Apresentação Sesam para Estruturas Flutuantes

Sesam para Estruturas Flutuantes Um sistema integrado de análise estrutural e hidrodinâmica

Julho 2012

João Henrique VOLPINI Mattos Engenheiro Naval Regional Sales Manager - Maritime & Offshore Solutions (South America), DNV Software

© Det Norske Veritas Ltda. Todos os direitos reservados.

Sesam – Uma História de Sucesso de 42 anos Um sistema completo e orientado ao mercado, para ava-

liação estrutural de navios e estruturas offshore.

Construído através de alianças estratégicas com organiza-ções chave e, P&D e fornecedores líderes de tecnologia.

Mais de 200 ogranizações globais utilizam o Sesam como sua ferramena preferencial para engenharia de estruturas offshore.

Sesam é utilizado para o projeto de plataformas fixas e flutuantes, de águas rasas a ultra-profundas em ambien-tes hostis.

Combina as melhores práticas de engenharia (processos de trabalho) com ferramentas para o projeto, análise estrutural e avaliação de integridade.

Sesam é utilizado para documentar a segurança da estru-tura, satisfazendo padrões de projeto, regulamentos esta-tutários e critérios de conforto, segurança e meio ambiente.

Suporta normas API/AISC (WSD & LRFD), Eurocode, ISO, Norsok, DS, CSR e DNV.

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Presenter

Presentation Notes

Sesam foi criado em 1969 para executar análise estrutural de grandes estruturas de navios. Desde então evoluiu tanto em recursos como em tecnologia. Embora tendo iniciado como um sistema de elementos finitos utiilzando a técnica de super-elementos, hoje em dia é baseado em um sistema conceitual de modelagem, integrado com avaliação hidrodinâmica e estrutural avançada. Começando como uma ferramenta de software interna da DNV, é atualmente o líder mundial do mercado naval e offshore.


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A Família Sesam (principais membros) GeniE

modelador conceitual Patran-Pre

modelador de uso geral

Presel montagem de superelementos

Submod submodelagem

HydroD modelador hidrodinâmico

DeepC modelador subsea

Wadam ondas em unidades flutuantes

Simo operações marítimas

Wasim ondas em embarcações

Installjac lançamento de jaquetas

Wajac ondas em estruturas fixas

Usfos colapso progressivo

Mimosa análise ancoragem

Sestra análise linear EF

Riflex análise de risers

Splice iteração c/ solo

Cutres resultados seccionais

Digin análise âncoras

Stofat fadiga de chapas/cascas

Platework codecheck painéis

Xtract apresentação e animação

Framework codecheck vigas

Postresp resposta estatística


Da modelagem à fadiga estocástica - Modelos de vigas e cascas. - Análise hidrostática incluindo verificação de estabilidade por

várias normas. - Análise hidrodinâmica (linear e não linear). - Análise estrutural de tamanho ilimitado. - Code check de flambagem de chapas e vigas. - Análise de fadiga de cascas e reforços. - Análise de ancoragem. - Operações marítimas. - Projeto inicial de FPSOs. - Análise da região de carga e análise direta.

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Sesam para Estruturas Flutuantes (1)


Tecnologia de ponta em hidrodinâmica - Domínio da frequência

- Domínio do tempo (linear & não-linear)

Sesam para Estruturas Flutuantes (2) Combinada com avaliação

estrutural - Deflexões, tensões, code checking,

fadiga

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Presenter

Presentation Notes

Sesam sempre foi conhecido por estar na frente na área de hidrodinâmica. Suportamos tanto o domínio da frequência como o do tempo, e ambas as opções incluem a utilização de modelos duais onde os elementos de painéis e Morison podem ser incluídas. Este último é muito significativo quando efeitos de arrasto são importantes. A figura da esquerda mostra uma distribuição típica de pressões em um modelo puramente de painéis quando de encontro à uma onda de 45º. A figura abaixo mostra a distribuição de pressões em um navio de lançamento de cabos onde o modelo inclue elementos de painéis e de Morison – as cargas são geradas em um domínio não linear utilizando uma onda irregular. Todas as cargas geradas pela análise hidrodinâmica são automaticamente transferidas para o modelo estrutural para a avaliação subsequente, com o propósito de avaliação de tensões, deflexões, code checking, ou fadiga. A análise é rápida e se você tiver um PC de 64 bits pode explorar um aumento de velocidade na ordem de 3x como regra geral. As figuras à direita mosram exemplos de tensões em uma junta tubular de uma FPSO entre o convés e o módulo (normalmente uma área crítica de fadiga) e a vida estimada de fadiga para o conves de uma TLP.

http://www.glview.com/plugin

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Carga de Projeto x Análise Direta (1) A análise direta aumenta o conhecimento

sobre - Resistência limite (catástrofes) - Fadiga (poluição) - Diferentes condições ambientais - Vida útil da embarcação

As cargas de Regra nem sempre refletem a verdade - O cálculo direto nos leva a diferentes carregamentos - Examplos

- Tensões limites - Momento fleto e esforço cortante verticais

- Cargas de fadiga - Pressão externa

0

500000

1000000

1500000

2000000

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

[kN

m]

Momento Fletor

0

50000

100000

150000

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

[kN]

Esforço Cortante

Pressão Regra −−− Direta −−−

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Carga de Projeto x Análise Direta (2) Baseado em Carga de Projeto

- Crie o modelo conceitual - Vigas, chapas, equipamentos, conteúdo

dos compartimentos - Crie o modelo estrutural

- Cargas nos compartimentos - Execute a análise

- Cargas explícitas - Avalie os resultados

- Avaliações dos esforços, code checking e fadiga baseada nas Regras (“fadiga simplificada”)

- Refine a análise - Crie detalhes locais de partes do modelo

global e re-execute a análise

Análise Direta - Crie o modelo conceitual

- Vigas, chapas, equipamentos, conteúdo dos compartimentos

- Create o modelo de painéis - Massas nos compartimentos

- Análise hidrostática - Análise hidrodinâmica - Análise estrutural

- Pressões hidrostáticas e acelerações - Avalie os resultados

- Avaliações dos esforços, code checking e fadiga estocástica

- Refine a análise - Crie detalhes locais de partes do modelo

global e re-execute a análise com a técnica de submodelagem

- Avaliações dos esforços, code checking e fadiga estocástica

- Análise de ancoragem e risers

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Análise baseada em carga de projeto (Regra) - As cargas são definidas manualmente, incluindo aquelas da análise

hidrostática ou hidrodinâmica. - Os efeitos de acelerações são modeladas com acelerações

centrípetas (lineares) ou cargas - As cargas são frequentemente descritas nas notas de classe ou

práticas recomendadas - Limitado número de condições de carregamento

Análise direta - As cargas incluem as cargas hidrodinâmicas de pressão - As cargas incluem cargas de aceleração hidrodinâmica nas massas

das estruturas, dos equipamentos e do conteúdo dos compartimentos

- Muitas condições de carregamento, mas com maior confiabilidade

Para ambas as análises o mesmo modelo conceitual pode ser utilizado - Ganhos significativos no tempo de modelagem

F = cargas estáticas + massa x aceleração

F = compartimento x aceleração + massa x aceleração + pressão hidrodinâmica

Carga de Projeto x Análise Direta (3)

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Onda de projeto ou estocástica ?

HydroD

Direct analysis Design wave

Code check

Stochastic fatigue

Code check

GeniE

Load transfer Load transfer

Structural post-processing

Structural post-processing

Carga de Projeto x Análise Direta (4)


Ferramentas Principais para Estruturas Flutuantes

HydroD para análise hidrostática e hidrodinâmica, suportado por

- Wadam, Wasim, Postresp, Xtract

DeepC para instalação, ancoragem e análise de risers, suportado por

- Mimosa, Simo, Riflex, Xtract

GeniE para modelagem e análise estrutural, suportado por - Patran-Pre, Presel, Sestra, Xtract, Cutres, Submod, Stofat

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Ferramenta para modelagem conceitual, geração das malhas, aplicação das cargas e apresentação dos resultados

– Criação facilitada do modelo FEA a partir do modelo Nauticus.

– Compartimentos gerados automaticamente pela estanqueidade das chapas.

– Geração do carregamento incluindo 1A1, ULS e FLS.

– Ferramentas poderosas de geração e controle da malha.

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GeniE

Presenter

Presentation Notes

Importação e exportação para vários sistemas CAD/CAE (SAC, STRUTCAD3D, PDS, PDMS, ACIS SAT, DXF 2D, etc.) Modelagem integrada da estrutura, carregamentos, equipamentos e do ambiente. Facilidade de alteração das condições de carregamento (as cargas são aplicadas independentemente do modelo) Análise integrada, verificação pelas regras. Utilização de outros programas como serviços em background (Sestra, Wajac, Splice, Framework, Platework, Stofat, Xtract) e se comunica com HydroD.


Importação & Exportação de Outros Sistemas Importe modelos de outros sistemas

- FEM - SACS - StruCad3D - StaadPro - Ansys - Strudl

Importe/exporte de CAD - DXF - Nurbs - SAT - PDMS (sdnf) - PDS (sdnf) - SmartPlant 3D (xml)

Importe biblioteca de seções

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Presenter

Presentation Notes

When starting to model there are 2 approaches either you have something from before, then use import if not start modelling from scratch


Importação de NURBS Modelagem mais rápida e precisa através da criação de modelos com um mínimo

número de superfícies, levando a um melhor controle da malha.

Capacidade de importação completa de linhas de formato DXF com NURBS e do Rhino.

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Partes Internas do Casco Podem ser Importadas Detalhes do casco

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Modelo no Rhino3D

Malha no GeniE Superfícies no GeniE

Linhas no GeniE


16

Importação do StaadPro Suporta vigas, chapas, cargas e condições de contorno.

- Um módulo separado cria o arquivo JS para importação no GeniE


Importação do SACS Sacs input file Modelo importado no GeniE

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Um Só Modelo para Todas as Análises

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Peso de aço

Escantilhões das seções

FEA local Áreas e volumes Fadiga

Análise da região de carga

Analise Hidrodinâmica

Modelando a natureza conceitual de uma estrutura podemos derivar mais de um modelo a partir da

mesma base

Presenter

Presentation Notes

[Esperar aparecer a caixa Modelando...]


Um Completo Sistema Integrado

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O mesmo modelo conceitual é usado nas análises hidrostáticas, hidrodinâmicas e estruturais

Modelo Conceitual

-180 -160 -140 -120 -100 -80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180

-20

-18

-16

-14

-12

-10

-8-6

-4-2

02

46

8

GZ-Curve

Heel Angle [deg]

Dist

ance

[m]

GZ Z-Level Lowest Opening

Hidrostática

Modelo de Elementos Finitos

Modelo de Painéis Hidrodinâmica

Estrutural


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Exemplo da Modelagem Conceitual Ajuste dinâmico do modelo e cargas dos equipamentos

Modelo conceitual Modelo de análise Topologia (conectividade)

Presenter

Presentation Notes

[Explicar o que significam as figuras de cima] [Clicar para aparecer o modelo conceitual com a viga alterada]


Aplicações Exemplos típicos : petroleiros, graneleiros, porta-containers, FPSOs, jaquetas,

jackups, topsides, pontes, helidecks, instalações submarinas, guindastes e pedestais, etc.

Para estruturas fixas ao leito marítimo (jaquetas e jackups) as propriedades hidrodinâmicas e do solo fazem parte integral do modelo de análise

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Aplicações Modelagem da região central – “3 porões”

- Também típica para FPSO, Semisub, TLP, Spar....

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Jack-ups

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Aplicações


Modelos locais

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Detalhes de tanque

Juntas estruturais

Aplicações

Pontões de semisub


Conexão rígida para acoplamento de nó de viga

com todos os nós de chapa/casca na seção,

usando dependência linear

Modelos globais (viga) e locais (casca) combinados

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Aplicações


Pré-processador de uso geral para geração da malha de elementos finitos.

Poderoso conjunto de ferramentas geométricas, além da importação de sistemas CAD. Cargas aplicáveis ao modelo geométrico ou na

malha. Elementos de barra, casca ou sólidos. Importação/exportação de dados do Abaqus.

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Patran-Pre

Presenter

Presentation Notes

Patran-Pré é similar ao MSC Patran, contendo todos os recursos de modelagem do MSC Patran mas customizado para integração com os módulos do Sesam (em gravação e leitura). Foi muito utilizado nas famílias de pacotes da DNVS até junho/2009, quando foi liberada a versão 5.0 do GeniE. Permite materiais isotrópicos, ortotrópicos (um dos planos de simetria é um plano de isotropia), anisotrópicos (depende da direção das fibras) e compostos. Comparação GeniE x Patran-Pre No Patran-Pre é um pouco mais fácil gerar a malha e com mais opções. No GeniE também é criada uma malha de qualidade, pois existem mecanismos controlados pelo usuário para tal, mas não tantos como no Patran-Pre. GeniE suporta a definição de compartimentos, Patran-Pre não. GeniE não suporta volumes (elementos sólidos), enquanto Patran-Pre sim. Podemos fazer uma mistura de modelos feitos no GeniE e Patran-Pre com o Presel.


Utilizando a técnica de superelementos podemos reduzir em muito o tempo de cálculo e espaço em disco, ao mesmo tempo em que aumentamos a precisão da solução das matrizes. Com Presel podemos montar elementos (geometria e carregamento) criados no GeniE e/ou Patran-Pre para formar o modelo completo, sem termos que uni-los fisicamente em um único arquivo.

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Presel

Presenter

Presentation Notes

Benefícios A repetição de superelementos para partes idênticas poupa espaço em disco e tempo de processamento. Superelementos permitem verificação intermediária, aumentando a confiabilidade e reduzindo as consequencias de erros de modelagem. Superelementos permitem o trabalho em paralelo na modelagem, verificação do modelo e processamento de resultados. Não há restrição no número de superelementos, no número de repetições, no número de níveis de superelementos e no número de carregamentos.


Análise de detalhes ou partes de um modelo global, extraindo os desloca-mentos de uma análise global e os aplicando como deslocamentos forçados em um sub-modelo mais detalhado (muito usado em análise de fadiga).

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Modelo para análise global Malha 3 m

Sub-modelo para análise local Malha 0.5 m

Submod

Presenter

Presentation Notes

Em muitos casos a análise global prove informação insuficiente de tensões em regiões localizadas. Submodelamento é uma técnica para realizar análises refinadas de um detalhe baseada nos resultados da análise global (o modelo e os resultados da análise global devem estar disponíveis. As malhas do modelo global e do submodelo podem ser completamente diferentes, até mesmo utilizando tipos de elementos diferentes.


Slide 29 Slide 29

Solver de uso geral para análise linear de estruturas por elementos finitos utilizando os modelos criados no GeniE, Patran-Pre ou Presel.

Sestra

Análise estática

Direta Super-elementos

Análise quase-estática Cargas complexas

Direta Super-elementos

Análise dinâmica

Métodos de redução

Vibração livre

Resposta forçada Domínio do tempo/frequência

Análise estática e dinâmica.

Análise de super-elementos.

Vibração livre/forçada.

Flambagem linear.

Análise axi-simétrica.

Sestra

Presenter

Presentation Notes

Extensivamente testado na indústria offshore e marítima por mais de 30 anos. Versão de 64 bits disponível. Análises podem ser interrompidas e reiniciadas. Recursos para particionamento dos arquivos em vários discos e processamento de superelementos em paralelo em vários computadores de uma rede. Exportação/importação de matrizes de rigidez, massa, amortecimento, cargas e deslocamentos. Superelementos selecionados podem contribuir apenas com cargas e massas (elementos não estruturais) Materiais isotrópicos, anisotrópicos e ortotrópicos


Pós-processador para análise estocástica e iterativa de fadiga em chapas e cascas soldadas.

Plotagem do fator de utilização por fadiga

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Avaliação da fadiga através de verificação dos pontos críticos (hot-spots).

Cálculo da avaria por fadiga baseado em curvas SN (API, DNV, NO, NS) e avaria parcial acumulada ponderada pelos estados de mar e direções de onda.

Correção de espessura e fatores de concentração de tensões.

Resultados no formato de fatores de utilização da fadiga.

Stofat

Presenter

Presentation Notes

Verifica se a estrutura é propensa a sofrer uma falha devido à ação de carregamento repetitivo de ondas. As cargas devem ser computadas na análise hidrodinâmica utilizando uma abordagem no domínio de frequência.


Pós-processador para visualização aperfeiçoada do modelo, resultados e criação de animações.

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Poderosa interface gráfica, nos permi-tindo apresentar a geometria completa ou partes selecionadas, eixos locais, vistas deformadas e de vários ângulos.

Extensiva apresentação dos resultados, deslocamentos, forças, tensões, plota-gens de contorno, valores numéricos e vetores.

Varredura do modelo em busca das maiores tensões de Von Mises.

Identificação das combinações críticas de carregamento.

Animação dos deslocamentos e modos de vibração.

Xtract

Presenter

Presentation Notes

Apesar do GeniE nos oferecer a visualização do modelo e resultados, com o Xtract temos muito mais controle sobre os mesmos.


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Modelagem do ambiente e preparação dos dados para análise hidrostática e hidrodinâmica. Criação dos modelos de painéis e de mas-

sa (importados dos modelos de EF criados no GeniE).

Facilitadores para a entrada de dados mais complexos (ex.: amortecimento do balanço e modelos de casco duplo, modelos de Morrison, modelos de painéis, etc.).

Várias verificações de dados.

Auto-equilíbrio e cálculo das características hidrostáticas.

Front-end para Wadam (domínio da fre-quência) e Wasim (domínio do tempo).

Apresentação gráfica e tabular dos resul-tados.

HydroD (1)

Presenter

Presentation Notes

Front-end para ao Wadam, Wasim, STAB, Postresp, Xtract-Animation


Análise de equilíbrio e estabilidade transversal feita por cálculo direto.

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Estabilidade intacta e em avaria

Conteúdo dos tanques definidos como porcentagem de enchimento ou totalmende alagados. Auto-balancea-mento de tanques. Efeitos de superfície livre.

Relatórios de estabilidade : curva GZ, momentos, distância das aberturas à água, enchimento dos tanques, condi-ções de flutuação, etc.

Slide 33

HydroD (2)

Presenter

Presentation Notes

Utiliza o modelo de painéis. Selecione a verificação hidrostática Influência do vento pode ser adicionada, através do seu perfil ou momento de emborcamento. Várias análises de estabilidade podem ser calculadas simultâneamente. Relatórios exportáveis para Excel, Word ou HTML. Escolha entre os códigos de estabilidade para navios ou para estruturas offshore (IMO geral, MARPOL intacta e avaria, IGC avaria, IBA avaria, NMD intacta e avaria, IMO MODU intacta e avaria, ABS MODU intacta e avaria, ou regras definidas pelo usuário).


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- Teoria 3D radiação-difração no modelo de painéis e equação de Morison no modelo de viga.

- O modelo dual permite que ambos os métodos sejam utilizados simultaneamente.

- Teoria de ondas de Airy. - Eeitos de segunda ordem . - Interação hidrodinâmica entre vários corpos independentes (15).

Resultados - Funções de transferência complexas ou como resultados deter-

minísticos para fases específicas da onda. - Respostas globais incluindo movimentos de corpo rígido, forças

seccionais e momentos. - Pressões e acelerações. - As cargas (pressões e acelerações do corpo rígido) são automa-

ticamente utilizadas pela análise estrutural subsequente.

Análise hidrodinâmica da iteração entre as ondas e a estrutura para corpos flutuantes estacionários.

Wadam


Análise hidrodinâmica de embarcações com velocidade não nula.

Teoria de radiação-refração 3D por Rankine e Morison.

Solução no domínio do tempo com transferência para o domínio da frequência.

Velocidade de avanço ilimitada (sem planagem).

Análise linear e não linear, com ondas de Stokes de 5ª ordem.

Formas arbitrárias de casco.

Água no convés. Elevação da onda. Sloshing.

Formulação de pressão de impacto.

Estado de mar irregular, regular ou calmo.

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Wasim

Presenter

Presentation Notes

Efeitos incluidos na análise não linear : Pressão hidrostática e Froude-Krylov na superfície molhada exata. Tratamento exato da inércia e gravidade. Termos quadráticos na equação de Bernoulli. Amortecimento quadrático do balanço.


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Pós-processamento estatístico dos resultados hidrodinâmicos No domínio da frequência

– Funções de transferência – Estatísticas de curto e longo prazo – Espectro de ondas : Pierson-Moskovitsz , Jonswap, ISSC,

Torsethaugen, Ochi-Hubble – Distribuições : Rayleigh, Rice, Weibull – Ondas longas ou cristas curtas – Fadiga espectral – Slamming

No domínio do tempo – Apresentação dos resultados em séries temporais – Transformações FFT – Valores extremos, ajuste por Weibull – Contagem de Rain-flow – Avaria por fadiga

Postresp

Presenter

Presentation Notes

O algorítmo rainflow-counting é usado na análise de dados de fadiga de modo a reduzir o espectro de tensões variáveis em um simples conjunto de tensões oscilatórias. Sua importância é que ele permite a aplicação da regra de Mines de modo a avaliar a vida de fadiga de uma estrutura sujeita a carregamento complexo.


Alguns Usuários Sesam

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http://www.aibel.com/global/abbzh/abbzh251.nsf!OpenDatabase&mt=&l=us


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João Henrique VOLPINI Mattos Engenheiro Naval DNV Software - Maritime & Offshore Solutions Regional Sales Manager – South America [email protected] +55 21 3722 7337 +55 21 8132 8927

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Apresentação Sesam para Estruturas Flutuantes