PROPOSIÇÃO DE UM SISTEMA DE TRANSPORTE E INSTALAÇAO …monografias.poli.ufrj.br/monografias/monopoli10020780.pdf · 2017. 3. 23. · Eliab Ricarte Beserra Rio de Janeiro Fevereiro

PROPOSIÇÃO DE UM SISTEMA DE TRANSPORTE E INSTALAÇAO PARA

DISPOSITIVO DE CONVERSÃO DE ENERGIA DE ONDAS

Guilherme Araujo Castro Silva

Projeto de Graduação apresentado ao Curso de

Engenharia Naval e Oceânica da Escola

Politécnica, Universidade Federal do Rio de

Janeiro, como parte dos requisitos necessários à

obtenção do título de Engenheiro.

Orientadores: Luiz Antonio Vaz Pinto

Eliab Ricarte Beserra

Rio de Janeiro

Fevereiro de 2017

ii

PROPOSIÇÃO DE UM SISTEMA DE TRANSPORTE E INSTALÇÃO PARA

DISPOSITIVO DE CONVERSÃO DE ENERGIA DE ONDAS


PROJETO DE GRADUAÇÃO SUBMETIDO AO CORPO DOCENTE DO CURSO

DE ENGENHARIA NAVAL E OCEÂNICA DA ESCOLA POLITÉCNICA DA

UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO COMO PARTE DOS

REQUISITOS NECESSÁRIOS PARA A OBTENÇÃO DO GRAU DE

ENGENHEIRO NAVAL E OCEÂNICO.

Examinada por:

________________________________________________

Prof. Luiz Antonio Vaz Pinto

________________________________________________

Dr. Eliab Ricarte Beserra

________________________________________________

Prof. José Henrique Erthal Sanglard

________________________________________________

Prof. Carl Horst Albrecht

RIO DE JANEIRO, RJ - BRASIL

FEVEREIRO de 2017

iii

Silva, Guilherme Araujo Castro

Proposição de um sistema de transporte e instalação para

dispositivo de conversão de energia de ondas/ Guilherme Silva - Rio

de Janeiro: UFRJ/ ESCOLA POLITÉCNICA, 2017

XI, 100 p.: il.: 29,7 cm.

Orientadores: Luiz Antonio Vaz Pinto e Eliab Ricarte

Beserra

Projeto de Graduação - UFRJ/ POLI/ Engenharia Naval e

Oceânica, 2017

Referências Bibliográficas: p. 101-103

1. Introdução 2. O oscilador 3. Dimensionamento da

estrutura, equilíbrio e estabilidade preliminares 4. Estudo da

operação de lastro 5. Pesos estruturais extras 6. Equilíbrio e

estabilidade finais 7. Conclusões 8. Referências Bibliográficas

I. Luiz Antonio Vaz Pinto, et al. II. Universidade Federal do

Rio de Janeiro, Escola Politécnica, Curso de Engenharia Naval e

Oceânica. III. Proposição de um sistema de transporte e instalação

para dispositivo de conversão de energia de ondas

iv

AGRADECIMENTOS

Gostaria de agradecer em primeiro lugar à minha família: Isabela, Gilberto e Luci Mara,

por terem ter sido de grande apoio durante toda a minha jornada na UFRJ. Um grande

abraço também para os meus amigos e aos futuros colegas de trabalho. Sem estes com

certeza eu não conseguiria chegar ao fim deste curso.

Também gostaria de fazer um agradecimento à Eliab Ricarte e Rodrigo Klim que foram

meus grandes “gurus” durante o desenvolvimento deste trabalho. Sempre questionando

e tentando extrair o máximo do meu potencial como estudante.

v

Resumo do Projeto de Graduação apresentado à Escola Politécnica/UFRJ como parte

dos requisitos necessários para a obtenção do grau de Engenheiro Naval e Oceânico.

Proposição de um sistema de transporte e instalação para dispositivo de conversão de

energia de ondas


Fevereiro/2017

Orientador: Luiz Antônio Vaz Pinto

Curso: Engenharia Naval e Oceânica

No intuito de se conseguir aproveitar a energia largamente disponível nas ondas do mar,

foi proposto um modelo mecânico que visa oscilar na superfície e então aproveitar parte

deste recurso tão pouco utilizado. Neste trabalho o objetivo maior foi criar um

dispositivo capaz de garantir o transporte seguro e uma instalação precisa do

equipamento proposto, fazendo uso de estudos de equilíbrio e estabilidade.

Palavras-chave: Energia, Equilíbrio, Estabilidade, Estrutura, Flutuadores, Ondas,

Operação, Peso, Sistema Flutuante

vi

Abstract of Undergraduate Project presented to POLI/UFRJ as a partial fulfillment of

the requirements for the degree of Naval Engineer.

Proposal of a floating fastening system for a wave energy conversion device


Februery/2017

Advisor: Luiz Antonio Vaz Pinto

Course: Naval Engineering

In order to obtain part of the widely available energy in the sea waves, it was proposed

for a mechanical model that aims to oscillate on its surface and then, take advantage of

part of this resource so poorly used. In this work, the main objective is to create a device

able to guarantee the safe transportation and an accurate installation of the proposed

equipment, conducting studies of equilibrium and stability.

keywords: Energy, Equilibrium, Stability, Structure, Floats, Waves, Operation,

Weight, Floating System.

vii

Índice

1 Introdução ........................................................................................................................ 1

2 O desafio a ser enfrentado – WEC’s (wave energy converters) .................................. 2

2.1 Exemplos de “Wave Energy Converters” e suas respectivas soluções ..................... 8

2.1.1 Shoreline ................................................................................................................ 8

2.1.2 Nearshore ............................................................................................................... 9

2.1.3 Offshore ............................................................................................................... 10

2.2 Descrição do WEC / UFRJ ...................................................................................... 14

2.2.1 O local a ser explorado ........................................................................................ 14

2.2.2 O sistema idealizado ............................................................................................ 17

3 Dimensionamento da Estrutura e Análise de Equilíbrio e Estabilidade Preliminares

23 .........................................................................................................................................

3.1 Critérios de Estabilidade .......................................................................................... 23

3.2 Estudo de Equilíbrio e Estabilidade Preliminares .................................................... 26

3.2.1 Transporte da estrutura com a base sobre a água ................................................... 27

3.2.2 Transporte da estrutura com submersão da base ................................................... 39

3.2.3 Transporte da estrutura com submersão da base e auxílio de flutuadores .............. 47

4 Estudo da operação de lastro durante a instalação .................................................... 67

5 Estudo dos pesos estruturais extras ............................................................................. 90

5.1 Peso extra devido às vigas W .................................................................................. 90

5.2 Peso extra devido aos olhais .................................................................................... 92

6 Equilíbrio e Estabilidade Finais ................................................................................... 92

7 Conclusão ....................................................................................................................... 97

8 Referências Bibliográficas .......................................................................................... 101

viii

Índice de Figuras

Figura 1 - Multi-Catenary Mooring ............................................................................................ 5

Figura 2 - Single point Mooring ................................................................................................. 6

Figura 3 - Navio AHTS com sistema de posicionamento dinâmico ........................................... 6

Figura 4 – Suction Anchor .......................................................................................................... 7

Figura 5 – Dispositivo costeiro coluna d’água oscilante ............................................................ 8

Figura 6 - Dispositivo costeiro Sistema Pendular ...................................................................... 9

Figura 7 - Wave Dragon composto por rampas e turbinas ..................................................... 10

Figura 8 - Parte da estrutura emersa ...................................................................................... 11

Figura 9 - Parte submersa da bóia ........................................................................................... 11

Figura 10 - Sistema "Duck" de Salter ....................................................................................... 12

Figura 11 –Conversor de energia de onda de Pelamis ............................................................ 12

Figura 12 - "Wave Roller" ........................................................................................................ 13

Figura 13 - Porto do PECÉM local de operação ....................................................................... 14

Figura 14 - Estaleiro INACE cais de atracação e área de lançamento ..................................... 15

Figura 15 - Distância total a ser percorrida durante operação de reboque ............................ 16

Figura 16- Modelo do Sistema Flutuante idealizado ............................................................... 18

Figura 17 - Flutuador Principal (medidas em m) ..................................................................... 19

Figura 18 – Base (medidas em m) ........................................................................................... 19

Figura 19 - Torre do Flutuador (medidas em mm) .................................................................. 20

Figura 20 - Placas da Base (medidas em mm) ......................................................................... 21

Figura 21 - Praça de Máquinas ................................................................................................ 22

Figura 22 - Curva de Estabilidade Estática com Braço de Emborcamento .............................. 25

Figura 23 - Estrutura com base sobre a água .......................................................................... 27

Figura 24 -Relação Peso x Deslocamento para cada DN ......................................................... 30

Figura 25 - Modelo Simplificado .............................................................................................. 33

Figura 26 - Curva de Estabilidade Estática ............................................................................... 34


Figura 28 - Curvas Cruzadas de Estabilidade ........................................................................... 36

Figura 29 - Curvas de GZ, KN, yGcos e zGsen .......................................................................... 38

Figura 30 - Transporte com submersão da base ..................................................................... 39

Figura 31 - Peso x Deslocamento ............................................................................................ 42

Figura 32 - Modelo Simplificado .............................................................................................. 43


Figura 34 - Representação da altura metacêntrica de uma embarcação ............................... 46

Figura 35 - Croqui do Sistema Flutuante com Flutadores auxiliares ....................................... 48

Figura 36 - Modelo de Sistema Flutuante com Flutuadores Auxiliares................................... 51


Figura 38 - Comportamento Peso e Empuxo (inclinação de 0°) .............................................. 54

Figura 39 - Comportamento Peso e Empuxo (inclinação de 10°) ............................................ 55

Figura 40 - Comportamento Peso e Empuxo (inclinação de 50°) ............................................ 56

Figura 41 - Momento Binário Peso x Empuxo ......................................................................... 57

Figura 42 - Modelo Equivalente (3 dutos alinhados) .............................................................. 58

Figura 43 - Modelo Equivalente (6 dutos alinhados) .............................................................. 59

ix

Figura 44 - Modelo Equivalente (6 dutos Empilhados) ........................................................... 60

Figura 45 - Modelo Equivalente (9 dutos Empilhados) ........................................................... 62

Figura 46 - Modelo Equivalente (Flutuador Retangular) ......................................................... 64

Figura 47 - Modelo Equivalente (Flutuadores em todos os lados) ......................................... 66

Figura 48 - Arranjo dos Tanques da base ................................................................................ 67

Figura 49 - Arranjo dos Tanques dos Flutuadores ................................................................... 68

Figura 50 - Válvulas de bloqueio ............................................................................................. 69

Figura 51 - 1ª Etapa Vista de Perfil do Sistema ....................................................................... 70

Figura 52- 1ª Etapa Vista de Topo do Sistema ........................................................................ 71

Figura 53 - 2ª Etapa Vista de Perfil do SIstema ....................................................................... 72

Figura 54- 2ª Etapa Vista de Perfil do Sistema ........................................................................ 72

Figura 55 - Curva de Estabilidade ............................................................................................ 73

Figura 56 - 3ª Etapa Vista de Topo do Sistema........................................................................ 75







Figura 63 - - 5ª Etapa Vista de Perfil do Sistema ..................................................................... 82







Figura 70 - Dimensões do Flutuador ....................................................................................... 88

Figura 71 - Dimenões Vigas W ................................................................................................. 91

Figura 72 - Dimensões do olhal idealizado .............................................................................. 92

Figura 73 - Curva de Estabilidade Final ................................................................................... 96

Figura 74 - Estrutura Final Completa ....................................................................................... 97

Índice de tabelas

Tabela 1 - Tipos de dispositivos de captação da energia das ondas ......................................... 3

Tabela 2 - Condições de contorno do Projeto ......................................................................... 16

Tabela 3 -Paso da Torre ........................................................................................................... 28

Tabela 4 - Peso da Base ........................................................................................................... 28

Tabela 5 - Peso de Equipamentos extras................................................................................. 29

Tabela 6 - Pesos Totais ............................................................................................................ 29

Tabela 7 - Deslocamentos Totais ............................................................................................. 29

Tabela 8 - Relação Peso x Deslocamento para cada DN ......................................................... 30

Tabela 9 - Peso da Torre .......................................................................................................... 31

Tabela 10 - Peso da Base ......................................................................................................... 31

x

Tabela 11 - Peso de Equipamentos extras............................................................................... 32

Tabela 12 - Pesos Totais .......................................................................................................... 32

Tabela 13 - Deslocamentos Totais ........................................................................................... 32

Tabela 14 - Condição de Carregamento .................................................................................. 33

Tabela 15 - Critérios de Estabilidade ....................................................................................... 33

Tabela 16 - Condição de carregamento .................................................................................. 34


Tabela 18 - Curvas Cruzadas de Estabilidade .......................................................................... 36

Tabela 19 - Curvas de Braços de Endireitamento para o deslocamento de 72.640 t ............. 37

Tabela 20 - Peso da Torre ........................................................................................................ 40


Tabela 22 - Peso Estruturas Extras .......................................................................................... 41

Tabela 23 - Deslocamento Total .............................................................................................. 41

Tabela 24 - Peso Total ............................................................................................................. 41

Tabela 25 - Relação Peso x Deslocamento para cada DN ....................................................... 42

Tabela 26 - Condiçõe de Carregamento .................................................................................. 43

Tabela 27 - Equilíbrio da condição, com GM ........................................................................... 44


Tabela 29 - Cálculo da Inércia dos Flutuadores ....................................................................... 48

Tabela 30 - Inércia dos Flutuadores e Raio Metacêntrico ....................................................... 48

Tabela 31 - Peso da Torre ........................................................................................................ 49


Tabela 33 - Peso Estruturas Extras .......................................................................................... 50

Tabela 34 - Deslocamento Total .............................................................................................. 50

Tabela 35 - Peso Total ............................................................................................................. 51

Tabela 36 - Equilíbrio com Indicação do GM ........................................................................... 52






Tabela 42 - Critérios de estabilidade ....................................................................................... 64


Tabela 44 - 1ª Etapa Equilíbrio do Sistema ............................................................................. 70

Tabela 45 - 1ª Etapa Pesos do Sistema .................................................................................... 70

Tabela 46 - 1ª Etapa Deslocamentos do Sistema .................................................................... 70




Tabela 50 - Braços de endireitamento .................................................................................... 73



Tabela 53 - 3ª Pesos do Sistema .............................................................................................. 74

Tabela 54 - 3ª Etapa Deslocamentos do sistema .................................................................... 74

Tabela 55 - Braços de Endireitamento .................................................................................... 75

xi

Tabela 56 - Citérios de Estabilidade ........................................................................................ 75









Tabela 65 - 5ª Etapa Deslocamento do Sistema ...................................................................... 82









Tabela 74 - Características da viga W ...................................................................................... 90

Tabela 75 - Característica dos olhais ....................................................................................... 92

Tabela 76 - Pesos da Torre ...................................................................................................... 93

Tabela 77 - Pesos da Base........................................................................................................ 93

Tabela 78 - Pesos de Estruturas Extras .................................................................................... 94

Tabela 79 - Deslocamento Total da Estrutura ......................................................................... 94

Tabela 80 - Peso Total da Estrutura ......................................................................................... 94

Tabela 81 - Equilíbrio do Sistema Final .................................................................................... 95


Tabela 83 - Lista de Chapas de aço .......................................................................................... 98

Tabela 84 - Lista de tubos e perfilados .................................................................................... 98

Tabela 85 - Tabela de pesos e VCG finais ................................................................................ 98

1

1 Introdução

Potência de onda refere-se à energia das ondas de superfície do oceano, uma vez que

esta é “capturada” para fazer um trabalho útil. Ondas do mar são um tipo de

transportador de energia muito promissor. Estas são capazes de guardar uma enorme

quantidade energia e são abundantes em quase todas as regiões do planeta.

As ondas do mar provêm um tipo de energia até hoje pouco explorado pelo homem.

Esta é considerada uma fonte “limpa”, pois ao contrário de outras como o Petróleo, a

energia nuclear, ou até mesmo a energia elétrica vinda de represas, esta tem a

característica de não gerar resíduos. Sejam estes orgânicos, como no caso de represas,

com o embarreiramento das águas dos rios causando um aumento da matéria orgânica

acumulada, gerando maior dispersão do gás metano, ou mesmo gases estufa, como é o

CO2 resultante da queima do Petróleo.

A energia de ondas teórica global corresponde a 8x10^6 TWh/ano, segundo LEÃO,

2005 [1], que é de cerca de 100 vezes a geração total de energia hidrelétrica no planeta

inteiro. Para produzir esta energia usando combustíveis fósseis, por exemplo, a ação

resultaria em uma emissão de 2 milhões de toneladas de CO2. Isto significa que a

energia das ondas pode contribuir para atenuação dos gases poluentes na atmosfera.

Este trabalho tem como objetivo realizar estudos que auxiliem no desenvolvimento do

Projeto do Sistema de captação de energia das ondas desenvolvido na Escola

Politécnica da Universidade Federal do Rio de Janeiro – UFRJ. Para tanto, aqui serão

analisadas as operações de transporte e instalação do aparato de maneira a garantir a

segurança do mesmo desde o estaleiro onde será montado, até o local de operação.

2

2 O desafio a ser enfrentado – WEC’s (wave energy converters)

O movimento da onda do mar pode ser convertido em energia usando mecanismos de

potência de onda adequados. Existem atualmente dezenas de mecanismos para explorar

energia disponível em ondas, vários dos quais estão agora sendo desenvolvidos. Isto

porque esta tecnologia, ao contrário da energia eólica, ainda não tem uma solução aceita

como a mais eficiente no mercado.

Esses dispositivos são geralmente categorizados por local instalado e sistemas de

tomada de força [2]. Locais são: shoreline, nearshore e offshore. Ou seja, podem ser

instalados na costa, próximos à costa ou em água profundas. Sistemas de tomada de

forças podem ser: Oscillating Water Columns (OWC), Overtopping Devices (OTD) e

Wave Activated Bodies (WAB).

Oscillating Water Columns (OWC) funcionam a partir de um princípio simples. Uma

câmara que armazena ar tem uma de suas aberturas voltadas para o mar. Quando o nível

da água sobe (em função das oscilações das ondas) esta pressiona a coluna de ar que

passa por uma turbina gerando energia. Quando a coluna d’água baixa, a ausência do

ar cria uma zona de baixa pressão que faz com que este flua de fora para dentro da

câmara, acionando a turbina novamente. Este sistema é ilustrado na Tabela 1.

Overtopping Devices (OTD) funcionam a partir de uma “rampa” por onde as ondas

sobem quando se chocam com o aparato. Parte da água cai e fica aprisionada dentro de

uma câmara e, por gravidade, descem acionando uma turbina. Esta configuração pode

também ser observada na Tabela 1.

Wave Activated Bodies (WAB) são corpos que flutuam na superfície marinha e, através

da ação das ondas, respondem em movimentos de Roll, Heave e etc. Um sistema de

captação é então acionado a partir destes movimentos mecânicos oscilatórios, fazendo

com que energia elétrica seja aproveitada com o auxílio de um gerador. Este tipo de

sistema tem maior liberdade em termos de projeto visto que são vários os movimentos

do corpo em função das ondas do mar. Alguns exemplos podem ser vistos na Tabela 1.

3

Tabela 1 - Tipos de dispositivos de captação da energia das ondas

Outro fator de suma importância para um aparato de conversão de energia de ondas é o

sistema de fixação (ou Mooring) ao qual este estará ligado. Isto porque este componente

pode estar diretamente ligado com o dano ambiental causado pelo WEC, ou seja, pode

inviabilizar o projeto como um todo, mesmo que toda a parte relacionada à

hidrodinâmica e transmissão mecânico-elétrico esteja otimizada. Outro problema são

4

os altos custos que o sistema pode implicar. Por exemplo, um sistema de fixação para

águas profundas pode em alguns casos ser tão complexo que não viabilize o projeto de

um WEC.

Segundo HARRIS et al, 2001 [2], existem algumas considerações que devem ser feitas

com relação ao sistema de fixação para que se possa pensar na viabilidade do projeto

como um todo.

O sistema tem de ser capaz de garantir a estabilidade do aparato, tanto que este

consiga operar em situações de bom tempo ou mesmo em tempestades.

O aparato deve ser fixado de tal forma que sejam evitadas grandes tensões em

cabos de transmissão elétrica.

Todos os componentes têm de ter resistência mecânica tanto para cargas

eventuais quanto para cargas cíclicas (resistência à fadiga).

Algum grau de redundância em componentes mais críticos é extremamente

recomendável

O sistema como um todo deve ser capaz de trabalhar com segurança e eficiência

por pelo menos 30 anos, podendo fazer trocas de componentes ou manutenção

a cada 5 anos

O sistema de fixação deve ser projetado levando em conta as variações de maré

do local

Remoção de componentes do sistema de fixação para manutenção deve ser

possível

O sistema deve ser projetado para permitir atracação de embarcações para

pessoal de manutenção

Deve ser evitado o contato entre os cabos das amarras

O sistema de fixação não deve interferir negativamente na eficiência do sistema

de geração de energia

Assim como acontecia para os WEC’s os sistemas de fixação podem ser também

divididos em grupos. Estes são: Spread Moorings, Single Point Mooring e Dynamic

Positioning. Dentre estes grupos também podemos dividir o tipo fixação utilizado para

manter o aparato no local de operação em sistemas de amarração ou ancoragem.

5

Spread Moorings são sistemas de múltipla amarração como pode ser observado na

Figura a seguir. Estas são interessantes quando se necessita de um sistema com menor

movimentação e uma redundância na amarração. Alguns sistemas podem ter amarras

tão pesadas que precisem do auxílio de boias como na ilustração a seguir. Isto é muito

utilizado em sistemas que se alocam em águas profundas como plataformas de petróleo.

Figura 1 - Multi-Catenary Mooring

Single Point Mooring são sistemas com apenas um ponto de amarração. Ou seja, só

existe um cabo de amarração. Este sistema é utilizado quando o WEC’s pode se

movimentar em vários graus de liberdade, captando energia mecânica a partir de

movimentos muito variados. Um exemplo pode ser observado à seguir.

6

Figura 2 - Single point Mooring

Dynamic Positioning é um Sistema em que se utiliza de hélices e geradores para gerar

forças a fim de anular cargas ambientais como correntes e ondas. São muito utilizados

em embarcações que operam em locais de grandes atividades de ondas como navios

AHTS ou PSV’s que atuam em alto mar. Estes precisam ser eficientes em qualquer

tempo, por isso utilizam este tipo de sistema. No entanto para WEC’s essa ainda não é

hoje a solução mais utilizada visto que dentre as três apresentadas até aqui é a de maior

custo.

Figura 3 - Navio AHTS com sistema de posicionamento dinâmico

7

Sistemas de Amarração podem ser projetados com diferentes tipos de material como:

cordas, amarras sintéticas (fibra ou poliéster) ou mesmo correntes. Estes devem ser

empregados de acordo com o local de atuação uma vez que alguns materiais têm

vantagens ou desvantagens sobre os outros. Por exemplo, uma amarração de corda terá

menor problema de perda de material visto que não oxida como é o caso do sistema de

correntes de aço. No entanto esta tem uma menor resistência à fricção com o fundo do

mar. A amarra de material sintético tem a vantagem de ter maior leveza em comparação

com os outros materiais. No entanto é mais frágil para danos causados por criaturas

marinhas.

Sistemas de ancoragem também podem se dividir em alguns tipos. Na ancoragem por

gravidade temos um sistema bem simplificado no qual o peso da estrutura é suficiente

para manter a mesma assentada no leito marinho. No sistema composto por âncora de

sucção, utiliza-se uma bomba para retirar água de dentro de uma câmara aberta na parte

de baixo. Quando o fluido sai, a pressão da coluna hidrostática empurra a âncora para

dentro da terra, causando uma boa fixação. Observe a figura a seguir.

Figura 4 – Suction Anchor

Também se pode fazer a ancoragem abrindo um buraco no fundo do mar e “enterrando”

um elemento de fixação. Assim, quando o buraco é tampado, temos um sistema bem

seguro e com uma boa fixação que resiste a cargas tanto verticais quanto horizontais.

8

2.1 Exemplos de “Wave Energy Converters” e suas respectivas soluções

2.1.1 Shoreline

Coluna d’água oscilante

Consiste em um compartimento construído perto da costa como mostrada na Figura 5.

As ondas do mar se movimentam de maneira a empurrar o ar aprisionado dentro da

cabine. Esse, por sua vez, passa por uma turbina que aciona um gerador elétrico gerando

eletricidade. É interessante notar que quando a coluna d’água diminui, aparece um

“vácuo” de pressão gerada pela ausência do ar no local. Isso faz com que o ar de fora

retorne passando novamente pela turbina (em sentido oposto). Esta é dimensionada de

maneira a conseguir gerar energia também com este fluxo contrário, o que aumenta a

eficiência do dispositivo.

Figura 5 – Dispositivo costeiro coluna d’água oscilante

9

Sistema Pendular

O sistema de pêndulo também pode ser instalado no litoral e consiste em uma caixa de

concreto paralelepípedico, que é aberta para o mar em uma extremidade, como

mostrado na Figura 6. Uma aba do pêndulo é articulada sobre esta abertura, e a ação

das ondas faz com que esta balance para frente e para trás. Este movimento é então

usado para alimentar uma bomba hidráulica e um gerador elétrico.

Figura 6 - Dispositivo costeiro Sistema Pendular

2.1.2 Nearshore

Sistema Wave Dragon

O sistema Wave Dragon foi o primeiro conversor de energia de ondas nearshore do

mundo produzindo energia para a rede. A ideia básica deste sistema consiste em dois

grandes "braços" que concentram ondas acima de uma rampa em um reservatório. A

água retorna ao oceano pela força da gravidade através de uma turbina hidráulica que

aciona um gerador elétrico. A Figura 7 ilustra este princípio.

Pode-se observar também o sistema de fixação na figura a seguir. Este pode ser um

sistema de ancoragem por gravidade no caso do aparato estar localizado em águas rasas.

Em águas profundas seria necessário um sistema do tipo Spread Moorings ou Single

Point Mooring.

10

Figura 7 - Wave Dragon composto por rampas e turbinas

2.1.3 Offshore

Power Buoy

Este sistema utiliza a tecnologia Power Buoy que consiste em boias modulares para o

mar, conforme ilustrado na Figura 9. A elevação e a descida das ondas movem a

estrutura de boia que cria energia mecânica. Esta por sua vez, é transformada em

eletricidade.

Uma boia de 40 kW de potência tem um diâmetro de 4 m e é 16 m de comprimento,

com aproximadamente 5 m de estrutura passando da altura da linha d’água do oceano

[1]. Estas unidades são projetadas para serem instalados cerca de aproximadamente 8

km Offshore em águas de 40 a 60 m de profundidade.

Pensando no sistema de ancoragem, a seguir nas imagens temos uma boa ilustração de

um sistema do tipo Single Point Mooring.

11

Sistema “Duck” de Salter

Um dos primeiros métodos para extrair energia mecânica das ondas foi inventado na

década de 1970 pelo Professor Stephen Salter, da Universidade de Edimburgo, na

Escócia, em resposta à crise do petróleo. Uma seção transversal do Salter Cam (ou

Duck) é mostrada na Figura 10.

Este pode ser ancorado a distâncias de até 80 km da costa. As partes flutuantes giram

seu eixo e são moldadas para minimizar as pressões de contra-água. Assim, existe a

conversão do movimento do flutuador em energia elétrica. Porém há empecilhos neste

sistema, pois suas oscilações lentas diminuem sua eficiência. A máquina nunca foi para

o mar, principalmente por conta do seu complexo sistema hidráulico que não é de fácil

implementação.

Também tem o fato dos custos e riscos de uma máquina em grande escala serem

elevados, uma vez que a maioria dos protótipos testados absorve muito menos energia

de onda disponível e, como resultado, a sua massa/potência permanecem longe do

máximo teórico.

Para estes aparatos seria interessante um tipo de fixação que garantisse pouca

movimentação de rotação horizontal. Isso porque uma vez que estes girem, irão se

colocar em direções diferentes àquela cuja frente de onda produz maior eficiência.

Figura 8 - Parte da estrutura emersa

Figura 9 - Parte submersa da bóia

12

Figura 10 - Sistema "Duck" de Salter

Conversor de energia de onda de Pelamis

O sistema de geração de energia de Pelamis consiste em dutos flutuantes alocados com

seu eixo axial na direção da frente de onda. Estes oscilam e, com os movimentos de

Tosamento e Alquebramento, bombeiam fluidos dentro de bombas hidráulicas. Estas

por sua vez, acionam um gerador elétrico gerando energia.

Figura 11 –Conversor de energia de onda de Pelamis

13

Sistema Wave Roller

Este sistema consiste em “flaps” que oscilam em função das ondas do mar. Com este

movimento, causam um torque em um eixo que, por sua vez aciona um gerador elétrico.

Invisível a partir da superfície, o sistema tem baixo impacto ambiental visual. Unidades

de 15 kW cada uma são geralmente utilizadas.

Figura 12 - "Wave Roller"

Aqui a fixação é garantida por algum tipo de fundação no leito marinho. Ou seja, o

sistema fica fixo por estar no fundo do mar, neste caso parece ter se utilizado concreto

para garantir a fixação da base.

14

2.2 Descrição do WEC / UFRJ

2.2.1 O local a ser explorado

O oscilador proposto em um projeto conjunto que englobam vários estudos de

diferentes alunos de graduação tem como base a tese de pós-doutorado de BESERRA

[3]. Nesta estão descritas as principais condições de contorno que englobam o projeto

deste trabalho, e que, serão rapidamente apresentadas nesta seção.

O sistema oscilante foi projetado para atuar em diversas áreas com uma altura de linha

d’água (calado) entre 15 e 20 m [3]. Aqui o Porto do Pecém no litoral norte da cidade

de Fortaleza/CE será considerado o local de destino do sistema flutuante. Este pode ser

visto no mapa da Figura 13.

A embarcação será lançada no estaleiro INACE que fica localizado próximo à enseada

do Mucuripe. Ao lado da Ponte dos ingleses, como pode ser observado na Figura 14.

Segundo informações do Estaleiro [4], o calado máximo do mesmo é de 5.6 m, isso dá

Figura 13 - Porto do PECÉM local de operação

15

uma boa folga para o lançamento da estrutura flutuante que tem aproximadamente 3.5

m de calado.

Figura 14 - Estaleiro INACE cais de atracação e área de lançamento

16

Pode-se observar na Figura 15 a distância percorrida entre o local de lançamento e o

ponto onde o sistema irá operar. Esta será de 36,5 Km. Lembrando sempre que a

estrutura será rebocada flutuando de maneira segura até o local da instalação.

Considerando uma velocidade de reboque de 5 nós, estima-se que o tempo de viagem

irá girar em torno de 13~15 horas. Assim, temos uma listagem de algumas condições

de contorno que limitarão e nos guiarão na melhor solução para este projeto.

Tabela 2 - Condições de contorno do Projeto

Distância total de viagem ~ 40 km

Calado máximo 5,6 m

Velocidade de Reboque ~ 5 nós

Figura 15 - Distância total a ser percorrida durante operação de reboque

17

2.2.2 O sistema idealizado

O primeiro passo para o projeto da estrutura que dará suporte ao oscilador será a

definição da geometria da mesma. Ou seja, deve-se idealizar um sistema que possa ser

facilmente construído, com o menor custo possível. Para tanto, foram imaginados as

seguintes premissas no dimensionamento inicial do sistema:

Estrutura da base composta por dutos de aço de tamanhos comerciais

Estrutura com o menor peso possível

Geometria simples de maneira que a soldagem seja facilitada

Transporte tem de ser com a estrutura em posição vertical para que a praça de

máquinas localizada no topo não seja inundada

Sabendo que no Brasil os dutos costumam ser fabricados em tamanhos comerciais de

6m ou 12m [5], a estrutura deverá ter uma tubulação que não ultrapasse esses limites,

para evitar soldagem desnecessária.

Para que a estrutura tenha o menor peso de aço possível, será feito um estudo de

equilíbrio e estabilidade na seção 3, de maneira a encontrar um arranjo de tubulação

que possa satisfazer o Princípio de Arquimedes da maneira mais eficiente possível.

No intuito de se idealizar um arranjo simples cuja soldagem seja feita de maneira

eficiente, pensou-se em uma base como mostrada na Figura 18.

Observa-se que nesta, os dutos se encaixam perfeitamente à alma de uma viga “I” que

será montada no estaleiro. Para facilitar o projeto, os dutos da parte de fora da base tem

as mesmas especificações que os dutos da parte de dentro. Também pode ser observado

no sistema que as placas que serão responsáveis pelo aumento da frente de onda,

deverão ser compostas por dutos.

A seguir temos imagens ilustrativas do aparato, assim como as principais dimensões de

seus vários componentes.

18

Figura 16- Modelo do Sistema Flutuante idealizado

19

Figura 17 - Flutuador Principal (medidas em m)

O flutuador tem a função de oscilar em função dos movimentos das ondas e assim gerar

energia. É o componente mais importante sem o qual nenhum dos outros faria sentido.

Figura 18 – Base (medidas em m)

A base é composta pelos tubos da base e pelas vigas I. Os primeiros servem para dar

apoio, auxiliar na flutuabilidade e na operação de lastro. Estes podem ser inundados.

As vigas I tem função de dar rigidez estrutural ao sistema. Também auxiliam na posição

do centro de gravidade. Uma vez que estas são muito pesadas, atuam baixando o CG, e

assim auxiliam na estabilidade.

20

Figura 19 - Torre do Flutuador (medidas em mm)

A torre formada por treliças tubulares tem a função e garantir o movimento do flutuador

em apenas uma direção dando a este apenas um grau de liberdade. Esta também tem de

ser rígida o suficiente para aguentar esforços de onda e corrente no local de operação.

21

Figura 20 - Placas da Base (medidas em mm)

As Placas da Base tem a função de aumentar a frente de onda melhorando a eficiência

hidrodinâmica do aparato. Por uma exigência de projeto devem ser formadas por tubos

para barateamento da construção, já que estes, se espera, serão doados ou comprados

por um baixo preço.

A praça de máquinas representada a seguir será alocada na parte superior do sistema.

Esta não deve ser inundada por conta do gerador elétrico que ficará dentro da mesma.

Em estudos mais avançados (que não estão contidos neste trabalho) pode-se encontrar

a necessidade de bombas e outros equipamentos que ficarão dentro deste

compartimento.

Finalmente a Praça de Máquinas deve ser “vazada”, ou seja, deve permitir a passagem

de ar para diminuição da área vélica e assim não causar futuros transtornos nas análises

de estabilidade. Suas dimensões ainda não estão bem definidas, por isso não são

demonstradas na ilustração. O peso da mesma será considerado, para fins de cálculo,

como sendo o mesmo do gerador elétrico.

22

Figura 21 - Praça de Máquinas

Estas são as partes principais e essenciais para que o sistema seja implementado. No

entanto no decorrer deste trabalho podem aparecer outros componentes que visem

auxiliar de alguma forma transporte da estrutura.

23

3 Dimensionamento da Estrutura e Análise de Equilíbrio e Estabilidade

Preliminares

Para que seja satisfeito o princípio de Arquimedes, é necessário fazer um estudo de

equilíbrio. Para isso, serão testados vários diâmetros de tubulação, uma vez que seu

comprimento máximo já está definido, de maneira a encontrar a configuração com o

menor peso que consiga fazer o sistema flutuar.

Uma vez determinada a configuração da estrutura, será estudado a estabilidade da

mesma de maneira a se determinar uma operação segura. Para tanto, será utilizado os

critérios de estabilidade descritos na NORMAM 01, 2005 [6], que regulamenta as

embarcações que navegam dentro da costa brasileira.

Finalmente, serão comparadas as diferentes configurações para se encontrar aquela

mais adequada ao objetivo em mente, ou seja, transportar o equipamento de maneira

segura.

3.1 Critérios de Estabilidade

Partindo do Capítulo 7, seção IV da NORMAM 01/DPC, 2005 [6], pode-se selecionar

os critérios de estabilidade que devem ser analisados.

Observa-se que a embarcação de estudo tem características peculiares, sendo mais bem

alocada no critério mais conservador da regra em questão “a) embarcação de carga ou

passageiros”. Também deve ser ressaltado que o último critério referente ao momento

de emborcamento devido ao reboque, foi acrescentado pelo autor, uma vez que a

embarcação será rebocada até o local de operação. Este critério é utilizado, segundo a

regra, para embarcações que operam como rebocadores.

Também vale observar que os critérios “7)”, “8)” e “9)” não são aplicáveis para a

embarcação em questão.

24

Critérios de Estabilidade:

1) A área sob a Curva de Estabilidade Estática compreendida entre os ângulos de

inclinação de 0° e 30° não deverá ser inferior a 0.055 m.rad.


inclinação de 0° e 40°, ou entre 0° e o ângulo de alagamento (θf), caso este seja menor

do que 40°, não será inferior a 0.090 m.rad.


inclinação de 30° e 40°, ou entre 30° e o ângulo de alagamento (θf), caso este seja

menor do que 40°, não será inferior a 0.030 m.rad.

4) O braço de endireitamento correspondente ao ângulo de inclinação de 30° não deverá

ser menor do que 0.20 m.

5) O braço de endireitamento máximo deverá ocorrer em um ângulo de inclinação maior

ou igual a 25°.

6) A altura metacêntrica inicial (GMo) não deve ser menor do que 0.15 m.

7) O ângulo de inclinação causado pelo agrupamento de todos os passageiros em um

bordo da embarcação não deverá exceder 10° (somente aplicável às embarcações de

passageiros). (N/A)

8) O ângulo de inclinação causado por guinadas não deverá exceder 10° (somente

aplicável às embarcações de passageiros). (N/A)

9) As embarcações de passageiros ou de carga com comprimento maior ou igual a 24

metros devem, adicionalmente, atender ao Critério Ambiental (N/A)

10) A área entre as curvas dos braços de endireitamento (Curva de Estabilidade

Estática) e a curva dos braços de emborcamento devido ao reboque, compreendida entre

o ângulo do primeiro ponto de interseção das duas curvas e um ângulo correspondente

25

à soma do ângulo do primeiro ponto de interseção das duas curvas com 40°, ou com o

valor do ângulo de alagamento caso este seja menor do que 40°, a resultante não será

inferior a 0.090 m.rad, conforme indicado na Figura 16.

Figura 22 - Curva de Estabilidade Estática com Braço de Emborcamento

Cálculo do Momento Emborcador devido ao Reboque

O cálculo do momento emborcador devido ao reboque (MR) deve ser efetuado por

intermédio da seguinte expressão:

MR = F x d x cos θ, onde:

MR = momento emborcador devido ao reboque, em t.m;

F = metade da máxima força de tração estática, em t;

d = braço do momento de inclinação devido ao reboque; e θ = ângulo de inclinação da

embarcação.

O momento emborcador devido ao reboque deve ser calculado utilizando-se metade da

força de tração estática da embarcação atuando em um ângulo de 90° com a Linha de

Centro da Embarcação.

O valor da força de tração estática deverá ser obtido por intermédio de um Teste de

Tração Estática. Em considerações preliminares, poderá ser adotado o valor estimado

de 0.0135 t / BHP, segundo a NORMAM 01 [6].

26

O braço do momento de inclinação devido ao reboque deve ser tomado igual à distância

vertical medida a partir do extremo superior do “gato de reboque” até o centro de carena

ou, alternativamente, até a metade do calado médio, na condição de carregamento

considerada.

Os braços de emborcamento devido ao reboque (BR), cuja curva deve ser representada

junto com a Curva de Estabilidade Estática, podem ser calculados para cada ângulo de

inclinação por intermédio da seguinte expressão:

BR = MR / Δ,

onde:

BR = braço de emborcamento devido ao reboque, em m;

MR = momento emborcador calculado de acordo com a fórmula (19); e

Δ = deslocamento da embarcação, na condição de carregamento considerada, em t.

3.2 Estudos de Equilíbrio e Estabilidade Preliminares

Para determinação do peso total da estrutura, foram estudados os pesos da torre onde

se alocará o flutuador do sistema, da estrutura da base, e dos outros equipamentos como:

o próprio flutuador, placas da base e o gerador elétrico.

O peso da torre foi selecionado tendo em mãos o projeto de tal estrutura já idealizado

retirado de GOMES, 2017 [7]. Os equipamentos extras que são: Gerador Elétrico,

Flutuador e as Placas da Base, também tiveram seus pesos devidamente estudados

(como ficará claro no decorrer do trabalho, ao se observar as tabelas dos respectivos

cálculos).

Para a determinação do peso da base, foi utilizado um catálogo de fabricante da

indústria naval [8], onde foram estudados dutos de DN (diâmetro nominal) dentre uma

faixa de 16” à 36”. Com os dados relativos ao peso por metro de duto, foi possível

encontrar os pesos de cada configuração (com bases compostas por diferentes diâmetros

de tubos).

27

A viga “I” colocada como apoio estrutural foi dimensionada de maneira que o arranjo

dos dutos fosse de fácil montagem. Como esta tem função estrutural e tem de ser pesada

para auxiliar na ancoragem do sistema, seu dimensionamento foi estudado, variando ao

longo do projeto, sempre buscando auxiliar no equilíbrio.

3.2.1 Transporte da estrutura com a base sobre a água

Figura 23 - Estrutura com base sobre a água

28

A primeira configuração estudada para transportar a estrutura flutuante foi, como se

poderia imaginar, rebocar a mesma sobre a água. Para tanto, foi estudado o peso total

da estrutura, assim como o deslocamento que ocorreria no caso da operação com um

calado na metade do diâmetro dos tubos da base.

Esse estudo foi feito para diferentes configurações de dutos, ou seja, variando os

diâmetros destes na base numa faixa de 16” até 36”. Assim pode-se ver as tabelas que

demonstram este estudo para o arranjo com tubos de 20”.

Tabela 3 -Paso da Torre

Tubulações da Torre Qtd Diam ext

(mm)

Diam int

(mm) Comp (m) kg/m Peso (t)

Base 1 4 168,300 154,080 8,114 28,230 0,916

Base 2 4 168,300 154,080 8,114 28,230 0,916

Base 3 4 168,300 154,080 8,114 28,230 0,916

Base 4 4 168,300 154,080 8,114 28,230 0,916

Base 5 4 168,300 154,080 8,114 28,230 0,916

Vigas verticais 4 168,300 154,080 20,100 28,230 2,270

Vigas diagonais 1 8 168,300 154,080 9,100 28,230 2,055

Vigas diagonais 2 8 168,300 154,080 9,100 28,230 2,055

Vigas diagonais 3 8 168,300 154,080 9,100 28,230 2,055

Total - - - - - 13,016

Tabela 4 - Peso da Base

Tubulações da Base Qtd Diam ext

(mm)

Diam int


Base maior 4 508,000 488,950 48,000 116,970 5,615

Base menor 4 508,000 488,950 40,000 116,970 4,679

Placas da Base 4 323,84 307,080 12,000 65,130 7,816

Viga Diagonal* 2 - - 17,000 149,150 5,325

Total - - - - - 23,434

* viga 1000x500x9,5 mm

29

Tabela 5 - Peso de Equipamentos extras

Estruturas Extras Qtd Área (m²) Esp (m) Peso (t)

Est Pirâmide 1 143,110 0,013 14,043

Gerador Elétrico 1 - - 1,200

Total 2 - - 15,243

Tabela 6 - Pesos Totais

Peso Total 54,404 t

VCG 7,810 m

Solda 2.5% 1,360 t

Pintura 2.5% 1,360 t

Peso Final 57,125 t

Tabela 7 - Deslocamentos Totais

Base Maior 4,864 m³

Base Menor 4,054 m³

Volume Deslocado Total 8,918 m³

Deslocamento Total 9,141 t

Assim, após o estudo com todas as tubulações, pode-se concluir que, o equilíbrio não é

satisfeito para nenhuma opção com dutos dentre estes estudados e selecionados como

possíveis para o projeto. Lembrando que uma das restrições de projeto é trabalhar com

dutos fabricados comercialmente em larga escala no mercado brasileiro.

Pode-se ver a relação dos pesos e deslocamentos para todas as configurações analisadas.

Tabela 8 e Figura 24.

30

Tabela 8 - Relação Peso x Deslocamento para cada DN

DN Peso

(t)

Desl

(t)

Difer

(%)

16 50,215 5,850 88,3

18 51,131 7,404 85,5

20 53,836 9,141 83,0

22 54,936 11,029 79,9

24 56,038 13,163 76,5

26 57,138 15,448 73,0

28 58,275 17,916 69,3

30 59,341 20,066 66,2

32 60,442 23,401 61,3

34 61,536 26,417 57,1

36 62,645 29,617 52,7

Figura 24 -Relação Peso x Deslocamento para cada DN

Porém, surge o questionamento sobre qual seria o diâmetro necessário dos dutos da

base para fazer o sistema flutuar, mesmo que não seja tão simples de aplicá-lo no

0.000

10.000

20.000

30.000

40.000

50.000

60.000

70.000

14 19 24 29 34 39

Car

rega

men

tos

(t)

Diâmetros Nominais (polegadas)

Peso x Deslocamento

Peso (t) Desl (t)

31

projeto. Isso levando em conta que estes teriam de ser fabricados. É interessante estudar

esta possibilidade, caso seja a única possível para tal projeto.

Assim, realizando procedimento iterativo semelhante, chegou-se a conclusão de que

para que houvesse equilíbrio a estrutura da base deveria ter uma tubulação com

diâmetro externo de 1445 mm como pode ser observado nas tabelas de cálculo a seguir.

Tabela 9 - Peso da Torre


(mm)

Diam int


Base 1 4 168.300 154.080 8.114 28.230 0.916

Base 2 4 168.300 154.080 8.114 28.230 0.916

Base 3 4 168.300 154.080 8.114 28.230 0.916

Base 4 4 168.300 154.080 8.114 28.230 0.916

Base 5 4 168.300 154.080 8.114 28.230 0.916

Vigas verticais 4 168.300 154.080 20.100 28.230 2.270

Vigas diagonais 1 8 168.300 154.080 9.100 28.230 2.055

Vigas diagonais 2 8 168.300 154.080 9.100 28.230 2.055

Vigas diagonais 3 8 168.300 154.080 9.100 28.230 2.055

Total 48 87.970 - 13.016



(mm)

Diam int


Base maior 4 1444.870 1426.870 48.000 334.631 16.062

Base menor 4 1444.870 1426.870 40.000 334.631 13.385

Placas da Base 4 323.840 307.080 120.000 65.130 7.816

Viga Diagonal* 2 - - 17.000 137.375 4.904

Total 14 225.000 - 42.167

32

Tabela 11 - Peso de Equipamentos extras

Estruturas

Extras Qtd Área (m²) Esp (m) Peso (t)

Est Pirâmide 1 143.110 0.013 14.043

Ger Elétrico 1 - - 1.200

Total 2 143.110 0.013 15.243

Tabela 12 - Pesos Totais

Peso Total 70.426 t

VCG 6.209 m

Solda 2.5% 1.761 t

Pintura 2.5% 1.761 t

Peso Final 73.948 t

Tabela 13 - Deslocamentos Totais

Base Maior 39.35 m³

Base Menor 32.79 m³

Volume Deslocado Total 72.14 m³

Deslocamento Total 73.95 t

Assim, tendo em vista que esta seja uma configuração possível no projeto, foi estudada

a sua estabilidade. Para tanto, foi feito um modelo simplificado no software Rhinoceros

[9], onde a base tem características semelhantes da base original. Este modelo foi feito

de maneira simplificada (com bases retangulares ao invés de cilíndricas) porque a

modelagem de cilindros não tem uma compatibilidade tão imediata com o software

usado para os estudos de estabilidade, o MaxSurf [10]. Assim, para agilizar o estudo,

foi feito um modelo equivalente, que pode ser observado na figura a seguir.

33

Figura 25 - Modelo Simplificado

Pode-se observar no estudo de estabilidade que quase todos os critérios são satisfeitos.

No entanto, veja que o critério “5) O braço de endireitamento máximo deverá ocorrer

em um ângulo de inclinação maior ou igual a 25°” não é atendido.

Tabela 15 - Critérios de Estabilidade

Code Criteria Value Units Actual Status Margin %

A.749(18) Ch3 - Design criteria applicable to all ships 3.1.2.1: Area 0 to 30 3.1513 m.deg 45.8667 Pass +1355.48



A.749(18) Ch3 - Design criteria applicable to all ships 3.1.2.2: Max GZ at 30 or greater 0.200 m 0.790 Pass +295.00

A.749(18) Ch3 - Design criteria applicable to all ships 3.1.2.3: Angle of maximum GZ 25.0 deg 11.8 Fail -52.73

A.749(18) Ch3 - Design criteria applicable to all ships 3.1.2.4: Initial GMt 0.150 m 15.657 Pass +10338.00

Tabela 14 - Condição de Carregamento

34

Mais interessante ainda é quando baixa-se o centro de gravidade do sistema para que

este fique na altura da quilha (Tabela 16). Veja na Tabela 17 que mesmo nesta situação

extrema (e impraticável) o critério continua não sendo atendido.

Figure 1 - Figura 26 - Curva de Estabilidade Estática

Tabela 16 - Condição de carregamento

35









Estudando mais a fundo a geometria do sistema, pode-se ir às curvas cruzadas de

estabilidade, que mostram o comportamento do braço de endireitameto da embarcação

para ângulos diversos em diferentes deslocamentos. A tabela de curvas cruzadas foi

gerada no mesmo software, o MaxSurf.

Figure 2 - Curva de Estabilidade Estática Figura 27 - Curva de Estabilidade Estática

36

Tabela 18 - Curvas Cruzadas de Estabilidade

Desl (t) 0° 2° 4° 6° 8° 10° 20° 30° 40° 50° 60° 70° 80° 90°

1.000 0.000 5.335 5.482 5.559 5.594 5.603 5.457 5.094 4.563 3.890 3.102 2.234 1.347 0.722

17.780 0.000 2.831 3.906 4.286 4.498 4.637 4.929 4.842 4.488 3.945 3.274 2.496 1.635 0.722

34.560 0.000 1.496 2.900 3.613 3.952 4.167 4.587 4.494 4.156 3.658 3.044 2.335 1.553 0.722

51.330 0.000 1.012 2.026 2.938 3.475 3.782 4.144 4.025 3.728 3.301 2.766 2.144 1.455 0.722

68.110 0.000 0.768 1.537 2.310 2.959 3.261 3.575 3.470 3.227 2.876 2.434 1.917 1.340 0.722

72.640 0.000 0.717 1.435 2.156 2.730 3.017 3.313 3.230 3.015 2.699 2.299 1.832 1.325 0.999

84.890 0.000 0.621 1.244 1.866 2.300 2.560 2.821 2.780 2.617 2.368 2.047 1.673 1.298 1.519

101.700 0.000 0.524 1.049 1.434 1.644 1.770 2.026 2.036 1.966 1.835 1.657 1.468 1.468 1.387

118.400 0.000 0.455 0.804 0.946 1.031 1.092 1.278 1.371 1.392 1.367 1.311 1.272 1.513 1.293

135.200 0.000 0.306 0.380 0.425 0.463 0.497 0.633 0.737 0.823 0.899 0.976 1.119 1.319 1.222

152.000 0.000 0.041 0.081 0.122 0.162 0.203 0.399 0.583 0.750 0.894 1.011 1.096 1.149 1.167

Com estas, pode-se notar que a Curva de KN para o deslocamento em questão (como

destacado na Tabela 18), tem um ponto de máximo em um ângulo abaixo dos 25° (como

seria necessário para atender a regra). Porém, KN não é suficiente para estudar a

Figure 3 -

0.000

1.000

2.000

3.000

4.000

5.000

6.000

0.000 20.000 40.000 60.000 80.000 100.000 120.000 140.000 160.000

KN

(m

)

Ângulos (graus)

Curvas Cruzadas de Estabilidade0°

2°

4°

6°

8°

10°

20°

30°

40°

50°

60°

70°

80°

90°

Figura 28 - Curvas Cruzadas de Estabilidade

37

estabilidade. Sabe-se de ZUBALY [11] que esta deve ser corrigida de maneira que

possa se traçar a curva de endireitamento. Esta correção se dá pela relação:

𝐺𝑍 = 𝐾𝑁 − 𝑦𝐺. 𝐶𝑜𝑠𝜃 − 𝑧𝐺. 𝑆𝑒𝑛𝜃

𝑦𝐺 = 𝑐𝑜𝑜𝑟𝑑𝑒𝑛𝑎𝑑𝑎 𝑦 𝑑𝑜 𝑐𝑒𝑛𝑡𝑟𝑜 𝑑𝑒 𝑔𝑟𝑎𝑣𝑖𝑑𝑎𝑑𝑒

𝑧𝐺 = 𝑐𝑜𝑜𝑟𝑑𝑒𝑛𝑎𝑑𝑎 𝑧 𝑑𝑜 𝑐𝑒𝑛𝑡𝑟𝑜 𝑑𝑒 𝑔𝑟𝑎𝑣𝑖𝑑𝑎𝑑𝑒

Assim, chegou-se ao gráfico da Figura 29. Veja que neste, o ponto de máximo para o

GZ é sempre menor que 25°. Isso fica claro ao observar-se o comportamento das curvas

que serão subtraídas da curva de KN. Ou seja, as curvas de yG.Cos e zG.Sen.

Tabela 19 - Curvas de Braços de Endireitamento para o deslocamento de 72.640 t

Curvas de Braços de Endireitamento para o deslocamento de 72.640 t

Graus KN YG ZG Cos Sen YG.Cos ZG.Sen GZ

0 0.000 0.000 3.000 1.000 0.000 0.000 0.000 0.000

2 0.717 0.070 2.945 0.999 0.035 0.070 0.103 0.544

4 1.435 0.211 2.968 0.998 0.070 0.210 0.207 1.018

6 2.156 0.329 2.967 0.995 0.105 0.327 0.310 1.518

8 2.730 0.423 2.966 0.990 0.139 0.419 0.413 1.898

10 3.017 0.516 2.965 0.985 0.174 0.508 0.515 1.994

20 3.313 1.027 2.792 0.940 0.342 0.965 0.955 1.393

30 3.230 1.507 2.592 0.866 0.500 1.305 1.296 0.629

40 3.015 1.925 2.265 0.766 0.643 1.475 1.456 0.084

50 2.699 2.300 1.920 0.643 0.766 1.478 1.471 -0.250

60 2.299 2.606 1.480 0.500 0.866 1.303 1.282 -0.285

70 1.832 2.817 1.011 0.342 0.940 0.963 0.950 -0.081

80 1.325 2.958 0.488 0.174 0.985 0.514 0.481 0.331

90 0.999 3.000 0.000 0.000 1.000 0.000 0.000 0.999

38

Figura 29 - Curvas de GZ, KN, yGcos e zGsen

Assim, pode-se concluir que esta configuração não é a mais apropriada para o transporte

seguro da embarcação. Sendo necessário estudar outras formas de se realizar a

operação.

10, 1.994

20, 3.313

-0.500

0.000

0.500

1.000

1.500

2.000

2.500

3.000

3.500

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

Bra

ços

de

End

irei

tam

ento

(m

)

Ângulos (Graus)

Curvas de GZ, KN, yG.Cos e zG.Sen

GZ

KN

yG.Cos

zG.Sen

39

3.2.2 Transporte da estrutura com submersão da base

Figura 30 - Transporte com submersão da base

Para que se pudesse dar seguimento ao estudo, foi proposta uma nova configuração

para o transporte do equipamento. Nesta, o sistema será transportado com sua base

completamente imersa. De maneira que o calado fique em torno de 3 a 4 m. Isso para

respeitar os limites de calado da região de 5,6 m (citado na Seção 2 deste trabalho), e

ter uma margem de segurança pra que não ocorra nenhuma avaria.

Como na etapa anterior, o primeiro passo foi estudar o equilíbrio do sistema, ou seja,

variou-se diferentes tubulações de diversos diâmetros para que se encontrasse o sistema

40

que, uma vez imerso no calado de operação, pudesse satisfazer o Princípio de

Arquimedes.

Assim, temos os cálculos relativos ao duto de 34” que melhor satisfez o equilíbrio do

sistema flutuante.



(mm)

Diam int


Base 1 4 168.300 154.080 8.114 28.230 0.916

Base 2 4 168.300 154.080 8.114 28.230 0.916

Base 3 4 168.300 154.080 8.114 28.230 0.916

Base 4 4 168.300 154.080 8.114 28.230 0.916

Base 5 4 168.300 154.080 8.114 28.230 0.916

Vigas verticais 4 168.300 154.080 20.100 28.230 2.270

Vigas diagonais 1 8 168.300 154.080 9.100 28.230 2.055

Vigas diagonais 2 8 168.300 154.080 9.100 28.230 2.055

Vigas diagonais 3 8 168.300 154.080 9.100 28.230 2.055

Total - - - - - 13.016


Tubulações da Base Qtd

Diam ext

(mm)

Diam int


Base maior 4 863.600 844.600 48.000 200.310 9.615

Base menor 4 863.600 844.600 40.000 200.310 8.012

Placas da Base 4 323.840 307.080 120.000 65.130 7.816

Viga Diagonal** 2 - - 17.000 149.150 5.325

Total -

- - 30.768

*A viga tem 1000x500x9.5

41

Tabela 22 - Peso Estruturas Extras

Estruturas


Est Pirâmide 1 143.110 0.013 14.043


Total - - - 15.243

Tabela 23 - Deslocamento Total



Placas da Base 4.942 m³

Base 1 0.722 m³

Base 2 0.722 m³

Vigas diagonais 1 1.62 m³

Vigas Verticais 0.358 m³

Volume deslocado Total 59.910 m³


Tabela 24 - Peso Total

Peso Total 59.026 t

VCG 7.180 m

Solda 2.5% 1.476 t


Peso Final 61.978 t

Assim, como o estudo das diversas configurações testadas. Seguem Tabela 25 e Figura

31.

42

Tabela 25 - Relação Peso x Deslocamento para cada DN

DN Peso

(t)

Desl

(t)

Difer

(%)

16 50.656 20.273 60.0

18 51.573 23.381 54.7

20 54.277 26.854 50.5

22 55.378 30.630 44.7

24 56.479 34.898 38.2

26 57.580 39.469 31.5

28 58.681 44.405 24.3

30 59.782 48.495 18.9

32 60.884 55.374 9.0

34 61.978 61.407 0.9

36 63.087 67.806 -7.5

Figura 31 - Peso x Deslocamento

0.000

10.000

20.000

30.000

40.000

50.000

60.000

70.000

80.000

14 19 24 29 34 39

Car

rega

men

tos

(t)

Diâmetros Nominais (polegadas)

Peso x Deslocamento

Peso (t) Desl (t)

43

Assim, foi proposto o modelo equivalente simplificado a seguir. Lembrando que as

dimensões são tais que o deslocamento e áreas de linha d’água do protótipo original

tem mesmos valores do modelo diferindo apenas no formato (o modelo tem bases

prismáticas e o protótipo tem bases cilíndricas).

Figura 32 - Modelo Simplificado

Este modelo foi então submetido ao estudo de equilíbrio e estabilidade no software

MaxSurf. De maneira que obteve os seguintes resultados.

Tabela 26 - Condiçõe de Carregamento

44

Tabela 27 - Equilíbrio da condição, com GM

Draft Amidships m 3.143

Displacement t 61.98

Heel deg 0.0

Draft at FP m 3.143

Draft at AP m 3.143

Draft at LCF m 3.143

Trim (+ve by stern) m 0.000

WL Length m 11.812

Beam max extents on WL m 11.680

Wetted Area m^2 260.802

Waterpl. Area m^2 4.061

Prismatic coeff. (Cp) 0.455

Block coeff. (Cb) 1.939

Max Sect. area coeff. (Cm) 5.066

Waterpl. area coeff. (Cwp) 0.409

LCB from zero pt. (+ve fwd) m 0.000

LCF from zero pt. (+ve fwd) m 0.000

KB m 0.622

KG fluid m 7.180

BMt m 1.379

BML m 1.331

GMt corrected m -5.179

GML m -5.227

KMt m 2.001

KML m 1.953

Immersion (TPc) tonne/cm 0.042

MTc tonne.m -0.270

RM at 1deg = GMt.Disp.sin(1) tonne.m -5.602

Max deck inclination deg 0.0000

Trim angle (+ve by stern) deg 0.0000

45



A.749(18) Ch3 - Design criteria applicable to all ships 3.1.2.1: Area 0 to 30 3.1513 m.deg 0.0000 Fail -100.00


A.749(18) Ch3 - Design criteria applicable to all ships 3.1.2.1: Area 30 to 40 1.7189 m.deg 40.6494 Fail +2264.85

A.749(18) Ch3 - Design criteria applicable to all ships 3.1.2.2: Max GZ at 30 or greater 0.200 m -2.705 Fail -1452.50


A.749(18) Ch3 - Design criteria applicable to all ships 3.1.2.4: Initial GMt 0.150 m -5.179 Fail -3552.67

A estabilidade falhou em todos os critérios e por isso, este modelo, do jeito que está

implementado, não se adéqua ao objetivo de um sistema que possa navegar com

segurança.

Porém uma observação interessante pode ser feita a partir de tal estudo. Observe na

Tabela 27, que o valor de GM está negativo. Como um dos critérios de estabilidade é:

“A altura metacêntrica inicial (GMo) não deve ser menor do que 0.15 m”, seria

interessante entender a razão desta estar negativa.

Observando a Figura 34 , e também de [11] podemos ver que vale a relação:

Figura 33 - Curva de Estabilidade Estática

46

𝐾𝑀 = 𝐺𝑀 + 𝐾𝐺 = 𝐾𝐵 + 𝐵𝑀

Onde:

𝐺𝑀 = 𝐵𝑀 + 𝐾𝐵 − 𝐾𝐺

𝐵𝑀 =𝐼𝑤𝑙

𝑉𝑜𝑙=

𝐼𝑛é𝑟𝑐𝑖𝑎 𝑑𝑎 𝑙𝑖𝑛ℎ𝑎 𝑑′á𝑔𝑢𝑎

𝑣𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒 𝑑𝑒𝑠𝑙𝑜𝑐𝑎𝑑𝑜

𝐾𝐵 = 𝑎𝑙𝑡𝑢𝑟𝑎 𝑑𝑜 𝑐𝑒𝑛𝑡𝑟𝑜 𝑑𝑒 𝑐𝑎𝑟𝑒𝑛𝑎

𝐾𝐺 = 𝑎𝑙𝑡𝑢𝑟𝑎 𝑑𝑜 𝑐𝑒𝑛𝑡𝑟𝑜 𝑑𝑒 𝑔𝑟𝑎𝑣𝑖𝑑𝑎𝑑𝑒

Figura 34 - Representação da altura metacêntrica de uma embarcação

Fonte : http://www.marineinsight.com/naval-architecture/inclining-experiment-determining-metacentric-height-

of-the-ship/

Observando que ao isolar GM, temos todas as parcelas da equação fixas, menos o BM

(Raio Metacênctrico). Este, como mostrado anteriormente, depende da inércia da linha

d’água do sistema. Assim, fazendo um cálculo rápido para o sistema tem-se:

𝐺𝑀 = 𝐵𝑀 + 𝐾𝐵 − 𝐾𝐺 = 1,379 + 0,622 − 7,18 = −5,179 𝑚

Então, este estudo simples, já apresenta uma boa estimativa do que deve ser feito em

termos de projeto na próxima etapa. Ou seja, será estudada uma forma de se conseguir

47

melhorar a inércia da linha d’água e então obter ao menos um valor positivo para o GM

inicial. Uma vez que este sendo negativo, independente de qualquer outra característica

que possa ter a embarcação, já é um forte indício de instabilidade da mesma.

3.2.3 Transporte da estrutura com submersão da base e auxílio de flutuadores

Na nova proposta do sistema flutuante, precisamos resolver um problema no que

disrespeito ao BM (Raio Metacêntrico da embarcação). Ou seja, este está muito

pequeno, de maneira que precisa ter seu valor aumentado.

Para tanto foram propostos os seguintes cálculos, no intuito de analisar o BM quando

acrescentados os flutuadores:

𝐾𝐺 ~ 7.2 𝑚 (𝑣𝑎𝑟𝑖𝑎 𝑐𝑜𝑚 𝑎𝑠 𝑑𝑖𝑚𝑒𝑛𝑠õ𝑒𝑠 𝑑𝑜 𝑓𝑙𝑢𝑡𝑢𝑎𝑑𝑜𝑟)

𝐾𝐵 ~ 1 𝑚 (𝑣𝑎𝑟𝑖𝑎 𝑐𝑜𝑚 𝑎𝑠 𝑑𝑖𝑚𝑒𝑛𝑠õ𝑒𝑠 𝑑𝑜 𝑓𝑙𝑢𝑡𝑢𝑎𝑑𝑜𝑟)

𝐺𝑀 > 0.15

𝐵𝑀 =𝐼𝑤𝑙

𝑉𝑜𝑙= ?

𝐺𝑀 + 𝐾𝐺 = 𝐾𝐵 + 𝐵𝑀

𝐺𝑀 = 𝐾𝐵 + 𝐵𝑀 − 𝐾𝐺 > 0,15

𝐵𝑀 > 0,15 − 𝐾𝐵 + 𝐾𝐺

𝑩𝑴 > 6,35 𝑚

48

Ou seja, quando acrescentados os Flutuadores auxiliares, como pode ser observado na

Figura 35, o conjunto tem de garantir uma inércia tal que proporcione um BM maior

que 6.35 m

Assim, utilizando-se o teorema dos eixos paralelos [12] pode-se calcular a inércia total

do sistema em relação à linha de centro da embarcação. Como demonstrado na tabela a

seguir.

Tabela 29 - Cálculo da Inércia dos Flutuadores

Largura

(mm)

Comprimento

(mm)

Área

(mm²)

Yi

(mm)

Inércia

(mm^4)

1° Mom

(mm³)

2° Mom

(mm^4)

700 13000 9100000 -7000 3.71583E+11 -63700000000 4.459E+14

700 13000 9100000 7000 3.71583E+11 63700000000 4.459E+14

Tabela 30 - Inércia dos Flutuadores e Raio Metacêntrico

Centróide 0,000 m

Inércia Total 892,543 m^4

BM 14,400 m

Figura 35 - Croqui do Sistema Flutuante com Flutadores auxiliares

49

Assim, pode-se ver que esta configuração com dois flutuadores de largura 700 mm e

comprimento 13 m, satisfaz com folga o valor necessário para que o sistema tenha um

GM inicial positivo.

Então, pode ser realizado todo um novo estudo, utilizando o mesmo método aplicado

para todas as interações trabalhadas neste trabalho. Primeiro, foram acrescentados os

dutos dos flutuadores na planilha de estudo de equilíbrio. Em seguida encontrada a

configuração da base que melhor se satisfaz o Princípio de Arquimedes. Novamente,

foi modelado o sistema e testada sua estabilidade.

Observe que os dutos utilizado no novo sistema para compor o flutuador foram de DN

28” (diâmetro externo 711,20 mm) como mostra a Figura 36. Estes são os diâmetros

comerciais que mais se assemelham àqueles propostos no estudo.

Observe também que na nova configuração, o duto da base que melhor satisfaz o

Equilíbrio é o tubo de DN 34”.



(mm)

Diam int


Base 1 4 168.300 154.080 8.114 28.230 0.916

Base 2 4 168.300 154.080 8.114 28.230 0.916

Base 3 4 168.300 154.080 8.114 28.230 0.916

Base 4 4 168.300 154.080 8.114 28.230 0.916

Base 5 4 168.300 154.080 8.114 28.230 0.916

Vigas verticais 4 168.300 154.080 20.100 28.230 2.270

Vigas diagonais 1 8 168.300 154.080 9.100 28.230 2.055

Vigas diagonais 2 8 168.300 154.080 9.100 28.230 2.055

Vigas diagonais 3 8 168.300 154.080 9.100 28.230 2.055

Total 48 87.970 - 13.016

50



(mm)

Diam int


Base maior 4 863.600 844.600 48.000 200.310 9.615

Base menor 4 863.600 844.600 40.000 200.310 8.012

Placas da Base 4 323.840 307.080 120.000 65.130 7.816

Flutuadores Auxiliares 2 711.200 692.200 26.000 164.630 4.280

Viga Diagonal** 2 - - 17.000 149.150 5.325

Total 16 251.000 - 35.048

Tabela 33 - Peso Estruturas Extras

Estruturas


Est Pirâmide 1 143.110 0.013 14.043


Total 2 143.110 0.013 15.243

Tabela 34 - Deslocamento Total



Flut Auxiliares 5.164 m³


Base 1 0.722 m³

Base 2 0.722 m³



Volume Deslocado Total 65.07 m³


51

Tabela 35 - Peso Total

Peso Total 63.307 t

VCG 6.898 m

Solda 2.5% 1.583 t


Peso Final 66.472 t

Assim, foi proposto o modelo que pode ser observado na Figura 36.

Figura 36 - Modelo de Sistema Flutuante com Flutuadores Auxiliares

52

Ao se testar o modelo, observe que o novo GM foi melhorado. Sendo que este agora

tem valor positivo e maior que 0.15m, como era de se esperar.

Tabela 36 - Equilíbrio com Indicação do GM



Heel deg 0.0

Draft at FP m 3.154

Draft at AP m 3.154



WL Length m 13.000










KB m 0.690

KG fluid m 7.000

BMt m 14.783

BML m 4.997

GMt corrected m 8.473

GML m -1.313

KMt m 15.473

KML m 5.687


MTc tonne.m -0.073

RM at 1deg = GMt.Disp.sin(1) tonne.m 9.863



53

Porém, como se pode observar na tabela abaixo, o sistema ainda não tem uma boa

estabilidade. Sendo que 4 dos 6 critérios não são satisfeitos.



A.749(18) Ch3 - Design criteria applicable to all ships 3.1.2.1: Area 0 to 30 3.1513 m.deg -21.2929 Fail -775.69




A.749(18) Ch3 - Design criteria applicable to all ships 3.1.2.3: Angle of maximum GZ 25.0 deg 180.0 Pass +620.00


Então, para estudar mais à fundo o problema de maneira que se pudesse chegar à uma

solução que realmente satisfaça a condição estável de flutuação, foi observado o

comportamento do Centro de Carena da embarcação. Inclinando a mesma em diferentes

angulações com o auxílio do Software MaxSurf [10], pode-se gerar as seguintes figuras.

Figure 4 - Figura 37 - Curva de Estabilidade Estática

54

Figura 38 - Comportamento Peso e Empuxo (inclinação de 0°)

55


56


Observando atentamente o momento binário que aparece resultante das ações das forças

de Peso e Empuxo, pode-se observar que a embarcação tenderá a emborcar

rapidamente, uma vez que para um ângulo de jogo de 10° o braço já se mostra favorável

à ocorrência de tal fenômeno.

Assim, qual seria a solução mais interessante?

O que se pode fazer neste caso é tentar movimentar o centro de gravidade e centro de

carena da embarcação de maneira que estes possam formar um binário no qual o sistema

tenda a retornar para a posição de calado uniforme, que é a configuração de equilíbrio

mais interessante para a embarcação.

Este fenômeno pode ser observado na Figura 41.

57

Figura 41 - Momento Binário Peso x Empuxo

Veja que em “a)” temos o Peso (weight) e o Empuxo (Buoyancy) alocados na mesma

linha vertical. Ou seja, seus vetores estão equilibrados. Já na configuração “b)” algum

momento externo (uma onda transversal ou uma lufada de vento, por exemplo) age na

embarcação causando uma perturbação. Quando isto ocorre, esta vai adernar, movendo

o centro de carena (centro geométrico do volume submerso) para uma nova posição.

Observando atentamente, pode-se ver que nesta nova configuração os vetores das duas

forças que atuam no sistema (Peso e Empuxo) formam um binário que, por sua vez, vai

gerar um momento restaurador “MA”. Este então vai trazer a embarcação para o regime

de equilíbrio inicial, com calado uniforme e Peso e Empuxo na mesma vertical.

Assim, em termos práticos para o modelo que se estuda neste trabalho, o que será feito

é variar a geometria dos flutuadores de maneira que estes possam mover o centro de

carena e centro de gravidade da embarcação.

58

1ª Iteração - 3 dutos enfileirados lateralmente

A primeira iteração foi feita alocando três dutos de DN 28” um ao lado do outro, como

pode ser observado na Figura 42 abaixo.

Figura 42 - Modelo Equivalente (3 dutos alinhados)

Porém analisando a Estabilidade de tal conjunto, pode-se ver que os critérios ainda não

são satisfeitos.









59

2ª Iteração - 6 enfileirados lateralmente

Então, foi proposto um novo sistema com 6 dutos, um ao lado do outro, em cada bordo

da embarcação, como mostra a figura a seguir.

Figura 43 - Modelo Equivalente (6 dutos alinhados)

Porém, veja na análise dos critérios de Estabilidade a seguir que, a embarcação fica

com um GM inicial muito alto (Tabela 39), significando um momento de restauração

muito grande para pequenos ângulos. Isso pode acarretar em acelerações muito intensas

na estrutura e, portanto, não é interessante. Além de ficar deselegante e ter dimensões

maiores do que se espera em termos de Boca Máxima.

60









3ª Iteração - 6 dutos sobrepostos em duas fileiras

A próxima iteração foi analisar 6 dutos em cada flutuador, de maneira que estes

formassem duas pilhas de 3. Como pode ser observado na Figura 44 abaixo.

Figura 44 - Modelo Equivalente (6 dutos Empilhados)

61









Os critérios são melhor atendidos, porém não completamente. Assim, Tentou-se uma

nova configuração.

62

4ª Iteração - 9 dutos enfileirados e em pilhas de 3

Nesta nova configuração, a tentativa foi de melhorar a Borda Livre do sistema

Flutuante. Ou seja, foi de aumentar em uma fileira empilhando 9 dutos, como pode ser

observado na Figura 45 abaixo.

Figura 45 - Modelo Equivalente (9 dutos Empilhados)

Como pode ser observado na Tabela 41 a seguir, todos os critérios são atendidos nesta

configuração. Assim, esta seria uma configuração aceitável para o transporte do

Sistema.









63

5ª Iteração – um flutuante retangular com a mesma dimensão dos dutos

No entanto, o empilhamento de dutos é uma ação não muito simples de se realizar.

Primeiro porque terá a soldagem um tanto quanto complicada, o peso dos flutuadores

ficará um pouco maior do que necessário (mais aço processado) e, além disso, quando

a embarcação adernar, a área de linha d’água não terá uma geometria retangular,

variando muito com os movimentos do equipamento.

Assim, foi proposto um novo sistema, onde os flutuadores serão fabricados de forma

retangular. Ou seja, serão chapas de aço soldadas de maneira que possam ter uma

geometria mais interessante para o sistema. Como pode ser observado na Figura 46 a

seguir.

Também pensando na facilidade de produção as dimensões dos flutuadores foram

estimadas de maneira que pudessem ter comprimento e largura múltiplos de tamanhos

de chapas comerciais. Assim, utilizando a referência [13] fomos capazes de chegar a

uma configuração cujas dimensões dos flutuadores têm 1,8m x 1,5m x 13,0m.

64

Figura 46 - Modelo Equivalente (Flutuador Retangular)

Tabela 42 - Critérios de estabilidade


Heeling arm criteria (stand alone) GZ area between limits type 1 - general heeling arm 5.1600 m.deg 50.0272 Pass +869.52







65

6ª Iteração – um flutuante retangular com a mesma dimensão dos dutos alocados

em ambos os bordos, a vante e a ré do flutuador

Para concluir o estudo de estabilidade preliminar, foi feito uma última análise que, de

início passou despercebida. Porém seu estudo é de suma importância, podendo acarretar

no sucesso ou fracasso do projeto, uma vez que a embarcação esteja em operação.

Na maioria das embarcações propelidas, até por questões hidrodinâmicas que não

cabem discussão neste trabalho, a geometria costuma ter uma grande “esbeltez”. Isso

é, costuma ter um comprimento maior (às vezes consideravelmente maior) do que a

boca da mesma.

Assim quando estudada a estabilidade, o que se faz na prática é trabalhar na condição

mais crítica. Ou seja, na condição em que a embarcação está inclinando lateralmente

(adernando), pois a inércia de giro do sistema flutuante, neste caso, é muito menor do

que no sentido longitudinal.

Porém, como pode ser observado, nosso sistema flutuante de estudo tem as mesmas

características geométricas, tanto na direção longitudinal quanto transversal. Assim, a

estabilidade não pode ser tratada somente em um sentido. Considerando a semelhança

no sentido longitudinal e transversal (ambos tem bases tubulares de 12 m), e pensando

que até aqui já foi totalmente solucionado o desafio da estabilidade transversal, o que

será feito é, simplesmente, aplicar a mesma solução para a parte de vante e de ré do

sistema flutuante.

Assim, serão alocados mais 2 flutuadores de mesmas dimensões na parte de vante e de

ré da embarcação. Como pode ser observado na Figura 47.

66

Figura 47 - Modelo Equivalente (Flutuadores em todos os lados)










67

4 Estudo da operação de lastro durante a instalação

Uma vez que se tenha definido o arranjo geral do sistema, tendo garantido seu equilíbrio

e sua estabilidade, agora será estudado a operação de instalação do mesmo. Para tanto

serão inundados os tanques alocados nos dutos da base do sistema, como pode ser

observado na Figura 48.

Figura 48 - Arranjo dos Tanques da base

No entanto, para que a operação possa ser executada com segurança e precisão, também

serão lastrados os tanques alocados nos flutuantes auxiliares como pode ser observado

na Figura 49 a seguir.

68

Figura 49 - Arranjo dos Tanques dos Flutuadores

Os tanques possuem válvulas que, uma vez abertas, podem inundar estes

compartimentos fazendo com que a estrutura afunde para o leito marinho sem maiores

problemas. Ou seja, este sistema não precisa de bombas para que se consiga fazer a

operação de lastro. A própria pressão hidrostática já será suficiente para alagar os

tanques. Estas podem ser observadas na Figura 50.

69

Figura 50 - Válvulas de bloqueio

Assim, foram estudados o equilíbrio e a estabilidade do sistema durante a operação.

Observe que esta foi feita em etapas. Ou seja, foram simulados alagamentos primeiro

nos tanques da base, em seguida em tanques dos flutuadores na parte de ré, parte à

vante, e finalmente nos bordos.

Para a simulação do comportamento da estrutura como um todo foi utilizado o software

Modelmaker [14] (para a modelagem do sistema) e o Autohydro [15] (para as análises

de equilíbrio). Isto foi necessário uma vez o que o MaxSurf apresentou problemas de

processamento de dados na máquina disponível. Quando modelados os tanques, o

modelo ficou muito complexo, de maneira que a análise no software não pode ser

realizada com boa precisão.

Uma última observação deve ser feita antes de se começar as análises. Esta consiste em

verificar que as “placas da base” composta por tubos, como pode ser observado na na

Seção 2 deste trabalho, tem um deslocamento equivalente à 5.065 t. No entanto, a

modelagem de tais componentes no software Modelmaker se fazia muito complexa.

Então, para que a análise de equilíbrio ficasse precisa, foi descontado do deslocamento

70

total, o valor equivalente ao volume deslocado pelas placas. Assim, haverá a

manutenção do calado de projeto.

1ª Etapa da Operação – Calado de Projeto, embarcação navegando sem lastro

Nesta etapa, é analisada a condição de navegação em calado de projeto. A operação de

lastro, assim como as análises de estabilidade, começa na próxima etapa.

Tabela 44 - 1ª Etapa Equilíbrio do Sistema

Draft FP 3.486m Heel zero GM(Solid) 32.775m

Draft MS 3.486m Equil Yes F/S Corr 0.000m

Draft AP 3.486m Wind 0.0 kn GM(Fluid) 32.775m

Trim zero Wave No KMT 39.267 m

LCG 0.000 VCG 6.492 m TPcm 0.81

Tabela 45 - 1ª Etapa Pesos do Sistema

Item Weight

(MT)

LCG

(m)

TCG

(m)

VCG

(m)

Light Ship 78.77 0.000 0.000 6.492

Displacement 78.77 0.000 0.000 6.492

Tabela 46 - 1ª Etapa Deslocamentos do Sistema

Item Status Spgr Displ

(MT)

LCB

(m)

TCB

(m)

VCB

(m)

Eff

/Perm

BASE Intact 1.025 38.03 0.000 0.000 0.340 1.000

TORRE Intact 1.025 1.91 0.000 0.000 2.168 1.000

FLUTUADORES Intact 1.025 38.85 0.000 0.000 3.243 1.000

SubTotals: 78.79 0.000 0.000 1.816

Figura 51 - 1ª Etapa Vista de Perfil do Sistema

71

Figura 52- 1ª Etapa Vista de Topo do Sistema

2ª Etapa da Operação – Alagamento dos tanques “de fora” na Base

Nesta etapa são alagados os tubos da parte de fora da base. As válvulas dos tubos

internos serão abertas em uma etapa posterior. Isto para evitar uma quantidade

excessiva de mão de obra de mergulhadores trabalhando simultaneamente.






LCG 0.000 VCG 6.492 m TPcm 0.81


Item Weight

(MT)

LCG

(m)

TCG

(m)

VCG

(m)

Light Ship 78.77 0.000 0.000 6.492

Displacement 78.77 0.000 0.000 6.492

72



(MT)

LCB

(m)

TCB

(m)

VCB

(m)

Eff

/Perm

BASE Intact 1.025 38.03 0.000 0.000 0.340 1.000

TORRE Intact 1.025 2.09 0.000 0.000 2.297 1.000


TQ 1 LC Flooded 1.025 -5.52 5.665a 0.000 0.340 0.985

TQ 4 BB Flooded 1.025 -4.90 0.000 5.665p 0.340 0.985

TQ 4 BE Flooded 1.025 -4.90 0.000 5.665s 0.340 0.985

TQ 6 LC Flooded 1.025 -5.52 5.665f 0.000 0.340 0.985

SubTotals: 78.77 0.000 0.000 2.682

Figura 53 - 2ª Etapa Vista de Perfil do SIstema

Figura 54- 2ª Etapa Vista de Perfil do Sistema

73

Tabela 50 - Braços de endireitamento

Heel Angle (deg)

Trim Angle (deg)

Origin Depth (m)

Righting Arm (m)

Area (m-Rad)

Notes

0.00 0.00 3.744 0.000 0.000 Equil 10.00s 0.00 3.455 3.866 0.337

20.00s 0.00 2.924 3.341 1.030

30.00s 0.00 2.532 2.758 1.563

40.00s 0.00 2.225 2.073 1.986

50.00s 16.02f 1.627 0.893 2.252

60.00s 179.99f 1.074 0.130 2.336

61.31s 0.01a 0.987 0.000 2.337 RaZero

70.00s 180.00f 0.345 -0.828 2.276

80.00s 180.00f -0.620 -1.511 2.067

90.00s 180.00f -1.393 -2.275 1.738


Limit Min/Max Actual Margin Pass (1) GM at Equilibrium >0.150 m <large> Yes (2) Righting Arm at MaxRA >0.250 m 3.866 3.616 Yes (3) Righting Arm at 30.00 deg >0.200 m 2.758 2.558 Yes (4) Area from 0.00 deg to 30.00 >0.0550 m-R 1.563 1.508 Yes (5) Area from 0.00 deg to 40.00 >0.0900 m-R 1.986 1.896 Yes (6) Area from 30.00 deg to 40.00 >0.0300 m-R 0.423 0.393 Yes

Righting Arms vs. Heel

Heel angle (Degrees)

A

r

m

s

i

n

m

0.0s 50.0s

-2.0

-1.0

0.0

1.0

2.0

3.0

4.0Righting Arm

R. Area

Equilibrium

GMt

Figura 55 - Curva de Estabilidade

74

3ª Etapa da Operação – Alagamento dos tanques “de dentro” na Base






LCG 0.000 VCG 6.492 m TPcm 0.81

Tabela 53 - 3ª Pesos do Sistema

Item Weight

(MT)

LCG

(m)

TCG

(m)

VCG

(m)

Light Ship 78.77 0.000 0.000 6.492

Displacement 78.77 0.000 0.000 6.492

Tabela 54 - 3ª Etapa Deslocamentos do sistema


(MT)

LCB

(m)

TCB

(m)

VCB

(m)

Eff

/Perm

BASE Intact 1.025 38.03 0.000 0.000 0.340 1.000

TORRE Intact 1.025 2.24 0.000 0.000 2.400 1.000


TQ 1 LC Flooded 1.025 -5.52 5.665a 0.000 0.340 0.985

TQ 2 LC Flooded 1.025 -4.46 4.515a 0.000 0.340 0.985

TQ 3 BB Flooded 1.025 -3.85 0.000 4.515p 0.340 0.985

TQ 3 BE Flooded 1.025 -3.85 0.000 4.515s 0.340 0.985

TQ 4 BB Flooded 1.025 -4.90 0.000 5.665p 0.340 0.985

TQ 4 BE Flooded 1.025 -4.90 0.000 5.665s 0.340 0.985

TQ 5 LC Flooded 1.025 -4.46 4.515f 0.000 0.340 0.985

TQ 6 LC Flooded 1.025 -5.52 5.665f 0.000 0.340 0.985

SubTotals: 78.77 0.000 0.000 3.422

75

Tabela 55 - Braços de Endireitamento

Heel Angle (deg)

Trim Angle (deg)

Origin Depth (m)

Righting Arm (m)

Area (m-Rad)

Notes

0.00 0.00 3.950 0.000 0.000 Equil 10.00s 0.00 3.965 4.149 0.362

20.00s 0.00 3.905 3.735 1.117

30.00s 0.00 3.718 3.023 1.711

40.00s 0.00 3.421 2.207 2.168

50.00s 6.14f 2.966 1.289 2.475

59.98s 28.77f 2.050 0.013 2.594

60.00s 28.77f 2.048 0.012 2.594

60.13s 28.92f 2.034 0.000 2.594 RaZero

70.00s 34.68f 1.309 -0.619 2.531

80.00s 37.07f 0.714 -1.209 2.371

90.00s 36.84f -0.106 -1.568 2.126

Tabela 56 - Citérios de Estabilidade



Figura 56 - 3ª Etapa Vista de Topo do Sistema

76

4ª Etapa da Operação – Alagamento dos Flutuantes na parte de Ré

Nesta etapa serão alagados os dois tanques da parte interna dos flutuantes localizado à

ré do sistema.





Trim aft 0.677/16.900 Wave No KMT 40.520 m

LCG 0.000 VCG 6.492 m TPcm 0.71


Item Weight

(MT)

LCG

(m)

TCG

(m)

VCG

(m)

Light Ship 78.77 0.000 0.000 6.492

Displacement 78.77 0.000 0.000 6.492



A

r

m

s

i

n

m

0.0s 50.0s

-1.0

0.0

1.0

2.0

3.0

4.0Righting Arm

R. Area

Equilibrium

GMt


77



(MT)

LCB

(m)

TCB

(m)

VCB

(m)

Eff

/Perm

BASE Intact 1.025 38.03 0.000 0.000 0.340 1.000

TORRE Intact 1.025 2.37 0.176a 0.000 2.491 1.000

FLUTUADORES Intact 1.025 89.97 1.309a 0.000 3.589 1.000

TQ 1 LC Flooded 1.025 -5.52 5.665a 0.000 0.340 0.985

TQ 2 LC Flooded 1.025 -4.46 4.515a 0.000 0.340 0.985

TQ 3 BB Flooded 1.025 -3.85 0.000 4.515p 0.340 0.985

TQ 3 BE Flooded 1.025 -3.85 0.000 4.515s 0.340 0.985

TQ 4 BB Flooded 1.025 -4.90 0.000 5.665p 0.340 0.985

TQ 4 BE Flooded 1.025 -4.90 0.000 5.665s 0.340 0.985

TQ 5 LC Flooded 1.025 -4.46 4.515f 0.000 0.340 0.985

TQ 6 LC Flooded 1.025 -5.52 5.665f 0.000 0.340 0.985

TQ 7 BB Flooded 1.025 -7.06 7.705a 1.625p 3.717 0.985

TQ 7 BE Flooded 1.025 -7.06 7.705a 1.625s 3.717 0.985

SubTotals: 78.79 0.120a 0.000 3.510

78


Heel Angle (deg)

Trim Angle (deg)

Origin Depth (m)

Righting Arm (m)

Area (m-Rad)

Notes

0.00 2.29a 4.122 0.000 0.000 Equil 10.00s 5.80a 4.503 3.065 0.267

20.00s 16.48a 5.032 2.187 0.783

26.21s 117.26f 1.942 -0.085 0.909 RaZero

30.00s 117.98f 1.922 -0.100 0.897

40.00s 120.90f 1.859 -0.140 0.844

50.00s 137.62f 2.407 0.201 0.843

60.00s 158.78f 2.369 0.191 0.883

70.00s 160.22f 1.827 -0.428 0.871

80.00s 162.32f 1.095 -1.018 0.744

90.00s 161.49f 0.368 -1.858 0.497

Limit Report

Limit Min/Max Actual Margin Pass (1) GM at Equilibrium >0.150 m <large> Yes (2) Righting Arm at MaxRA >0.250 m 3.065 2.815 Yes (3) Righting Arm at 30.00 deg >0.200 m -0.100 0.300 No (4) Area from 0.00 deg to 30.00 >0.0550 m-R 0.897 0.842 Yes (5) Area from 0.00 deg to 40.00 >0.0900 m-R 0.844 0.754 Yes (6) Area from 30.00 deg to 40.00 >0.0300 m-R -0.054 0.084 No



79

Porém, como pode ser observado tanto na curva de estabilidade quanto na análise dos

critérios de estabilidade, esta condição não é segura para a embarcação. Ou seja, com

esta configuração não se pode garantira a estabilidade do sistema.

Assim, a solução encontrada foi, antes de começar a operação de lastro, baixar o

flutuador em forma de pirâmide para o nível do calado. Este foi considerado numa

altura de 17,5 m acima da quilha durante o transporte da estrutura. Porém, durante a

operação de lastro, o sistema perderá flutuabilidade. Assim, baixando este componente

em relação à quilha, podemos baixar o centro de gravidade no sentido vertical. Com

isso o sistema consegue atender os critérios de estabilidade.

Fazendo um novo momento de massa, chegou-se a conclusão de que o flutuador na

altura de 4 m (próximo ao calado de projeto) faz o centro de gravidade vertical baixar

para 4,2 m.



A

r

m

s

i

n

m

0.0s 50.0s

-2.0

-1.0

0.0

1.0

2.0

3.0Righting Arm

R. Area

Equilibrium

GMt


80

Assim, temos uma nova análise de estabilidade. Como pode ser observado a seguir.


Heel Angle (deg)

Trim Angle (deg)

Origin Depth (m)

Righting Arm (m)

Area (m-Rad)

Notes

0.00 2.11a 4.119 0.000 0.000 Equil 10.00s 4.98a 4.486 3.581 0.313

14.09s 7.14a 4.713 3.653 0.576 MaxRa

20.00s 11.06a 4.986 3.502 0.953

30.00s 20.25a 5.218 2.890 1.517

40.00s 31.56a 5.033 2.073 1.954

50.00s 43.27a 4.593 1.365 2.252

60.00s 52.51a 4.137 0.844 2.442

70.00s 79.13a 3.226 0.107 2.528

80.00s 83.93a 3.147 0.042 2.531

90.00s 87.99a 3.107 0.012 2.536



81


5ª Etapa da Operação – Alagamento dos Flutuantes na parte de Vante

Nesta etapa serão alagados os dois tanques da parte interna dos flutuantes localizados à

vante do sistema.





Trim 0.000/16.900 Wave No KMT 40.146 m

LCG 0.000 VCG 4.200 m TPcm 0.61


Item Weight

(MT)

LCG

(m)

TCG

(m)

VCG

(m)

Light Ship 78.77 0.000 0.000 4.200

Displacement 78.77 0.000 0.000 4.200



A

r

m

s

i

n

m

0.0s 50.0s

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

3.5

Righting Arm

R. Area

Equilibrium

GMt

82

Tabela 65 - 5ª Etapa Deslocamento do Sistema


(MT)

LCB

(m)

TCB

(m)

VCB

(m)

Eff

/Perm

BASE Intact 1.025 38.03 0.000 0.000 0.340 1.000

TORRE Intact 1.025 2.46 0.000 0.000 2.554 1.000


TQ 1 LC Flooded 1.025 -5.52 5.665a 0.000 0.340 0.985

TQ 2 LC Flooded 1.025 -4.46 4.515a 0.000 0.340 0.985

TQ 3 BB Flooded 1.025 -3.85 0.000 4.515p 0.340 0.985

TQ 3 BE Flooded 1.025 -3.85 0.000 4.515s 0.340 0.985

TQ 4 BB Flooded 1.025 -4.90 0.000 5.665p 0.340 0.985

TQ 4 BE Flooded 1.025 -4.90 0.000 5.665s 0.340 0.985

TQ 5 LC Flooded 1.025 -4.46 4.515f 0.000 0.340 0.985

TQ 6 LC Flooded 1.025 -5.52 5.665f 0.000 0.340 0.985

TQ 7 BB Flooded 1.025 -6.19 7.700a 1.625p 3.629 0.985

TQ 7 BE Flooded 1.025 -6.19 7.700a 1.625s 3.629 0.985

TQ 13 BB Flooded 1.025 -6.19 7.700f 1.625p 3.629 0.985

TQ 13 BE Flooded 1.025 -6.19 7.700f 1.625s 3.629 0.985

SubTotals: 78.78 0.000 0.000 3.571

Figura 63 - - 5ª Etapa Vista de Perfil do Sistema


83


Heel Angle (deg)

Trim Angle (deg)

Origin Depth (m)

Righting Arm (m)

Area (m-Rad)

Notes

0.00 0.00 4.257 0.000 0.000 Equil 10.00s 0.00 4.812 2.883 0.252

20.00s 0.00 5.757 2.929 0.800

30.00s 0.00 6.549 2.836 1.305

40.00s 0.00 7.092 2.647 1.785

50.00s 0.00 7.287 2.430 2.228

60.00s 0.00 6.989 2.265 2.637

70.00s 0.00 6.674 1.725 2.991

80.00s 0.00 6.012 1.198 3.246

90.00s 0.00 4.923 0.970 3.431





A

r

m

s

i

n

m

0.0s 50.0s

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

3.5Righting Arm

R. Area

Equilibrium

GMt


84

6ª Etapa da Operação – Alagamento dos Flutuantes em apenas um Bordo do

Sistema

Nesta Etapa, temos o alagamento dos flutuantes em apenas um bordo do sistema. É

importante observar que o ângulo de banda fica excessivamente grande nesta condição.

Isso faz com que o alagamento de apenas um bordo seja impraticável no que disrespeito

a segurança do sistema. Assim, o que se propõe em uma nova etapa é que sejam

alagados tanques tanto em Bombordo como em Boreste de maneira simultânea. Isto

garantirá o equilíbrio da embarcação.


Draft FP 15.804m Heel stbd 64.20 deg. GM(Solid) NA


Draft AP 15.807m Wind 0.0 kn GM(Fluid) NA

Trim 0.001/16.900 Wave No KMT NA

LCG 0.000 VCG 4.200 m TPcm 0.07


Item Weight

(MT)

LCG

(m)

TCG

(m)

VCG

(m)

Light Ship 78.77 0.000 0.000 4.200

Displacement 78.77 0.000 0.000 4.200

85



(MT)

LCB

(m)

TCB

(m)

VCB

(m)

Eff

/Perm

BASE Intact 1.025 38.03 0.000 0.000 0.340 1.000

TORRE Intact 1.025 9.84 0.000 1.809s 9.204 1.000

FLUTUADORES Intact 1.025 103.79 0.000 2.910s 3.893 1.000

TQ 1 LC Flooded 1.025 -5.52 5.665a 0.000 0.340 0.985

TQ 2 LC Flooded 1.025 -4.46 4.515a 0.000 0.340 0.985

TQ 3 BB Flooded 1.025 -3.85 0.000 4.515p 0.340 0.985

TQ 3 BE Flooded 1.025 -3.85 0.000 4.515s 0.340 0.985

TQ 4 BB Flooded 1.025 -4.90 0.000 5.665p 0.340 0.985

TQ 4 BE Flooded 1.025 -4.90 0.000 5.665s 0.340 0.985

TQ 5 LC Flooded 1.025 -4.46 4.515f 0.000 0.340 0.985

TQ 6 LC Flooded 1.025 -5.52 5.665f 0.000 0.340 0.985

TQ 7 BB Flooded 1.025 -8.86 7.700a 1.625p 3.900 0.985

TQ 7 BE Flooded 1.025 -8.86 7.700a 1.625s 3.900 0.985

TQ 10 BB Flooded 1.025 0.00 0.000 0.000 0.000 0.985

TQ 11 BB Flooded 1.025 0.00 0.000 0.000 0.000 0.985

TQ 13 BB Flooded 1.025 -8.86 7.700f 1.625p 3.900 0.985

TQ 13 BE Flooded 1.025 -8.86 7.700f 1.625s 3.900 0.985

SubTotals: 78.77 0.000 4.061s 4.528


86

7ª Etapa da Operação – Alagamento dos Flutuantes em ambos os Bordos do

Sistema

Nesta etapa alagam-se os tanques interiores nos flutuantes laterais, tanto em Bombordo

como em Boreste. Assim consegue-se um equilíbrio de banda. Porém o mais importante

é observar que nesta etapa, a perda de deslocamento devido ao alagamento dos tanques

já é suficiente para que o peso do sistema vença a força de sustentação do mesmo. Ou

seja, fazendo com que o flutuador afunde, se assentando no leito marinho para que lá

possa operar. Como este está apoiado no fundo sólido, não se faz necessário um estudo

de estabilidade, pois não se trata mais de um sistema flutuante.


Draft FP 14.400m Heel zero GM(Solid) 0.238m Draft MS 14.400m Equil Yes F/S Corr 0.000m Draft AP 14.400m Wind 0.0 kn GM(Fluid) 0.238m Trim 0.000/16.900 Wave No KMT 4.438 m LCG 0.000 VCG 4.200 m TPcm 0.01


Item Weight (MT)

LCG (m)

TCG (m)

VCG (m)

Light Ship 83.39 0.000 0.000 4.200

Displacement 83.39 0.000 0.000 4.200


87



(MT)

LCB

(m)

TCB

(m)

VCB

(m)

Eff

/Perm

BASE Intact 1.025 38.03 0.000 0.000 0.340 1.000

TORRE Intact 1.025 9.80 0.000 0.000 7.625 1.000


TQ 1 LC Flooded 1.025 -5.52 5.665a 0.000 0.340 0.985

TQ 2 LC Flooded 1.025 -4.46 4.515a 0.000 0.340 0.985

TQ 3 BB Flooded 1.025 -3.85 0.000 4.515p 0.340 0.985

TQ 3 BE Flooded 1.025 -3.85 0.000 4.515s 0.340 0.985

TQ 4 BB Flooded 1.025 -4.90 0.000 5.665p 0.340 0.985

TQ 4 BE Flooded 1.025 -4.90 0.000 5.665s 0.340 0.985

TQ 5 LC Flooded 1.025 -4.46 4.515f 0.000 0.340 0.985

TQ 6 LC Flooded 1.025 -5.52 5.665f 0.000 0.340 0.985

TQ 7 BB Flooded 1.025 -8.86 7.700a 1.625p 3.900 0.985

TQ 7 BE Flooded 1.025 -8.86 7.700a 1.625s 3.900 0.985

TQ 10 BB Flooded 1.025 -8.86 1.625a 7.700p 3.900 0.985

TQ 10 BE Flooded 1.025 -8.86 1.625a 7.700s 3.900 0.985

TQ 11 BB Flooded 1.025 -8.86 1.625f 7.700p 3.900 0.985

TQ 11 BE Flooded 1.025 -8.86 1.625f 7.700s 3.900 0.985

TQ 13 BB Flooded 1.025 -8.86 7.700f 1.625p 3.900 0.985

TQ 13 BE Flooded 1.025 -8.86 7.700f 1.625s 3.900 0.985

SubTotals: 83.39 0.000 0.000 4.313



88

Para finalizar a operação, os flutuadores serão desacoplados do sistema. Isto porque,

uma vez inundados, perdem sua função. Além de atrapalharem o escoamento da água

que deve passar pelo sistema, de maneira que podem diminuir a eficiência no que

disrespeito a produção de energia, ou mesmo causar vibrações na estrutura devido à

vorticidade gerada.

É interessante, porém, observar que somente dois dos quatro tanques de cada flutuante

serão inundados, como pode ser observado na Figura 68 anterior. Esta configuração é

suficiente para afundar o sistema inteiro, mas se pensarmos em cada flutuante de

maneira individual, podemos ver que, uma vez desacoplados do sistema, estes tem uma

boa reserva de flutuabilidade.

Isto pode ser observado rapidamente pelo cálculo a seguir, baseado nas dimensões dos

tanques e dos respectivos flutuantes, mostrados na Figura 70.

Figura 70 - Dimensões do Flutuador

89

𝑉𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒 𝑑𝑒𝑠𝑙𝑜𝑐𝑎𝑑𝑜 𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙 = 𝐿 𝑥 𝐵 𝑥 𝐷 = 13,0 ∗ 1,5 ∗ 1,8 = 35,1 𝑚³

𝐷𝑒𝑠𝑙𝑜𝑐𝑎𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜 = 𝜌 𝑥 𝑉𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒 = 1,025 𝑥 35,1

𝐷𝑒𝑠𝑙𝑜𝑐𝑎𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜 = 35,98 𝑡

𝑃𝑒𝑟𝑑𝑎 𝑑𝑒 𝐷𝑒𝑠𝑙𝑜𝑐𝑎𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜 = 𝑉𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒 𝑇𝑎𝑛𝑞𝑢𝑒𝑠 𝑥 𝜌 = 2 𝑥 1,5 𝑥 1,8 𝑥 3,25𝑥1,025

𝑃𝑒𝑟𝑑𝑎 𝑑𝑒 𝐷𝑒𝑠𝑙𝑜𝑐𝑎𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜 = 21,94 𝑡

𝑅𝑒𝑠𝑒𝑟𝑣𝑎 𝑑𝑒 𝐹𝑙𝑢𝑡𝑢𝑎𝑏 = 𝐷𝑒𝑠𝑙𝑜𝑐𝑎𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜 − 𝑃𝑒𝑠𝑜 − 𝑃𝑒𝑟𝑑𝑎 𝑑𝑒 𝐷𝑒𝑠𝑙𝑜𝑐𝑎𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜

𝑅𝑒𝑠𝑒𝑟𝑣𝑎 𝑑𝑒 𝐹𝑙𝑢𝑡𝑢𝑎𝑏𝑖𝑙𝑖𝑑𝑎𝑑𝑒 = 35,98 𝑡 − 6,01𝑡 – 21,94 𝑡

𝑅𝑒𝑠𝑒𝑟𝑣𝑎 𝑑𝑒 𝐹𝑙𝑢𝑡𝑢𝑎𝑏𝑖𝑙𝑖𝑑𝑎𝑑𝑒 = 8,03 𝑡

Pelo Princípio de Arquimedes:

𝑅𝑒𝑠𝑒𝑟𝑣𝑎 𝑑𝑒 𝐹𝑙𝑢𝑡𝑢𝑎𝑏𝑖𝑙𝑖𝑑𝑎𝑑𝑒 = 𝜌 𝑥 𝐿 𝑥 𝐵 𝑥 (1,8 − 𝑇)

8,03 𝑡 = 1,025 𝑥 13,0 𝑥 1,5 𝑥 (1,8 − 𝑇)

𝑇 =12,42

1,025 𝑥 13,0 𝑥 1,5= 1,339 𝑚

Ou seja, uma vez desacoplados do sistema, os flutuadores subirão à superfície e terão

uma boa área exposta para que os operadores possam amarrar estas estruturas e rebocá-

las até o porto.

90

5 Estudo dos pesos estruturais extras

Nesta etapa final de projeto, foram estudados os pesos dos componentes estruturais

extras. Em etapas anteriores foram dimensionados: tubos para a base do sistema

flutuante, flutuadores auxiliares para garantir a estabilidade do sistema, vigas W que

garantiriam a ligação destes flutuantes na estrutura da base (como pode ser observado

na Figura 71) e olhais. Estes últimos seriam acoplados de maneira que mergulhadores

pudessem desmontar o sistema simplesmente desparafusando e assim desacoplando os

flutuadores das vigas W.

O objetivo desta seção é estudar estes pesos extras vinculados aos possíveis reforços,

barras W e olhais. É importante explicitar que aqui não foram feitas análises estruturais

mais profundas para dimensionamento otimizado destas estruturas extras. Isso porque

as mesmas compõem uma parte muito pequena do peso estrutural total do sistema, de

maneira que, mesmo que alguns ajustes tenham de ser realizado (como soldagem de

reforçadores nos dutos da base ou mesmo uma viga W de maior rigidez) isso implicaria

em pequena diferença no calado de projeto ou na estabilidade, como poderá ser

observado ao final desta seção.

5.1 Peso extra devido às vigas W

Como pode ser observado na Figura 58, foram idealizadas vigas W que podem ser

encontradas nos catálogos da referência [17]. Estas possuem suas características

mapeadas na Tabela 64.

Tabela 74 - Características da viga W

Viga Comp Total*

(m)

Massa Linear

(kg/m)

Peso Total

(t)

W 310 x 23.8 22,000 23,800 0,524

*Comprimento somando todas as vigas W de todos os flutuantes da estrutura

91

Figura 71 - Dimenões Vigas W

92

5.2 Peso extra devido aos olhais

Da mesma forma foram calculados os pesos extras devido aos olhais da estrutura.

Tabela 75 - Característica dos olhais

Elemento Qtd Área

(mm²)

Espessura

(mm)

Peso Total

(t)

Olhau 16 32892.650 12.5 0.052

*Área de cada olhal

Figura 72 - Dimensões do olhal idealizado

93

6 Equilíbrio e Estabilidade Finais

Finalmente podemos fazer um cálculo do peso final da estrutura, assim como um

momento de massa. Com isso temos todos os componentes necessários para calcular o

equilíbrio e estabilidade finais da estrutura.

Tabela 76 - Pesos da Torre


(mm)

Diam int

(mm)

Comp

(m) kg/m

Peso

(t)

VCG

(m)

Base 1 4 168.300 154.080 8.114 28.230 0.916 0.084

Base 2 4 168.300 154.080 8.114 28.230 0.916 4.006

Base 3 4 168.300 154.080 8.114 28.230 0.916 8.006

Base 4 4 168.300 154.080 8.114 28.230 0.916 16.006

Base 5 4 168.300 154.080 8.114 28.230 0.916 20.006

Vigas verticais 4 168.300 154.080 20.100 28.230 2.270 10.003

Vigas diagonais 1 8 168.300 154.080 9.100 28.230 2.055 2.006

Vigas diagonais 2 8 168.300 154.080 9.100 28.230 2.055 6.006

Vigas diagonais 3 8 168.300 154.080 9.100 28.230 2.055 18.006

Total - - - - - 13.016 -

Tabela 77 - Pesos da Base


(mm)

Diam int

(mm)

Comp

(m) kg/m

Peso

(t)

VCG

(m)

Base maior 4 762.000 743.000 48.000 176.550 8.474 0.381

Base menor 4 762.000 743.000 40.000 176.550 7.062 0.381

Placas da Base 4 323.840 307.080 120.000 65.130 7.816 3.000

Viga Diagonal** 2 - - 17.000 149.150 5.325 0.500

Vigas W 4 - - 5.500 23.800 0.524 3.500

Total 18 230.500 591.180 29.200 7.762

94

Tabela 78 - Pesos de Estruturas Extras

Estruturas

Extras Qtd

Área

(m²)

Espessura

(m)

Peso

(t)

VCG

(m)

Est Pirâmide 1 143.110 0.013 14.043 17.500

Ger Elétrico 1 - - 1.200 20.100

Flutuadores 4 91.200 0.008 22.909 4.200

Olhais dos Flutuantes 16 0.033 0.013 0.052 3.500

Total 22.000 234.343 0.033 38.204 45.300

Tabela 79 - Deslocamento Total da Estrutura

Estudo do Deslocamento



Flut Auxiliares 33.7 m³


Base 1 0.722 m³

Base 2 0.722 m³



Volume DeslocadoTotal 82.19 m³

Deslocamento Total 84,245 m³

Tabela 80 - Peso Total da Estrutura

Peso Total 80,420 t

VCG 6.471 m

Solda 2.5% 2,011 t


Peso Final 84,441 t

95

Tabela 81 - Equilíbrio do Sistema Final



Heel deg 0.0

Draft at FP m 3.491

Draft at AP m 3.491



WL Length m 16.900










KB m 1.863

KG fluid m 6.471

BMt m 35.616

BML m 35.068

GMt corrected m 31.008

GML m 30.460

KMt m 37.479

KML m 36.931


MTc tonne.m 1.522

RM at 1deg = GMt.Disp.sin(1) tonne.m 45.697



96










Figura 73 - Curva de Estabilidade Final

97

7 Conclusão

Ao final deste trabalho, conclui-se que uma estrutura flutuante seria muito bem vinda

durante as operações de transporte e instalação do oscilador. Esta pode ter o seu arranjo

idealizado e validado através de modelos e estudos de equilíbrio e estabilidade.

Na Figura 74, pode-se ver uma imagem da estrutura final completa.

Figura 74 - Estrutura Final Completa

98

A seguir também pode ser observada uma lista de materiais (como chamada na indústria

“Lista de Aço”) que tem o intuito de dar uma ideia clara e resumida da quantidade de

aço que precisará ser processada no estaleiro.

Tabela 83 - Lista de Chapas de aço

Chapeamento Área (m²) Espessura

(mm)

Peso

(t)

8,0 mm 364,800 8,0 22,091

9,5 mm 68,000 9,5 5,325

12,5 mm 143,638 12,5 14,094

Total

42,329

Tabela 84 - Lista de tubos e perfilados

Tubulação Comprimento

(m)

massa

linear

(kg/m)

Peso

(t)

6" 461,08 28,23 13,016

30" 88,00 176,55 15,536

12" 120,00 65,13 7,816

Vigas W 22,00 23,80 0,524

Total

36,892

Tabela 85 - Tabela de pesos e VCG finais

Peso Total 80,420 t

VCG 6,471 m

Solda 2.5% 2,011 t


Peso Final* 84,441 t

*Peso final acrescentando gerador elétrico de 1,2 t

99

No entanto, alguns novos estudos poderiam ser realizados para dar seguimento ao

trabalho. Aqui estes ficarão citados para futuros debates ou uma possível continuidade

ao trabalho de dimensionamento do sistema.

Os flutuadores que se encontram tanto nos bordos, como nas partes de ré e de vante do

sistema poderiam ser estudados mais profundamente em termos de resistência estrutural

aos movimentos de tosamento e alquebramento. Estes cálculos de viga navio não foram

realizados durante o trabalho, uma vez que pelo comprimento muito curto dessas

estruturas, esses esforços devem ser de uma ordem de grandeza muito baixa. E, mesmo

que se chegue a uma conclusão contrária, este problema pode ser resolvido com o

acréscimo de reforçadores longitudinais nos cascos dos flutuadores.

Os mesmos flutuadores poderiam ter suas bordas adoçadas, ou seja, a diminuição de

cantos vivos fará com que a resistência ao avanço (quando o sistema for rebocado)

tenda a diminuir. No entanto, neste trabalho este fenômeno não foi estudado com

profundidade, uma vez que a velocidade de reboque é muito pequena fazendo com que

essas perdas de energia, devido a fenômenos hidrodinâmicos, sejam também muito

brandas.

Ainda pensando no projeto dos flutuadores auxiliares, poderiamos pensar em um

formato de seção transversal trapezoidal. Isso pode auxiliar na estabilidade uma vez

que quanto mais se afunda o casco na água, maior fica a linha d’água de maneira que

para inclinações o sistema fica cada vez mais “rígido” no que disrespeito à dinâmica.

Este tipo de solução é utilizado em quase todos os tipos de navios e embarcações

menores. Isto também poderia auxiliar no Seakeeping do sistema, apesar da baixa

velocidade de reboque não implicar grandes acelerações na estrutura.

Para melhor dimensionamento de olhais e vigas W, que foram utilizados para

integração da base do sistema com os flutuadores, recomenda-se que se faça um estudo

estrutural mais completo. Ou seja, as cargas na estrutura devem ser mais bem definidas

e assim, pode-se economizar em peso de aço. Uma boa estimativa seria observar em

regras de sociedades classificadoras que recomendam alguns estudos para acelerações

de projeto em Navios e outras estruturas flutuantes. Uma vez estimadas estas

acelerações, e tendo a massa dos componentes, pode-se fazer uma estimativa das cargas

em determinados pontos do sistema, como nos olhais, por exemplo.

100

Neste trabalho pode-se observar que o material utilizado foi sempre o aço. Isto foi feito

por conta da sua maior facilidade de manuseio em estaleiros do Brasil. No entanto, nada

impede que um estudo mais aprofundado possa utilizar diferentes materiais para os

componentes da base e dos flutuantes. Se bem observada, esta estrutura não deve sofrer

carregamentos de larga escala. Assim, o sistema feito inteiramente de aço pode estar

superdimensionado no que disrespeito a estrutura.

Como neste trabalho não se abordou profundamente o tema da fixação do sistema uma

vez instalado no leito marinho, seria interessante fazê-lo em um estudo posterior. Para

tanto deve-se levantar as cargas horizontais atuando no sistema com correntes, ventos

e ondas laterais. Assim pode-se analisar a probabilidade de tombamento da estrutura e

então otimizar o projeto do sistema de fixação.

Por fim, vale imaginar que durante a operação de desmonte dos flutuadores auxiliares,

existe uma reserva de flutuabilidade grande. Isso é interessante porque faz com que os

mesmos subam para a superfície facilitando seu reboque até o porto. No entanto este

fenômeno que se dá por esta força de sustentação pode causar uma tensão cisalhante

muito grande nos pinos (ou parafusos) dos olhais. Isso pode dificultar a desmontagem.

Assim, talvez fosse interessante estudar uma nova compartimentação dos flutuantes de

maneira a diminuir ainda mais sua flutuabilidade (alagando mais compartimentos)

fazendo com que a diferença Peso x Empuxo diminua, causando menores tensões nos

pinos.

101

8 Referências Bibliográficas

[1] LEÃO, R (2005), Wave power conversion systems for electrical energy

production, Departamento de Engenharia Elétrica, Faculdade de Ciência e

Tecnologia, Universidade Nova de Lisboa

[2] HARRIS R.E. et al (2007), Mooring systems for wave energy converters: A

review of design issues and choices, Heriot-Watt University, Edinburgh, UK

[3] BESERRA, E. R. (2007), Avaliação de Sítios para o aproveitamento dos

recursos energéticos das ondas do mar, Tese D.Sc. COPPE/ UFRJ, Rio de

Janeiro, RJ, Brasil

[4] Estaleiro INACE. Disponível em: http://www.inace.com.br/

Acesso em: 06 de Fevereiro de 2017.

[5] Manual técnico de tubos de aço carbono com costura, Disponível em:

http://www.kloecknermetals.com.br/pdf/4.pdf

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[8] Tubos Oliveira, Catálogo de Produtos (2017). Disponível em:

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[9] RHINOCEROS, (2017). Software disponível em: https://www.rhino3d.com/

Acesso em 06 de Fevereiro de 2017

[10] MAXSURF (2017), Disponível em:

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Acesso em 06 de Fevereiro de 2017

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Architecture, 2 ed., chapter 4, Atgley, PA, USA, Schiffer Publishing Ltd.

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Computacional, UFJF, Juiz de Fora, MG, Brasil. Disponível em:

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[13] SUDESTEEL, (2017) Catálogo Chapas Grossas. Disponível em:

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http://cadcam.autoship.com/cadproductsservices/autohydro/Modelmaker/modelmaker.htm

http://cadcam.autoship.com/cadproductsservices/autohydro/Modelmaker/modelmaker.htm

103

[15] Autohydro, software. Site da empresa:

http://cadcam.autoship.com/cadproductsservices/autohydro/autohydro.htm

[16] BERNIFER (2017), Catálogo de Produtos. Disponível em:

http://www.bernifer.com.br/catalogo.pdf


http://cadcam.autoship.com/cadproductsservices/autohydro/autohydro.htm

http://www.bernifer.com.br/catalogo.pdf

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PROPOSIÇÃO DE UM SISTEMA DE TRANSPORTE E INSTALAÇAO …monografias.poli.ufrj.br/monografias/monopoli10020780.pdf · 2017. 3. 23. · Eliab Ricarte Beserra Rio de Janeiro Fevereiro