dimensionamento da seÇÃo mestra petroleiro ephesos · um novo conceito que é o de chapa...
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UNIVERSIDADE DO ESTADO DO AMAZONAS
ESCOLA SUPERIOR DE TECNOLOGIA
ENGENHARIA NAVAL
PAULO GIOVANNI DE SOUZA CARVALHO – MATRÍCULA N°: 1515200587
EZEQUIAS MARTINS DE FRANCA – MATRÍCULA N°: 1515200026
MATEUS MAGALHAES DE FARIAS – MATRÍCULA N°: 1315200124
DIMENSIONAMENTO DA SEÇÃO MESTRA – PETROLEIRO EPHESOS
MANAUS – AM
2018
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DIMENSIONAMENTO DA SEÇÃO MESTRA – PETROLEIRO EPHESOS
Trabalho apresentado como requisito parcial
para obtenção de aprovação na disciplina de
Resistência Estrutural ll, no Curso de
Engenharia Naval, na Universidade do
Estado do Amazonas.
Prof. Marcelo Paiva Hermann.
MANAUS – AM
2018
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LISTA DE FIGURAS
Figura 1- Gráfico de Shade (1951) para cálculo da chapa colaborante. ....................................... 8
Figura 2-Representação das direções das tensões conhecidas de forma analítica. ..................... 8
Figura 3-Gráfico para encontrar a constante k para o cálculo da tensão terciária. ...................... 9
Figura 4-Painél estrutural com pontos analisados na composição de tensões. ......................... 10
Figura 5-Alturas analisadas. ........................................................................................................ 10
Figura 6-Seção mestra final do petroleiro. .................................................................................. 11
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LISTA DE TABELAS
Tabela 1-Tabela da composição de tensões do caso mais crítico. .............................................. 11
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SUMÁRIO
1. Introdução ............................................................................................................................ 6
2. Análise de dados do trabalho anterior .............................................................................. 7
3. Tensão Secundária .............................................................................................................. 7
4. Tensão Terciária .................................................................................................................. 8
5. Composição de Tensões ...................................................................................................... 9
6. Considerações Finais ......................................................................................................... 12
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1. Introdução
O presente trabalho tem por objetivo dar continuidade ao trabalho já iniciado na
disciplina de resistência estrutural l, na qual foram feitos os cálculos de momento fletor, a partir
das distribuições de pesos ao longo da embarcação, a qual foi modelada no software Delftship,
bem como os cálculos para a análise das tensões globais atuantes na viga-navio. Assim, para
este trabalho, destinou-se analisar as tensões locais para que, quando somadas às tensões
globais, fosse possível verificar o critério de falha da estrutura.
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2. Análise de dados do trabalho anterior
Como informado na introdução, este trabalho é apenas uma continuação, ou
seja, muitas das informações utilizadas para os seguintes cálculos foram extraídas da
primeira parte do trabalho. Como a tensão primária já foi calculada, precisamos calcular
as tensões secundárias e terciárias, isto é, as tensões nos reforçadores e chapas,
respectivamente.
3. Tensão Secundária
A tensão secundária é a tensão atuante nos reforçadores leves e pesados e é
calculado pela mesma fórmula da tensão primária, que é a equação da tensão de flexão
para vigas, como pode ser visto a seguir:
Onde é feita uma pequena aproximação e, assim, podemos considerar os
reforçadores como vigas bi-engastadas. Assim, como definido anteriormente, o vão
livre para reforçadores pesados é a distância entre anteparas e para reforçadores leves é
a distância entre cavernas gigantes. Desta forma, o momento atuante nos reforçadores é
calculado da seguinte forma:
Onde “L” é o vão livre da viga e “q” é o carregamento que atua nesta, sendo
levando em consideração as pressões hidrostáticas e de carga.
O valor de”q” é definido pela seguinte equação:
Onde “B” é a largura de carga e “p” é a pressão.
Vale lembrar que reforçadores pesados recebem tanto pressões hidrostáticas
quanto de carga, enquanto que os reforçadores leves recebem apenas um tipo de
pressão.
Para calcular os valores das inércias e linhas neutras é necessário a utilização de
um novo conceito que é o de chapa colaborante. Assim, diferentemente dos cálculos de
módulo de seção dos reforçadores, o comprimento da chapa não é mais o “s”, e sim “c”
que é o valor da chapa colaborante. Para encontrar esses valores, utiliza-se os gráficos
propostos por Shade (1951), onde é o dado um gráfico da razão “chapa
colaborante/largura de carga” em função da razão “0,578*vão livre/largura de carga”. O
gráfico é mostrado a seguir:
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Figura 1- Gráfico de Shade (1951) para cálculo da chapa colaborante.
Para facilitar nos cálculos das tensões no excel, realizou-se uma regressão linear
da curva acima, uma vez que desta forma era necessário somente colocar o valor de
entrada e o resultado era encontrado mais facilmente e com maior precisão e velocidade.
4. Tensão Terciária
As tensões terciárias são as tensões atuantes nas chapas. Para o cálculo, utiliza-
se o conceito de unidade de chapeamento, que basicamente é a chapa definida entre dois
reforçadores leves e entre duas cavernas. Há uma formulação para o cálculo das tensões
nas chapas, porém apenas o centro das laterais, como mostra a figura a seguir:
Figura 2-Representação das direções das tensões conhecidas de forma analítica.
Considera-se que a chapa é engastada nos 4 lados. Assim, calcula-se as tensões
da seguinte forma:
Sendo t a espessura da chapa analisada, p a pressão exercida na chapa
(hidrostática ou de carga) e k um valor adimensional encontrado graficamente,
semelhantemente a chapa colaborante, como mostrado a seguir:
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Figura 3-Gráfico para encontrar a constante k para o cálculo da tensão terciária.
De forma análoga ao que foi realizado no gráfico de Shade para a chapa
colaborante, foi-se realizada a regressão linear para as curvas do gráfico acima e, desta
forma, obte-se maior precisão e velocidade para encontrar os valores de k (dependendo
do lado da chapa analisado) e, consequentemente, calcular a tensão terciária
propriamente dita.
Vale lembrar, como mostrado na figura 2, que as direções das tensões são pré-
estabelecidas, ou seja, para o lado menor encontra-se uma tensão no sentido
longitudinal, mas para o lado maior, encontra-se uma tensão no sentido transversal.
Como estamos interessados em analisar o critério de falha por escoamento, devemos
somar todas as tensões atuantes (primária, secundária e terciária), porém faz-se
necessário que estas tensões tenham o mesmo sentido. Portanto, para a tensão
encontrada no lado maior (sentido transversal), multiplica-se o valor de tensão
encontrado para este lado pelo coeficiente de Poisson. Assim, encontra-se uma
componente equivalente desta tensão no sentido longitudinal, como mostrado a seguir:
5. Composição de Tensões
De posse das tensões primárias, secundárias e terciárias, parte-se para a
composição das tensões, isto é, começam as “combinações” das tensões encontradas a
fim de verificar o ponto em que as tensões mais se intensificam e, dessa forma, verificar
se este valor ultrapassa ou não a tensão de escoamento do material da embarcação.
Para essa análise, analisa-se em um painel estrutural a seguinte configuração de
pontos:
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Figura 4-Painél estrutural com pontos analisados na composição de tensões.
Para os reforçadores pesados de fundo/duplo fundo e costado/duplo costado,
analisou-se 6 alturas, na qual em cada altura foi analisado os 8 pontos, como mostrado
acima.
A disposição das alturas mencionadas acima é mostrada a seguir:
Figura 5-Alturas analisadas.
Para o convés há apenas uma pequena modificação pelo fato de haver apenas
uma chapa colaborante e a flange, assim, há menos alturas. Assim como também se
considera a pressão no convés como a gerada com 1 m de coluna d’água, para eventuais
casos de águas e convés e afins.
Para reforçadores leves, segue-se a mesma ideia dos reforçadores pesados.
A análise das composições de tensões foram feitas para as condições extremas
de alquebramento e tosamento, uma vez que, dependendo da condição natural da
embarcação, um destes casos pode intensificar os valores das tensões.
Realizada as composições de tensões para o Fundo/Duplo Fundo,
Costado/Duplo Costado e convés nas duas condições, observou-se que os pontos que
possuíam maiores valores de tensões ocorriam na região do fundo na condição de
tosamento na altura z0, de acordo com a figura 5. Portanto, estes são tomados como
pontos críticos e é a partir deles que se analisam os critérios de falha da estrutura. O
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material que estimada para a estrutura é o aço ASTM 131, o qual possui uma tensão de
escoamento de 250 MPa. A tabela da composição de tensão de fundo pode ser
observada na tabela a seguir:
Tabela 1-Tabela da composição de tensões do caso mais crítico.
Pontos Tensão ¹ Tensão ² pesada Tensão ² leve Tensão ³ Total FS
1 101,07 -89,0652 0 60,57218 72,57804 3,444568 2 101,07 -89,0652 0 26,72302 38,72888 6,45513 3 101,07 44,5326 0 60,57218 206,1758 1,212557 4 101,07 44,5326 0 26,72302 172,3267 1,450733 5 101,07 -89,0652 34,08091 60,57218 106,6589 2,34392 6 101,07 -89,0652 -17,0405 26,72302 21,68843 11,52688 7 101,07 44,5326 34,08091 60,57218 240,2568 1,040553 8 101,07 44,5326 -17,0405 26,72302 155,2862 1,60993
A partir dos valores encontrados, verifica-se que mesmo para a situação com maior
solicitação, a estrutura resiste bem aos esforços com uma margem de segurança aceitável.
Ao fim, tem-se a seção mestra final do Petroleiro Ephesos, como mostrado na imagem
seguinte:
Figura 6-Seção mestra final do petroleiro.
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6. Considerações Finais
A partir do trabalho realizado, foi-se possível compreender os fenômenos que envolvem
estruturas navais, mais precisamente embarcações, isto é, como fatores como distribuição de
pesos e ondas interferem no momento fletor da viga-navio. Foi-se possível, também,
compreender a análise estrutural de um navio mercante e suas divisões de tensões (primária,
secundária e terciária), assim como o trabalho possibilitou uma familiaridade com normas de
sociedades classificadoras, mais especificamente as normas da ABS. Ao fim do trabalho,
realizou-se a integração das tensões a fim de analisar os valores de tensões máximos e se estes
poderiam ou não fazer com que o material da estrutura escoasse, isto é, foi realizada uma análise
estrutural geral (tensões globais e locais) na embarcação.
Ao final, a estrutura projetada resistiu bem às tensões solicitadas com uma margem de
segurando não tão pequena, mas não tão exagerada, uma vez que uma estrutura rígida ao
extremo possui maior custo e peso.