria um procedimento convencional utilizado para amarrao de unidades flutuantes, com a prerrogativa de permitir maiores passeios do meio-flutuante sem a necessidade do uso de ncoras com alto poder de penetrao e garra. Isto uma vantagem econmica, e decorre do fato deste tipo de fundeio possuir um raio de ancoragem muito grande, alm de elevada frico do trecho de linha arrastando-se pelo fundo (gerando atrito)

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que j absorve parte dos esforos requeridos pelo carregamento ambiental, sem chegar a solicitar a reao das ncoras, considerando-se as condies normais de operao. A principal desvantagem do uso de ancoragem em catenria a interferncia com equipamentos submarinos existentes na locao ou mesmo aquelas proporcionadas por congestionamentos quando nas proximidades de unidades ou instalaes vizinhas que podero sofrer danos causados pelas linhas de ancoragem, durante as operaes de posicionamento junto essas instalaes.

4.2.2 AncoragemTautLeg(Esticada) um tipo de fundeio que tem o propsito de contornar as desvantagens da ancoragem em catenria. Neste tipo de ancoragem, a linha se encontra mais retesada, com um ngulo de topo em torno de 40 a 45 com a vertical, tendo assim uma projeo horizontal bem menor, configurando um menor comprimento da linha de ancoragem, proporcionando uma maior rigidez ao sistema, diminuindo o passeio da embarcao e limitando os offsets (desvios de posio prefixada). Neste caso, as ncoras a serem utilizadas precisam resistir a altas cargas verticais.

Figura57Esquemticocomparativo:AncoragemConvencionalxTautleg(Girn2009)

Na configurao Taut-leg, as linhas de ancoragem so conectadas pontos de fixao no solo ocenico, de forma que o raio de ancoragem torna-se

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praticamente igual ao da lmina dgua, e portanto, muito menor que o das configuraes em catenria. Assumem inclinaes de cerca de 40 a 45 (Ehlers et al., 2004), podendo, ainda, ter implementado o uso de materiais sintticos avanados - como fibras de polister (Huang et al., 1998) o que reduz consideravelmente o peso do sistema de ancoragem. A Figura 58 abaixo, compara um sistema de amarrao convencional em catenria com o sistema em taut (esticado). Como conseqncia desses grandes ngulos de inclinao, as ancoragens feitas atravs do sistema taut transmitem grandes carregamentos verticais

Figura58IlustraocomparativaCatenriaxTaut[19].

fundao, de tal forma que o projeto governado pela capacidade de resistncia carga de arrancamento na direo axial, diferentemente do caso da catenria, em que a capacidade de carga lateral prevalece. Portanto, deve ser bastante acurada a seleo nos tipos de elementos de fundao capacitando-os a resistirem s componentes verticais das cargas transmitidas

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pelas linhas de ancoragem. Ambos os sistemas acima descritos, tem comportamento diferenciado em relao ao sistema de ancoragem vertical.

4.2.3 AncoragemVertical Este tipo de ancoragem baseia-se na utilizao de tendes verticais, que precisam estar sempre tracionados pelo empuxo proveniente da parte submersa da embarcao. Nesse sistema a fora do empuxo na unidade flutuante muito maior que o seu peso. Seu fundamento a constante trao promovida pelo excesso de empuxo fornecido pelo casco. usado principalmente em plataformas tipo TLP (Tension Leg Plataform), sendo tambm adotado para bias e monobias, entre outras aplicaes. Os tendes podem ser tubulares, de cabo de ao ou de material sinttico, proporcionando alta rigidez no plano vertical e baixa rigidez no plano horizontal. A fora de restaurao no plano horizontal fornecida pela componente horizontal da fora de trao nos tendes. Para tendes de pequenos dimetros (cerca de 25 cm), os efeitos de flexo podem ser desprezados enquanto para grandes dimetros (cerca de 1.00 m) os efeitos de flexo devem ser considerados.

Figure59FundaoemTLP.

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4.2.4 AncoragemCombinada Trata-se de uma proposta de ancoragem que fundamenta-se na utilizao de um sistema complacente de amarrao formado por uma unidade flutuante com coluna dgua oscilatria, bias auxiliares cilndricas com sistema de ancoragem vertical, linha de ancoragem composta por amarras e polister, e ncoras de reao vertical como mostrado na Figura 60 abaixo.

Figura60SistemadeAncoragemCombinada[20].

4.3 SISTEMASDEANCORAGEM(Atracao/Posicionamento/Fixao) Conceitualmente os sistemas de ancoragem offshore utilizados em estruturas flutuantes compe-se de trs tipos principais: amarrao em ponto nico SPM (Single Point Mooring), amarrao com quadro de ancoragem SM (Spread Mooring) e o posicionamento dinmico (DP - Dynamical Positioning) - este no apresenta interesse particular para esse trabalho pois no possue fundao, isto no tem ligao com o solo ocenico. caracterizado como sistema ancoragem ativa porque pressupe que a unidade flutuante est equipada com um sistema de posicionamento diligente que atua instantaneamente por meio dos propulsores principais, impelidores de vante, de r, azimutais ou qualquer

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outro tipo de aparato que desenvolva empuxo no plano horizontal, e assim a embarcao pode ser mantida em posio fixa numa determinada locao. Exceto nos sistemas Spread Mooring (SM), Multi Buoy Mooring (MBM), Jetty Mooring, ponto. em todos os outros, que a as amarrao do navio se d em um nico Importante registrar estruturas flutuantes desenvolvem

movimentos nos seis graus de liberdade com relao ao referencial fixo ao corpo: trs rotaes, tipos rolo ou balano (roll),Figura61Grausdeliberdadedeuma embarcao.

nutao ou caturro (pitch) e os desvios de

rumo, guinada, precesso, giro ou cabeceio (yaw), e trs translaes, tipos avano ou descaimento (surge), afastamento, deriva ou abatimento (sway) e afundamento ou arfagem (heave), conforme mostra o desenho acima. Destes seis movimentos apenas o heave, o roll e o pitch possuem restaurao ao estado inicial ante perturbao externa, devido caractersticas prprias do casco. Os outros trs depende de elementos externos. Nas ltimas trs dcadas, vrios tipos e configuraes de sistemas de ancoragem passivos vm sendo usados. Alguns deles so usados em guas rasas; enquanto outros so mais indicados para guas profundas. Todos possuem nomenclatura12 especfica.

4.3.1 AncoragemcomPontonico(SPM) A ancoragem SPM mais freqentemente utilizada por navios petroleiros convertidos em FSOs (Floating Storage and Offloading Units) ou FPSOs (Floating Production, Storage and Offloading Units). Estes sistemas permitem que a embarcao se alinhe com os carregamentos de ordem ambiental, minimizando esforos sobre o casco da unidade flutuante. Com essaSingle Buoy Storage (SBS); Single Anchor Leg Storage (SALS); Single Anchor Leg Mooring Rigid Arm (SALMRA); Soft Yoke System; Catenary Anchor Rigid Arm Mooring (CALRAM); Turret Mooring; Differential Complacent Anchor System (DICAS); Riser Turret Mooring (RTM); Buoy Turret Mooring (BTM); Catenary Anchor Leg Mooring (CALM); Single Anchor Leg Moorin (SALM:); Articulated Loading Platform (ALP); Spread Mooring (SM); Multi Buoy Mooring (MBM); Jetty Mooring;12

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concepo a estrutura flutuante capaz de adequar-se condio ambiental, girando em relao ao ponto de ancoragem. A principal caracterstica de sistemas deste tipo que quando exposto onda, vento e correnteza, a unidade assume uma posio de equilbrio com uma carga mnima sobre o sistema de ancoragem (weathervane). Existem vrios tipos de ancoragem em um nico ponto, sendo subdivididos basicamente em trs classes: ancoragem com Turret, CALM (Catenary Anchor Leg Mooring) e SALM (Single Anchor Leg Mooring).

4.3.2 AmarraocomTurret(Torre) No sistema de ancoragem com turret todas as linhas de ancoragem e risers so presas no turret que necessariamente faz parte da estrutura a ser ancorada. O turret consente que a embarcao gire livremente, por meio de um complexo suvel, permitindo volta completa de 360 em torno dos risers e das linhas. Pode ser montado interno ou externamente embarcao.

Figura62TurretInterno.

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4.3.3 SistemaCALM(CatenaryAnchorLegMoorings) O sistema CALM consiste numa bia de grandes dimenses que suporta um nmero de linhas de ancoragem em catenria. Os risers so presos na parte de baixo da bia CALM e utilizam cabos sintticos (polmeros) para fazer a amarrao entre a bia e o navio. Este sistema limitado em sua capacidade de resistir s condies ambientais, pois quando a reao da bia, sob influncia da onda e cargas ambientais, for totalmente diferente da resposta do navio (e as condies do mar alcanarem certa magnitude), tornar-se- imperativo suspender as operaes em curso e desconectar o navio da bia.

Figura63AncoragemtipoCALMcomnavioamarrado(comhawser).

Para evitar essa limitao, podem ser empregadas forquilhas (yoke), um acoplamento estrutural rgido com articulaes, para ligar o navio na parte superior da bia. Esse dispositivo elimina deslocamentos horizontais entre a bia e o navio.

Figura64AmarraoemcatenriacomYOKE.

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4.3.4 SistemaSALM(SingleAnchorLegMooring) O sistema SALM emprega um sistema de riser vertical que possui alta capacidade de flutuao prximo do nvel do mar, e, em algumas vezes, na superfcie, sendo mantido por um riser pr-tensionado. O sistema composto basicamente por um riser articulado, tanques de flutuao, e forquilha de acoplamento rgida. Suas partes estruturais so ligadas ao fundo do mar por meio de conexes articuladas, sendo os tanques de flutuao que fornecem a fora de restaurao ao sistema, caso a unidade saia da sua condio de equilbrio. Ver Figura 65 abaixo.

Figura65SALMcomrisereYoke.

Tambm possvel utilizar o arranjo da Figura 66, a seguir, onde o dispositivo inferior de articulao contm amarras, o empuxo dos flutuadores atua no topo do

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riser, e este funciona como um pndulo invertido. Quando o sistema se desloca para a lateral, a ao pendular tende a restaurar a posio vertical do riser. O navio cisterna pode ainda ser amarrado bia SALM atravs de um cabo ou de uma forquilha de acoplamento rgido, tal como mostrado no sistema CALM.

Figura66SALMcomriserdecorrenteehawser.

4.3.5 AmarraocomQuadrodeAncoragem(SMSpreadMooring) A ancoragem SM mais freqentemente utilizada por plataformas semisubmersveis em operaes de perfurao e produo. Neste sistema, as linhas de ancoragem se encontram distribudas em torno da embarcao, de modo a resistir a carregamentos ambientais vindos de quaisquer direes. Assim, os efeitos de restaurao para cargas ambientais independem da direo de incidncia sobre a plataforma semi-submersvel.

Figura67SemiSubmersvelancorada.

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4.3.5.1 SistemaDICAS(DifferentiatedComplianceAnchoringSystem) Trata-se de uma concepo concebida para ancoragem de navios que vem sendo adotada ultimamente com linhas distribudas semelhante ao das plataformas semi-submersveis, apesar dos navios sofrerem maior influncia em relao direo do carregamento. Este sistema chamado DICAS (Differentiated Compliance Anchoring System), fornece um parcial alinhamento com a direo do carregamento ambiental de maior incidncia. Esse sistema de amarrao, que apresenta complacncia diferenciada, vem sendo usado pela Petrobras na ancoragem de unidades de produo e armazenamento. Basicamente, o mtodo consiste num sistema de linhas de ancoragem conectadas proa e popa do navio (Masetti, 2002), que permite a existncia de diferentes rigidezes vante e a r do mesmo. Esta diferena de rigidezes imposta atravs do pr-tensionamento das suas linhas de ancoragem, passando o navio a admitir um aproamento forado, alinhando-se com a incidncia das foras ambientais. Os diferentes nveis de pr-tenses aplicadas nas linhas - lhe conferem diferentes ngulos crticos de incidncia, resultando em melhor posicionamento do navio com relao as mais freqentes direes de incidncia ambiental e de tempestades na locao.

O sistema DICAS uma variao caracteriza no por sistema adotar Spread Mooring, que se tenses diferenciadas nas linhas e da permitir que a unidade possa girar se adequando posio de equilbrio e reduzindo asFigura68Vistaesquemticaem3Ddeumsistema DicasemFPSO.(Fabrcio,2003).

foras

de

trao

resultantes em suas linhas,

mas no permite o seu completo alinhamento. Distribui a ancoragem no costado, possibilitando complacncia e rigidez combinadas. Est sujeito a receber cargas de travs., pois no permite o completo alinhamento da plataforma com as incidncias ambientais.

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4.4 COMPOSIODASLINHASDEANCORAGEM Quanto sua constituio, o sistema de ancoragem pode ser composto pela combinao de: 1 - Amarras: so classificadas de acordo com sua resistncia, sendo classificadas em graus. A adoo de um determinado grau depende da necessidade e dos custos envolvidos. A amarra pode romper por ultrapassar a carga de ruptura nominal ou por fadiga devido aos movimentos impostos pela UEP. Recomenda-se a utilizao das amarras com apenas 1/3 de sua trao de ruptura. 2 - Cabos de ao: so classificados de acordo com a quantidade de pernas torcidas e de fios em cada perna. As falhas por fadiga do cabo de ao so mais comuns nas proximidades s terminaes e aos componentes adjacentes ncora ou outras conexes 3 - Cabos sintticos: Podem ser de polister ou aramida. Os cabos compostos por polister apresentam grande flexibilidade axial e peso submerso bem menor. Esse tipo de cabo permitiu a realizao do sistema de completao molhada em guas profundas devido ao seu peso e a sua elasticidade. J os de aramida, mesmo sendo auto-flutuante, possuem flexibilidade axial similar ao do cabo de ao, apresentando assim, uma resistncia maior que a do cabo de polister. A combinao desses componentes e sua utilizao nos sistemas de ancoragem, varia diretamente com o tipo de modelo e configurao adotado.

4.5 FUNDAOOFFSHORE Fundao offshore pode ser compreendida como sendo o embasamento dado por elementos estruturais que tem a funo de transmitir as cargas da estrutura ao terreno onde ela se apia (AZEREDO, 1988), ou fixada. Ela confere unidade flutuante a capacidade de conservar sua posio no mar, sendo de fundamental importncia nas caractersticas operacionais e de segurana da unidade. O conceito de fundao offshore foi estendido para tambm

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comportar os chamados pontos de fixao ou pontos fixos da ancoragem. As linhas de ancoragem so fixas na sua extremidade inferior por meio de estacas de suco, ncoras com resistncia vertical, ou estacas de fundeio. Assim, as fundaes submarinas, podem conter sapatas, ncoras e / ou estacas responsveis pela fixao das estruturas offshore em solo ocenico, e devem ser projetadas para suportar carregamentos estticos, cclicos, peridicos e transientes de forma que a unidade flutuante ou fixa no sofra vibraes e /ou deformaes excessivas. Portanto, as fundaes devem ter resistncia adequada para suportar s tenses causadas pelos esforos solicitantes. Alm disso, o solo deve ter resistncia e rigidez apropriadas para no sofrer ruptura e no apresentar deformaes exageradas ou diferenciais.

Figura69Ilustraodeestacainteragindocomosolo.

Para se escolher a fundao mais adequada, deve-se conhecer os esforos atuantes sobre a edificao, as caractersticas do solo e dos elementos estruturais que formam as fundaes. Assim, analisa-se a possibilidade de utilizar os vrios tipos de fundao, em ordem crescente de complexidade e custos (WOLLE, 1993). Ao se projetar uma fundao, a engenharia leva em considerao a capacidade de suportar carregamentos laterais e axiais compatvel com as cargas aplicadas e que o fator carga-deslocamento deve

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relacionar-se diretamente com as condies de trabalho da plataforma, e as tenses deformaes do solo, alm de certificar-se da viabilizao de sua instalao. Abaixo se v uma ilustrao (Figura 70) de comportamento global de uma estaca longa submetida a um carregamento lateral [21], considerandoa cravada no solo firmando uma plataforma do tipo do tipo jaqueta.

Figura70Ilustraogrficadecomportamentodeestacasubmetidacarregamentolateral.

A classificao da fundao realizada de acordo com a profundidade de cravao e sua forma de transmisso de carga. Quanto ao tipo pode-se classific-las em Fundaes Rasas e Fundaes Profundas.

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4.5.1 FUNDAESPROFUNDAS Este tipo de fundao geralmente composta por estacas. So peas tubulares de seo transversal reduzida quando comparadas com o comprimento. So amplamente utilizadas para transmitir esforos provenientes das estruturas para as camadas mais profundas do macio. As fundaes profundas representam a soluo mais comumente empregada como meio de transferncia de carga para o solo no caso de plataformas offshore. As fundaes de plataformas fixas como as jaquetas so executas com estacas regulares, cilndricas cravadas por impacto (percurso), atravs de martelos hidrulicos ou bate-estacas, ou ainda perfuradas e grauteadas. As estacas de estruturas offshore so comumente de ao e apresentam relao dimetro-espessura em torno de 30. So muito usadas em plataformas, devido sua forma de transferncia de cargas, sua resistncia e funcionalidade. A interface solo-estaca depende diretamente do mtodo de instalao adotado.

- ESTACAS CRAVADAS POR PERCURSSO (DP): so estacas metlicas de ponta aberta ou fechada (ponteira em ao forjado) cravadas percusso com auxlio de martelos a vapor, a diesel ou hidrulicos. Possuem grande comprimento e pequeno dimetro.

-

ESTACAS

CRAVADAS

E

GRAUTEADAS (DGP): dependendo do tipo de solo, este tipo de estaca pode at dobrar a sua resistncia devido ao atrito lateral. executada em duas etapas, primeiramente ocorre a cravao em si e em seguida injetadaFigura71Martelovaporcravandoestaca.

calda de cimento na interface lateral solo-ao.

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- ESTACAS PERFURADAS E GRAUTEADAS (DGP): Estaca que simula a primeira fase de perfurao de um poo, tendo um trecho de amarras ligado ao meio da seo do revestimento. Tem uma tecnologia bem consolidada e confivel, mas geralmente no to amplamente utilizada pelo alto custo da unidade de perfurao (sonda). So adotadas quando estacas cravadas possuem baixa resistncia, ou seja, possuem baixssimo atrito lateral. Podem ser construdas em um (abertura de pr-furo) ou dois estgios, dependendo do mtodo construtivo adotado.

-Figura72Desenhoesquemticodeestacacravadaeestacaperfuradagrauteada.

ESTACAS INJETADAS (IP): uma soluo alternativa para o uso de estacas cravadas, caso esta apresente penetrao inferior mnima requerida em projeto. Possuem trecho inicial cravado e um final, perfurado. - ESTACAS TORPEDO (TP): Tipo de estaca que apresenta penetrao dinmica. Formato cilndrico metlico de ponta fechada, dotada ou no de aletas (aumenta a resistncia devido maior rea estaca-solo), e preenchidas internamente com sucata de ao e/ou concreto. cravada no solo por gravidade aps lanamento de uma altura calculada. Admite cargas verticais, reduzindo significativamente o raio de ancoragem da

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UEP. Possuem olhal (interno ou externo) em seu topo, permitindo assim a aplicao de cargas horizontais tambm. A razo comprimento-dimetro aproximadamente dez, funcionando assim como um corpo rgido. Alternativa altamente competitiva, pois tem as mesmas vantagens da estaca de suco e menor custo de instalao. Tem sido usada para ancoragem de linhas flexveis e sondas MODU, apesar de serem utilizadas como ponto de apoio de linhas flexveis.

Figura73LanamentodeEstacatorpedo[22].

4.5.2 FUNDAESRASAS Tais fundaes geralmente so adotadas para transferir cargas oriundas da plataforma de gravidade ao solo marinho. Basicamente existem duas tcnicas que aperfeioam o nvel de segurana deste tipo de fundao: a tcnica de prcarga e a de suco. Estas tcnicas tornam-se usuais para fundaes rasas, pois alm de ser crtico projetar em condies ambientais severas, tambm imprescindvel elevar a capacidade de carga do solo e aumentar a estabilidade contra o tombamento e o deslizamento da estrutura.

4.5.2.1 EstacasdeSuco - ESTACAS CRAVADAS POR SUCO (SP): so estacas, com forma de um cilindro oco, apresentando dimenses de 12 a 15 m de altura por cerca de 5 m de dimetro, com uma extremidade fechada e outra aberta. So cravadas no solo marinho atravs do vcuo realizado por uma bomba centrfuga de suco,

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utilizando

assim

o

conceito

de

diferencial

de

presso

hidrosttica, a

constantemente monitorada durante a instalao, juntamente com 74 a instalao de uma dessas estacas de suco.

verticalidade e a taxa de penetrao. Abaixo, se v passo passo, na Figura

Figura74Passopassodainstalaodeumaestacadesuco[23].

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Figura75Estacadesuco[2]e[23].

As estacas de suco permitem reaes cargas verticais e horizontais, podendo assim ser usadas em sistemas convencionais ou taut-leg. So consideradas economicamente viveis, pois so largamente utilizadas em guas profundas e no necessitam de teste de carga de projeto.

4.5.3 NCORAS As ncoras resistem, basicamente, a esforos de trao. Podem ser usadas tanto em unidades flutuantes como fixas (em modo auxiliar durante posicionamento, caso de Jack-ups). Os esforos suportados pela ncora podem ser horizontais (catenria) ou verticais (taut-leg), dependendo somente da trajetria da linha de ancoragem. Devido grande diversidade de modelos, podem ser dividida em grupos distintos de acordo com sua geometria, capacidade de carga e mtodo de instalao.

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- NCORAS DE PESO (P): so ncoras de gravidade, tambm chamada de poitas, possui baixa eficincia e anti-econmica. A sua componente vertical tem reao dada pelo peso submerso utilizado como ncora e pela suco que ocorre entre o solo e a base do corpo. J a componente horizontal, conhecida como fora dearrasto, resistida pela adeso na interface solo-superfcie (frico) e pelo empuxo passivo localizado na rea da parte enterrada no solo marinho.

Figura20:ncoradepeso[5].

- NCORAS CONVENCIONAIS (DEA): so os modelos tradicionais, evoludos a partir das ncoras usadas em navios. So cravadas com o auxlio de uma embarcao atravs do arraste no solo marinho logo abaixo da superfcie, sem penetrao profunda. Em princpio, as cargas que chegam ncora devem ser

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horizontais, pois este tipo de ncora no resiste a carregamentos verticais [5]. A fora de arrasto, tem reao fornecida pela adeso da unha interagindo na interface solosuperfcie, com o seu corpo gradativamente enterrando-se e aprofundando-se no subsolo marinho pelo aumento dessa carga. Seu dimensionamento e tipo est ligado diretamente resistncia do solo, porm independentemente do tipo de solo, depois do seu travamento, a linha, cabo ou amarra de ancoragem a diretriz a do no ela conectada, deve alinhar-se ao mximo com carregamento leito marinho, horizontal

inibindo assim seu arrasto.

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Figura76ncorasconvencionais.

- NCORAS VERTICAIS (VLA Vertical Load Anchor): muito utilizadas em ancoragens tipo taut-leg, pois suporta bem carregamentos verticais devido a seu formato. Possuem boa capacidade de carga e confiabilidade no processo de instalao. Tambm so cravadas atravs de arraste no macio marinho e apresentam uma forma parecida com a de uma arraia ou de uma enxada. Depois de instaladas, tais ncoras atingem profundidades de enterramento elevadas.

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Figura77ExemplosdeVLAncoravertical[22]&(Randolphetal.,2005).

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Necessitam do auxlio de embarcaes para efetuar sua instalao, alm de procedimentos de arraste que podem dificultar e at mesmo impedir seu posicionamento correto, principalmente em reas congestionadas remoo instalada, depois o que por de a UEPs. Tem sido difcil a

contra-indica para o uso em MODUs, ou projetos de curta durao, onde h previso de reutilizao. - NCORAS DE PLACA (PEA): so leves e de mdio porte. Instaladas por cravao com auxlio de martelos ou explosivos. Sua utilizao em meio offshore tem sido estudada, mas ainda no empregada apesar de amplamente usada pela marinha americana. - NCORAS TORPEDO: o mesmo que estaca torpedo.

5 SMULADEANCORAGEMPORTIPODEUNIDADEAstabelasaseguirresumemosprincipaistiposdeplataformaversusancoragemefundao. Tabela1:Plataformasetiposdeancoragem. UEP Fixa Jackup Gravidade SS TLP SparBuoy FPSO TC ANCORAGEM Permanente Sim Sim Sim Sim Sim Sim Sim Sim Temporria No No No No No No No No Catenria No No No Sim No No Sim No Tautleg No No No Sim No Sim Sim No Tendes No No No No Sim No No No

CURSODEMESTRADODOPROGRAMADEENGENHARIACIVILUFRJ/COPPE 72 TrabalhodeOffshoreIANCORAGEMEFUNDAOOFFSHOR Tabela2:UEPseseustiposdefundao(dependedalminadgua). FUNDAO UEP DEA Fixa Jackup Gravidade SS TLP SparBuoy FPSO TC N N N S N S S N (*)Emestudo. VLA N N N S N S S N PEA (*) (*) (*) (*) (*) (*) (*) (*) P N N N N N N N N TP N N N S S S S N IP N N N S S S S N DGP N N N S S S S N SP N N N S S S S N DP S N N S S S S N

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