UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO ESCOLA · PDF file 2019-09-21 · plataformas...

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  • UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO ESCOLA POLITÉCNICA Curso de Engenharia Civil

    Departamento de Mecânica Aplicada e Estruturas

    ANÁLISE DE CONFIABILIDADE DE UMA PLATAFORMA OFFSHORE FIXA

    RAFAEL GUEDES TRÉS

    Projeto de Graduação apresentado ao corpo docente do Departamento de Mecânica Aplicada e Estruturas da Escola Politécnica da Universidade Federal do Rio de Janeiro, como

    requisito para obtenção do título de Engenheiro Civil.

    Aprovado por:

    ___________________________________ Luiz Eloy Vaz

    Prof. Titular, Dr. - Ing., EP/UFRJ (Orientador)

    ____________________________________ Sérgio Hampshire de Carvalho Santos

    Prof. Associado, D.Sc., EP/UFRJ

    ___________________________________ Maria Cascão Ferreira de Almeida

    Prof. Adjunto, D.Sc., EP/UFRJ

    ___________________________________ Gilberto Bruno Ellwanger

    Prof. Associado, D.Sc., EP/UFRJ

    Outubro/2009

  • ii

    Dedico este trabalho:

    Aos meus pais Maria Aparecida e José Eugênio.

    À Rosienni.

  • iii

    Aceite com sabedoria o fato de que o caminho está cheio de contradições.

    Há momentos de alegria e desespero, confiança e falta de fé,

    mas vale a pena seguir adiante.

    (Paulo Coelho)

  • iv

    AGRADECIMENTOS

    Aos meus pais, Maria Aparecida e José Eugênio, pelos exemplos de caráter e

    humildade, e por me apoiarem incondicionalmente. Vocês são a base que eu preciso para

    vencer os desafios da vida.

    À minha namorada, Rosienni, pela maravilhosa companhia nos momentos de alegria e

    pelas palavras que me fizeram reerguer a cabeça nos momentos difíceis. Te amo.

    Ao professor Luis Volnei Sudati Sagrilo pela competência com que orientou este

    trabalho e o tempo que generosamente dedicou transmitindo-me os melhores e mais úteis

    ensinamentos, com paciência, lucidez e confiança.

    Ao professor Luiz Eloy Vaz, por quem tenho a mais sincera admiração, pela

    orientação acadêmica e pessoal.

    Aos amigos de graduação, pela convivência agradável, companheirismo e

    descontração que ajudaram a tornar esse caminho mais prazeroso.

    A ANP (Agência Nacional do Petróleo, Gás Natural e Biocombustíveis), pelo apoio

    financeiro e oportunidade de aprendizado, através do seu Programa de Recursos Humanos –

    PRH-35.

    À empresa Noronha Engenharia S.A., pelo incentivo, paciência, companheirismo e

    aprendizado.

  • v

    RESUMO

    Este Projeto de Graduação apresenta uma metodologia para análise de confiabilidade

    de uma plataforma offshore fixa “in situ” constituída por uma estrutura tipo jaqueta,

    submetida às condições extremas de carregamentos ambientais.

    O critério de falha se refere ao estado limite último de escoamento dos membros da

    estrutura e a probabilidade de falha é avaliada através da simulação Monte Carlo e do método

    analítico de primeira ordem FORM, que também fornece os fatores de importância das

    variáveis aleatórias para a análise de confiabilidade. As variáveis aleatórias do problema são

    relacionadas às incertezas das cargas ambientais devidas às ações de onda, corrente e vento,

    ao peso do convés e à resistência ao escoamento dos membros.

    Foi desenvolvida uma rotina computacional em ambiente Mathcad para análise da

    resposta linear elástica da estrutura aos carregamentos, que trabalha de forma conjunta com

    um módulo de análise de confiabilidade. Esta mesma rotina também é utilizada para o

    redimensionamento das pernas e contraventamentos da geometria inicial da plataforma,

    adotando a filosofia de projeto baseado em confiabilidade (reliability-based design) na qual se

    procura garantir um nível de confiabilidade prescrito para a probabilidade de falha dos

    componentes estruturais.

  • vi

    SUMÁRIO

    1. INTRODUÇÃO................................................................................................................................1

    2. CONCEITOS DE ANÁLISE ESTRUTURAL DE PLATAFORMAS FIXAS ...........................3

    2.1 Matrizes de Rigidez e Análise de Treliças Espaciais ....................................................................5

    2.2 Cálculo dos Carregamentos.........................................................................................................15

    2.2.1 Cálculo do Carregamento Hidrodinâmico..........................................................................16

    2.2.1.1 Cinemática das Partículas Fluidas ........................................................................17

    2.2.1.2 Fórmula de Morison .............................................................................................20

    2.2.2 Cálculo do Carregamento de Vento ....................................................................................22

    2.2.3 Cálculo do Carregamento de Peso Próprio e Empuxo ........................................................26

    2.2.3 Cálculo do Carregamento do Peso do Convés ....................................................................28

    2.3 Funções de Transferência............................................................................................................28

    2.3.1 Funções de Transferência do Carregamento do Peso do Convés........................................29

    2.3.2 Funções de Transferência do Carregamento de Vento........................................................30

    2.3.3 Funções de Transferência do Carregamento Hidrodinâmico ..............................................30

    3. CONCEITOS DE CONFIABILIDADE ESTRUTURAL...........................................................37

    3.1 Variáveis Aleatórias e Distribuições de Probabilidade ...............................................................37

    3.1.1 Principais Parâmetros de Variáveis Aleatórias....................................................................39

    3.1.2 Distribuições de Probabilidade............................................................................................42

    3.1.2.1 Distribuição Normal ou Gaussiana..........................................................................42

    3.1.2.2 Distribuição Lognormal ..........................................................................................45

    3.1.2.3 Distribuições de Probabilidades de Valores Extremos............................................46

    3.1.2.4 Distribuições Teóricas de Valores Extremos Máximos e Mínimos ........................46

    3.1.2.5 Distribuições Assintóticas de Valores Extremos.....................................................48

    3.1.3 Distribuições Normais Equivalentes ...................................................................................51

    3.2 Definição de Probabilidade de Falha...........................................................................................52

    3.3 Problema Fundamental de Confiabilidade de Falha tipo R - S ...................................................53

    3.4 Métodos para Análise de Confiabilidade Estrutural....................................................................55

  • vii

    3.4.1 Método FORM (First Order Reliability Method) ............................................................ 56

    3.4.2.1 Trasferência das Variáveis U para Variável Normal Padrão V...............................59

    3.4.2.2 Determinação do Ponto do Projeto.........................................................................60

    3.4.3.3 Algoritmo para Anális