índice analítico

UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO
CENTRO DE TECNOLOGIA
ESCOLA POLITÉCNICA
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA NAVAL E OCEÂNICA
Relatório
de
Projeto Final
Análise da Estrutura na Região da Cremalheira
do Acoplamento do Conjunto Articulado
Empurrador - Barcaça (Barcaça)
Mariana Barbosa de Abreu Moreira
DRE: 101122961
Orientador: Profo Paulo Roberto Moraya
ÍNDICE
1.
2.
3.
4.
Introdução................................................................................................................. 2
Características Principais.......................................................................................... 4
Sistema de Acoplamento. ......................................................................................... 4
Modelo de Elementos Finitos ................................................................................... 6
4.1
Introdução a Teoria de elementos Finitos......................................................... 7
4.2
Considerações a respeito da malha e das condições de contorno..................... 7
4.3
Descrição do modelo ........................................................................................ 8
4.4
Sistema de coordenadas Adotado ..................................................................... 9
4.5
Unidades ........................................................................................................... 9
4.6
Material............................................................................................................. 9
4.7
Condições de Contorno .................................................................................... 9
4.8
Condições de Carregamento........................................................................... 10
4.8.1
Carregamento Referente ao Pino de Acoplamento Principal ................. 10
4.8.2
Carregamento Referente ao Pino de Acoplamento Auxiliar .................. 13
4.8.3
Carga de pressão..................................................................................... 14
5. Critérios Adotados.................................................................................................. 15
5.1
Critérios de Escoamento................................................................................. 15
6. Resultados da Análise Estrutural de tensão e deformação ..................................... 16
7. Conclusão ............................................................................................................... 17
8. Estudos Futuros ...................................................................................................... 17
9. Referências ............................................................................................................. 18
Anexo I: Condições de Contorno ................................................................................... 19
Anexo II: Condições de Carregamento - Pino de Acoplamento Principal. .................... 20
Anexo III: Condições de Carregamento - Pino de Acoplamento Auxiliar..................... 32
Anexo IV: Condições de Carregamento – Carga de Pressão. ........................................ 34
Anexo V: Plotagem dos Resultados da Análise Estrutural de tensão e deformação...... 35
Anexo VI: Propriedades Seccionais. .............................................................................. 61
1
1.
INTRODUÇÃO
Os primeiros comboios oceânicos surgiram no início do século XIX,
representando uma alternativa capaz de competir economicamente com as demais
formas de transporte empregadas no mercado de granéis.
Entende-se por comboios o conjunto de uma ou mais barcaças acopladas entre si
cuja força propulsiva é gerada por outra embarcação.
Durante quase um século, essas barcaças foram propelidas por rebocadores, sendo
conectas a eles através de amarras em catenária, que se estendiam da popa do rebocador
à proa da barcaça.
Figura 1.1: Conjunto rebocador-barcaça conectado por amarras em catenária.
No entanto, nesse tipo de acoplamento, a embarcação responsável pela propulsão
do conjunto não atua como um estabilizador direcional para o comboio, sendo assim
não exerce grande controle sobre os movimentos da barcaça. Esta se desloca
lateralmente sem restrições aumentando a dificuldade de ser manter a continuidade do
curso. Existem registros de inúmeros acidentes envolvendo o conjunto rebocador –
barcaça cujas conseqüências envolvem até o afundamento de rebocadores [ref. 9].
A fim de solucionar e superar esses problemas, a conexão entre a barcaça e o
rebocador evoluiu para um sistema de amarras laterais. Com isso, a idéia de utilizar
empurradores como provedores de força propulsiva o surgiu naturalmente em seguida.
Figura 1.2: Conjunto rebocador-barcaça conectado por amarras laterais.
O acoplamento entre o empurrador e a barcaça pode ser realizado por meio de
diversos sistemas, dentre os quais destaca-se o sistema de pinos de acoplamento.
No sistema de pinos de acoplamento, o casco da barcaça apresenta na região da
popa uma reentrância com a forma semelhante à geometria da proa do empurrador, na
qual este se encaixa, e pinos cuja função é garantir um acoplamento definitivo são
instalados a bordo do empurrador.
2
Figura 1.3: Conjunto articulado empurrador-barcaça conectado através de pinos
de acoplamento.
Esse tipo de conexão permitiu a diminuição do tempo gasto durante o
acoplamento e o desacoplamento das embarcações e o aumento da velocidade de
serviço em relação às barcaças propelidas por rebocadores.
Deve-se enfatizar que a eficácia operacional do conjunto empurrador–barcaça é
tão superior a do comboio rebocado por meio de cabos de reboque, que os seus custos
adicionais são recuperados em curto prazo.
Um exemplo dessa eficiência seria o caso em que dois empurradores,
considerados como uma praça de máquinas capazes de servir duas ou mais barcaças,
operam em conjunto com quatro barcaças.
Um dos empurradores entrega uma barcaça em um determinado porto “A” para
ser carregada e recebe imediatamente a seguir outra carregada para ser levada para o
porto “B” para ser descarregada; enquanto o outro empurrador realiza o trajeto inverso,
entrega uma barcaça no porto “B” para ser descarregada e recebe a outra descarregada
para ser levada para o porto “A” para ser carregada.
Figura 1.4: Dois empurradores operando em conjunto com quatro barcaças, duas
delas em trânsito e as outras duas fundeadas em portos diferentes, uma carregando e a
outra descarregando.
3
O presente trabalho propõe uma análise da estrutura da popa de uma barcaça na
região da cremalheira de acoplamento do conjunto articulado empurrador-barcaça
quando esta sofre exclusivamente a ação de cargas provenientes do sistema de
acoplamento e cargas de pressão do mar local.
Essa conexão é realizada utilizando um pino de acoplamento principal que se
conecta na cremalheira e um pino de acoplamento auxiliar, cujas finalidades são
definidas mais adiante.
Esta verificação é feita através da modelação dos elementos primários e
secundários da estrutura da popa da barcaça, utilizando o programa MSC-Nastran,
quando a embarcação é submetida a forças provenientes do sistema de conexão do
empurrador (pino de acoplamento e pino de acoplamento auxiliar-freio para conexão).
2. CARACTERÍSTICAS PRINCIPAIS
Os dados a seguir são referentes à barcaça de um comboio empurrador–barcaça.
Comprimento entre perpendiculares = 116, 39 m;
Comprimento total = 122,20 m;
Boca moldada = 22,00 m;
Pontal moldado = 6,00 m;
Calado de projeto = 5,00 m;
Coeficiente de Bloco = 0,775.
3. SISTEMA DE ACOPLAMENTO.
A conexão empurrador-barcaça é feita através de um sistema com dois pinos
articulados: o pino de acoplamento auxiliar e o pino de acoplamento principal.
O pino de acoplamento auxiliar é instalado no empurrador e exerce a função de
freio (ver Figura 3.4). Ao ser acionado, aplica uma força perpendicular ao costado da
barcaça fazendo com que as duas embarcações passem a ter os mesmos movimentos,
facilitando, assim, a conexão do pino de acoplamento principal do conjunto
empurrador–barcaça. Logo após o acoplamento principal o pino de acoplamento
auxiliar é recolhido (ver Figura 3.1).
O pino de acoplamento principal também é instalado a bordo do empurrador e se
conecta a uma estrutura dentada de aço fundido, instalada em uma reentrância no casco
da barcaça situada na popa, que se estende verticalmente ao longo do costado. Esta
estrutura é denominada cremalheira (ver Figura 3.2) e sua finalidade é permitir que o
acoplamento ocorra em calados variados de acordo com a condição de carregamento. O
pino de acoplamento principal permite rotação entorno de seu eixo axial, logo ocorre
um movimento relativo de arfagem (pitch) entre as duas embarcações.
4
Figura 3.1: Esquema do arranjo do pino de acoplamento auxiliar (freio) e
principal.
Figura 3.2: Esquema representativo da cremalheira.
5
Figura 3.3: Vista superior do pino de acoplamento principal e cremalheira.
Figura 3.4: Vista superior do pino de acoplamento auxiliar.
4. MODELO DE ELEMENTOS FINITOS
Na maioria dos problemas práticos de engenharia, as soluções analíticas das
relações que regem seus modelos matemáticos não estão disponíveis ou são difíceis de
serem estabelecidas.
Por essa razão, métodos numéricos e recursos computacionais são ferramentas
essenciais e poderosas para solucionar essas dificuldades, não somente no campo da
construção naval, mas como também no projeto da maioria dos produtos industriais.
Como a teoria de vigas tem sua solução analítica restrita a estruturas e
carregamentos simples, o método mais difundido para a resolução de problemas
estruturais mais complexos é o método dos elementos finitos.
6
4.1
INTRODUÇÃO A TEORIA DE ELEMENTOS FINITOS.
No método dos elementos finitos, um corpo é dividido em pequenos elementos.
Cada elemento é considerado como sendo um modelo matemático. A resolução de todos
os modelos matemáticos permite a obtenção de uma solução final para o problema a ser
resolvido.
Figura 4.1: Discretização de estruturas contínuas – Método dos Elementos
Finitos.
O objetivo da análise por elementos finitos é aproximar por meio de elementos
discretos o comportamento de uma estrutura contínua sujeita a carregamentos e
restrições quaisquer, ou seja, o comportamento da estrutura é obtido considerando o
comportamento coletivo dos elementos discretos. Logo, um resultado teoricamente
contínuo é alcançado com uma aproximação de valores discretos.
Existem duas diferentes abordagens para a análise de estruturas por meio de
elementos finitos: o método do carregamento e o método dos deslocamentos.
Em ambos, as condições de equilíbrio (Σ F = 0 e Σ M = 0), relações de
carregamento-deformação e tensão-deformação são empregadas para gerar um sistema
de equações que represente o comportamento da estrutura.
As incógnitas dos sistemas de equações são as componentes das forças que agem
nos elementos no método do carregamento, e os deslocamentos desses elementos no
método dos deslocamentos. Os dois métodos podem ser utilizados para solucionar
problemas estruturais. O programa MSC-Nastran utiliza o método dos deslocamentos.
4.2
CONSIDERAÇÕES A RESPEITO DA MALHA E DAS CONDIÇÕES DE CONTORNO.
Como mencionado anteriormente, as estruturas modeladas através do método de
elementos finitos são divididas em pequenos elementos para que seja possível a
simulação de seu comportamento quando submetida a um determinado esforço.
A esses pequenos elementos são atribuídas propriedades, como espessuras,
coerentes com a região da estrutura modelada a que pertencem. Esses elementos fazem
a ligação entre nós. O conjunto dos elementos e dos nós formam a malha do modelo de
elementos finitos.
7
Essa malha deve ser cuidadosamente elaborada de forma a garantir a
correspondência entre o alvo da análise e o modelo gerado. Nas regiões de interesse,
deve-se garantir que o tamanho da malha seja suficientemente pequeno para que não
ocorram distorções nos resultados encontrados pelo método de elementos finitos.
O mesmo cuidado exigido na geração da malha se faz necessário durante a
aplicação das condições de contorno nos nós, a fim de que seja possível assegurar que o
modelo é capaz de reproduzir da forma mais adequada as reais restrições das estruturas.
4.3
DESCRIÇÃO DO MODELO
A geometria do modelo estende-se:
Verticalmente: da linha de base até o convés do tombadilho, englobando
toda a estrutura interna existente, a cremalheira e o recesso para suportar o
pino de acoplamento auxiliar (freio);
Transversalmente: da linha de centro até o costado. Como a barcaça possui
simetria em relação ao plano diametral, apenas um dos bordos da
embarcação é representado, neste caso bombordo. Todos os elementos
transversais são representados;
Longitudinalmente: do espelho de popa até a antepara transversal
localizada na caverna 15.
A vista global do modelo é apresentada na figura 4.2.
A estrutura do modelo utiliza elementos de placa para representar os
chapeamentos e a alma das componentes estruturais principais e elementos de viga para
as vigas longitudinais secundárias e os flanges dos elementos estruturais principais. As
propriedades e a listagem das características seccionais dos elementos integrantes do
modelo são apresentadas no Anexo VI.
Figura 4.2: Vista global do modelo da popa da barcaça.
8
4.4
SISTEMA DE COORDENADAS ADOTADO
O eixo X do sistema adotado de coordenadas cresce de popa para proa, com a
origem no espelho de popa, o eixo Y é orientado positivamente no sentido da linha de
base para o convés principal; e o eixo-Z, eixo transversal, crescente da linha de centro
para bombordo, com origem na linha de centro.
4.5
UNIDADES
O conjunto de unidades utilizado durante a modelação é composto por unidades
de comprimento em milímetros (mm); de força em newtons (N) e de tempo em
segundos (s).
4.6
MATERIAL
O material utilizado em todos os elementos de placa e reforçadores é aço carbono,
com as seguintes características:
Módulo de Young: E = 206000 N/mm2
Coeficiente de Poisson: ν = 0,3
Tensão Limite de Escoamento: σe = 235 N/mm2
Massa Específica: ρ = 77 e-6 N/mm3
4.7
CONDIÇÕES DE CONTORNO
O modelo encontra-se totalmente engastado nos nós localizados na antepara
transversal localizada na caverna 15, isto porque a antepara é considerada como um
elemento com grande rigidez, e os nós localizados na linha de centro tiveram seus
deslocamentos longitudinal e transversal restritos, assim como a rotação no plano do
convés do tombadilho (rotação em torno do eixo vertical).
No programa MSC-Nastran, as condições de contorno são definidas como:
1 – Restrição ao deslocamento na direção do eixo X
2– Restrição ao deslocamento na direção do eixo Y
3– Restrição ao deslocamento na direção do eixo Z
4 – Restrição à rotação em relação ao eixo X
5– Restrição à rotação em relação ao eixo Y
6– Restrição à rotação em relação ao eixo Z
9
A seguir um resumo das condições de contorno empregadas no modelo de
elementos finitos é apresentado.
Condição de Contorno
Linha de Centro
1, 2, 6
Caverna 15
1, 2, 3, 4, 5, 6
Tabela 4.1: Quadro resumo das condições de contorno aplicadas
As condições de contorno são mostradas na figura A.1.1, anexo I.
4.8
CONDIÇÕES DE CARREGAMENTO
Para que a integridade da estrutura da popa da barcaça na região da cremalheira
seja garantida, esta deve resistir ao carregamento máximo suportado pelo sistema de
acoplamento em cada uma das condições de operação definidas adiante.
Tanto os valores das componentes do carregamento resultante atuante no sistema
de acoplamento quanto às condições de operação a serem analisadas foram fornecidos
pelo fabricante Taisei Engineering Consultants.
4.8.1
CARREGAMENTO REFERENTE AO PINO DE ACOPLAMENTO PRINCIPAL
O equipamento de acoplamento principal transmite cargas aplicadas na barcaça
pelo empurrador, essas cargas concentradas foram distribuídas nos nós da superfície de
contato entre o equipamento de acoplamento e a cremalheira, considerando que a
posição de cada condição de carregamento muda conforme o calado. Atentamos para o
fato de que o modelo proposto não tem como finalidade uma análise da cremalheira,
mas sim da estrutura da popa na região de conexão.
Para representar a situação em que o conjunto articulado empurrador–barcaça
desloca-se para vante, a carga é distribuída na superfície frontal da cremalheira, e no
caso de manobras em que esse conjunto move-se para ré, a superfície posterior do
fundido é utilizada para fazer a distribuição da carga. Os movimentos verticais do
comboio devido à incidência de ondas são simulados distribuindo a carga proveniente
do empurrador nas superfícies superior e inferior da cremalheira, quando são
consideradas as hipóteses do movimento vertical ter sentido positivo e negativo,
respectivamente.
Então, como o fabricante fornece três condições de operação a serem analisadas:
condição normal, condição barcaça sobrecarregada e condição empurrador
sobrecarregado, e duas combinações de cargas, e considerando dois sentidos para o
movimento longitudinal e os dois sentidos para o movimento vertical; vinte e quatro
condições de carregamento são analisadas nesta etapa.
10
1 – Condição Normal: Tanto a barcaça quanto o empurrador operam nos seus
calados de operação.
2 – Condição Barcaça Sobrecarregada: Nesse caso, a barcaça encontra-se no
seu calado máximo e o empurrador está na condição de operação.
3 – Condição Empurrador Sobrecarregado: O empurrador esta no seu calado
máximo e a barcaça no seu calado de operação.
1
Calado do Empurrador na região do acoplamento (m)
Calado da Barcaça na região do acoplamento (m)
Deslocamento Barcaça (t)
2
3
4,0
4,0
4,6
5,0
5,1
5,0
9784,47 10089,0 9784,47
Tabela 4.2: Condições de operação fornecidas pelo fabricante do sistema de
conexão.
Carregamento do Fabricante 1
Carregamento do Fabricante 2
Condições de Operação
1
2
3
Longitudinal (t)
Transversal (t)
Vertical (t)
Longitudinal (t)
Transversal (t)
Vertical (t)
353
330
152
214
170
435
361
339
145
223
173
430
453
373
133
243
173
430
Tabela 4.3: Condições de carga fornecidas pelo fabricante do sistema de conexão
para o pino de acoplamento principal.
Todas as cargas fornecidas pelo fabricante foram obtidas através da análise dos
movimentos do conjunto articulado empurrador-barcaça para a condição do mar do
Norte, já que o comboio deve ser capaz de navegar em qualquer estado de mar sendo
que o mar do Norte é considerado a condição crítica. Nesta análise foram empregados
programas computacionais desenvolvidos pelo próprio fabricante do sistema de
acoplamento.
Em seguida, o fabricante realizou ensaios em tanque de prova e os resultados
obtidos em ambos os testes foram comparados. Os resultados alcançados através do
programa desenvolvido pelo fabricante revelaram-se mais conservadores e foram estes
os fornecidos.
A esses carregamentos são adicionadas cargas de pressão do mar, calculadas no
item [4.3.8], e o peso das estruturas.
11
Condições de
Carregamento
Carregamento
Operação
Sentido do
Movimento
Longitudinal
Sentido do
Movimento
Vertical
1
1
1
Vante
Para cima
2
1
1
Ré
Para cima
3
1
1
Vante
Para baixo
4
1
1
Ré
Para baixo
5
1
2
Vante
Para cima
6
1
2
Ré
Para cima
7
1
2
Vante
Para baixo
8
1
2
Ré
Para baixo
9
1
3
Vante
Para cima
10
1
3
Ré
Para cima
11
1
3
Vante
Para baixo
12
1
3
Ré
Para baixo
13
2
1
Vante
Para cima
14
2
1
Ré
Para cima
15
2
1
Vante
Para baixo
16
2
1
Ré
Para baixo
17
2
2
Vante
Para cima
18
2
2
Ré
Para cima
19
2
2
Vante
Para baixo
20
2
2
Ré
Para baixo
21
2
3
Vante
Para cima
22
2
3
Ré
Para cima
23
2
3
Vante
Para baixo
24
2
3
Ré
Para baixo
Tabela 4.4: Combinações de carregamento para o pino de acoplamento principal.
As condições de carregamento referente ao pino de acoplamento principal são
mostradas nas figuras do anexo II.
12
4.8.2
CARREGAMENTO REFERENTE AO PINO DE ACOPLAMENTO AUXILIAR
O equipamento de acoplamento auxiliar, o freio, também transmite as cargas
aplicadas na barcaça pelo empurrador, dessa forma as cargas concentradas também
foram distribuídas nos nós da superfície de contato entre o equipamento de acoplamento
auxiliar e a barcaça, levando em consideração as mesmas observações feitas no item
anterior para os diferentes sentidos dos movimentos longitudinais e verticais.
O freio é empregado apenas no início do acoplamento entre a barcaça e o
empurrador, sendo retirado de operação quando o pino de acoplamento principal
conecta-se definitivamente a cremalheira.
Toda essa manobra de acoplamento utilizando o pino de acoplamento auxiliar
ocorre com as embarcações em seus calados de projeto. Sendo assim, a condição normal
é o único caso de operação analisado.
As cargas de pressão do mar e o peso das estruturas também são adicionados às
cargas fornecidas pelo fabricante do sistema de acoplamento nesse caso.
As condições de carregamento referente ao pino de acoplamento auxiliar são
mostradas nas figuras do anexo III.
Condição de Operação
1
Longitudinal (t)
Transversal (t)
Vertical (t)
65
65
35
Carregamento do Fabricante
Tabela 4.5: Condições de carga fornecidas pelo fabricante do sistema de conexão
para o pino de acoplamento auxiliar.
Condições de
Carregamento
Sentido do
Movimento
Longitudinal
Sentido do
Movimento
Vertical
25
Vante
Para cima
26
Ré
Para cima
27
Vante
Para baixo
28
Ré
Para baixo
Tabela 4.6: Combinações de carregamento para o pino de acoplamento auxiliar.
13
4.8.3
CARGA DE PRESSÃO
A carga de pressão do mar atuante na popa do casco da barcaça foi calculada pela
formulação do GL Rules parte 1, seção 4, capítulo 1, itens B.2 & B.3, uma vez que esta
possui expressões mais específicas para este cálculo.
Para elementos com carregamento localizado até a linha d’água:
z⎞
⎛
ps = 10(T − z ) + p0 cF ⎜1 + ⎟
⎝ T⎠
Para elementos com carregamento localizado acima da linha d’água:
20
p s = p0 c F
10 + z − T
Fundo (z = 0m):
pB = 10T + p0 cF
Onde:
p0 = 2.1(C B + 0,7 )c0 cL f
f = 1,0
cL = 1,0
1.5
⎡
⎛ 300 − L ⎞ ⎤
c0 = ⎢10.75 − ⎜
⎟ ⎥ cRW
⎝ 100 ⎠ ⎥⎦
⎢⎣
cRW = 0,75
cF = 1,0
cD = 1,0
1, 5
⎡
⎛ 300 − 113,62 ⎞ ⎤
c0 = ⎢10,75 − ⎜
⎟ ⎥ 0,75 = 6,154
100
⎠ ⎥⎦
⎝
⎢⎣
p = 2,1(0,77 + 0,7 )6,154 * 1,0 * 1,0 = 18,997 kN
0
pB = 10 * 5,0 + 18,997 * 1,0 = 68,997 kN
Calado (z = 5,0 m):
[
m2
m2
]
1, 5
⎡
⎛ 300 − 113,62 ⎞ ⎤
c0 = ⎢10,75 − ⎜
⎟ ⎥ 0,75 = 6,154
100
⎝
⎠ ⎥⎦
⎢⎣
p0 = 2,1(0,77 + 0,7 )6,154 * 1,0 *1,0 = 18,997 kN
m2
⎛ 5,0 ⎞
ps = 10(5,0 − 5,0 ) + 18,997 * 1,0⎜1 +
⎟ = 37,994 kN 2
m
5
,
0
⎝
⎠
14
Pontal (z = 6m)
p0 = 2,1(0,77 + 0,7 )6,154 * 1,0 *1,0 = 18,997 kN
`
m2
20
20
F / l = p0 * cF *
= 18,154 *1,0 *
= 34,54 N
mm
10 + z − T
10 + 6,0 − 5,0
As condições de carregamento referentes à carga de pressão são mostradas nas
figuras do anexo IV.
5. CRITÉRIOS ADOTADOS
5.1
CRITÉRIOS DE ESCOAMENTO
O critério de escoamento adotado está de acordo com o “ABS Rules for Building
and Classing Steel Barges for Offshore Service”, seção 1, item 1.27. Esse critério foi
selecionado tendo em vista a prática adquirida com a constante manipulação da regra da
ABS.
F = Fy/ FS
Onde:
Fy = tensão de escoamento do material.
= 235 N/mm2 para aço comum.
FS = fator de segurança.
= 1,25 para as tensões normal e combinada.
= 1,88 para tensão cisalhante.
Então,
Tensão Normal
σ = 188 N/mm2
Tensão Cisalhante
τ = 125 N/mm2
Tensão Combinada
σc =
σ x2 + σ y2 − σ xσ y + 3τ xy2 = 188 N/mm2
15
6. RESULTADOS DA ANÁLISE ESTRUTURAL DE TENSÃO E DEFORMAÇÃO
Os resultados são apresentados em N/mm2 (tensão) e em mm (deflexão). São
plotados os resultados de tensão normal, tensão cisalhante e tensão combinada para as
trinta e duas condições de carregamento supracitadas (anexo V).
As escalas presentes nas plotagens dos resultados obtidos pelo programa MSCNastran mostram os valores máximos e mínimos encontrados no modelo através da
envoltória de todos os casos considerados.
A tabela a seguir resume os valores de tensões obtidos através da análise do
modelo de elementos finitos.
Tensão normal Tensão normal Tensão
de Tensão
na direção X do na direção Y do Cisalhamento
Combinada
elemento
elemento
Máximo Mínimo Máximo Mínimo Máximo Mínimo Máximo Mínimo
1.100 AV
espelho de 99,59
popa.
-96,95
167,00
-141,80
50,90
-55,34
177,40
9,97
1.720 AV
espelho de 152,00
popa.
-127,60
167,00
-144,30
60,19
-63,21
162,10
14,24
Espelho de
43,66
popa.
-59,26
53,58
-59,72
26,53
-28,68
67,16
7,53
Cavernas 1
85,13
a 14.
-81,53
51,95
-89,30
25,99
-33,86
94,28
0,87
Convés
principal.
-100,6
129,80
-140,80
59,77
-55,52
161,80
1,21
-167,00
61,72
-120,40
66,21
-80,29
178,10
4,97
150,6
Convés do
63,27
tombadilho.
L10
60,69
-33,71
63,47
-81,15
25,28
-28,30
88,33
2,05
L06
68,68
-94,56
73,18
-55,29
33,54
-36,88
102,00
3,55
L08
91,59
-167,00
103,60
-83,45
102,10
-75,16
188,00
0,33
Casco
145,2
-167,00
129,50
-167,00
90,78
-75,74
173,90
0,00013
Tabela 6.1: Resultados das tensões obtidos no modelo de elementos finitos.
16
7. CONCLUSÃO
Com esta definição de malha, conseguiu-se uma boa precisão nas regiões mais
complexas sem, no entanto, inviabilizar a análise sob o ponto de vista do processamento
dos dados, poupando-se tempo e capacidade computacional.
A partir dos resultados desta análise pode-se concluir que a estrutura projetada foi
bem dimensionada para suportar os diversos carregamentos citados, apresentando níveis
de tensões aceitáveis pelo critério adotado (ABS Rules for Building and Classing Steel
Barges for Offshore Service – Allowable Stresses).
8. ESTUDOS FUTUROS
Neste trabalho, apenas as tensões existentes na estrutura da popa da barcaça na
região da cremalheira são analisadas.
Em uma próxima etapa, é aconselhável uma verificação da carga crítica de
flambagem e de fadiga na vizinhança do acoplamento.
17
9. REFERÊNCIAS
1 – ABS Rules for Building and Classing Steel Barges for Offshore Service, seção 1,
item 1.27
2 – ABS Rules 2001, parte 5 – “Specific Vessel Types”
3 – GL Rules 1998 – “Rules for Classification and Construction”
4 – Desenho Projemar 1D25-001 – Rev. A – “Estrutural da Popa”
5 – Desenho Projemar 1D25-001 – Rev. A – “Estudo do Acoplamento”
6 – Desenho Aker Promar FC-M3M200-2 – “Coupler Mounting o Board”
7 – Desenho Aker Promar FC-M3M100-3 – “Coupler General Arrangement”
8 – “Articouple and Triofix Sea – Going Pusher Barge Systems”, T. Yamagushi.
9 – “Integrated Tug – Barge Units for Ocean Transportations of LNG”, Daniel D.
Withers.
10 – “Design of an Articulated Tug and Barge to Shuttle Crude Oil on the Bohai Gulf,
China”, Joseph P. Fischer.
11 – “The Articulated Tug – Barge – A Case Stugy”, Douglas M. Wolff.
12 – “The Development of an Integrated Tug – Barge Concept”, Edmund L. Hukill.
13 – “Low Cost Alternative For OPA 90: The Articulated Tug Barge”, J. F. Zeller.
14 – “ A Tug & Barge System for Sea and River Service”, Henk H. Valkhof.
15 – Documento Projemar PP717 – NA – 1D006 – A - 001
18
ANEXO I: CONDIÇÕES DE CONTORNO
Figura A.1.1: Condições de Contorno. Linha de Centro: nós com os deslocamentos
longitudinais e transversais restritos, assim como a ra rotação em relação ao eixo
vertical (1, 2, 6). Caverna 15: nós totalmente apoiados (1, 2, 3, 4, 5, 6).
19
ANEXO II: CONDIÇÕES DE CARREGAMENTO - PINO DE ACOPLAMENTO
PRINCIPAL.
Figura A.2.1 – Condição de Carregamento 1.
Figura A.2.2 – Condição de Carregamento 2.
20
Figura A.2.3 – Condição de Carregamento 3.
Figura A.2.4 – Condição de Carregamento 4.
21
Figura A.2.5 – Condição de Carregamento 5.
Figura A.2.6 – Condição de Carregamento 6.
22
Figura A.2.7 – Condição de Carregamento 7.
Figura A.2.8 – Condição de Carregamento 8.
23
Figura A.2.9 – Condição de Carregamento 9.
Figura A.2.10 – Condição de Carregamento 10.
24
Figura A.2.11 – Condição de Carregamento 11.
Figura A.2.12 – Condição de Carregamento 12.
25
Figura A.2.13 – Condição de Carregamento 13.
Figura A.2.14 – Condição de Carregamento 14.
26
Figura A.2.15 – Condição de Carregamento 15.
Figura A.2.16 – Condição de Carregamento 16.
27
Figura A.2.17 – Condição de Carregamento 17.
Figura A.2.18 – Condição de Carregamento 18.
28
Figura A.2.19 – Condição de Carregamento 19.
Figura A.2.20 – Condição de Carregamento 20.
29
Figura A.2.21 – Condição de Carregamento 21.
Figura A.2.22 – Condição de Carregamento 22.
30
Figura A.2.23 – Condição de Carregamento 23.
Figura A.2.24 – Condição de Carregamento 24.
31
ANEXO III: CONDIÇÕES DE CARREGAMENTO - PINO DE ACOPLAMENTO
AUXILIAR.
Figura A.3.1 – Condição de Carregamento 25.
Figura A.3.2 – Condição de Carregamento 26.
32
Figura A.3.3 – Condição de Carregamento 27.
Figura A.3.4 – Condição de Carregamento 28.
33
ANEXO IV: CONDIÇÕES DE CARREGAMENTO – CARGA DE PRESSÃO.
Figura A.4.1 – Carga de Pressão.
Figura A.4.2 – Carga de Pressão.
34
ANEXO V: PLOTAGEM DOS RESULTADOS DA ANÁLISE ESTRUTURAL DE
TENSÃO E DEFORMAÇÃO.
Figura A.5.1
Figura A.5.2
35
Figura A.5.3
Figura A.5.4
36
Figura A.5.5
Figura A.5.6
37
Figura A.5.7
38
Figura A.5.8– Seção 1,100mm AV do Espelho de Popa – Tensão normal na direção X do
elemento
Figura A.5.9 - Seção 1,100mm AV do Espelho de Popa – Tensão normal na direção Y do
elemento
39
Figura A.5.10 - Seção 1,100mm AV do Espelho de Popa – Tensão Cisalhante
Figura A.5.11 - Seção 1,100mm AV do Espelho de Popa – Tensão Combinada
40
Figura A.5.12 – Seção 1,720mm AV do Espelho de Popa – Tensão normal na direção X do
elemento
Figura A.5.13 – Seção 1,720mm AV do Espelho de Popa – Tensão normal na direção Y do
elemento
41
Figura A.5.14 – Seção 1,720mm AV do Espelho de Popa – Tensão Cisalhante
Figura A.5.15 – Seção 1,720mm AV do Espelho de Popa – Tensão Combinada
42
Figura A.5.16 – Espelho de Popa - Tensão normal na direção X do elemento
Figura A.5.17 – Espelho de Popa - Tensão normal na direção Y do elemento
43
Figura A.5.18 – Espelho de Popa – Tensão Cisalhante
Figura A.5.19 - – Espelho de Popa - Tensão Combinada
44
Figura A.5.20 - Cavernas 1 a 14 - Tensão normal na direção X do elemento
Figura A.5.21 - Cavernas 1 a 14 - Tensão normal na direção Y do elemento
45
Figura A.5.22 - Cavernas 1 a 14 - Tensão Cisalhante
Figura A.5.23 - Cavernas 1 a 14 – Tensão Combinada
46
Figura A.5.24 – Convés Principal - Tensão normal na direção X do elemento
Figura A.5.25 – Convés Principal - Tensão normal na direção Y do elemento
47
Figura A.5.26 – Convés Principal - Tensão Cisalhante
Figura A.5.27 - – Convés Principal - Tensão Combinada
48
Figura A.5.28 – Convés do Tombadilho - Tensão normal na direção X do elemento
Figura A.5.29 – Convés do Tombadilho - Tensão normal na direção Y do elemento
49
Figura A.5.30 – Convés do Tombadilho – Tensão Cisalhante
Figura A.5.31 – Convés do Tombadilho - Tensão Combinada
50
Figura A.5.32– Seção L10 - Tensão normal na direção X do elemento
Figura A.5.33 – Seção L10 - Tensão normal na direção Y do elemento
51
Figura A.5.34 – Seção L10 - Tensão Cisalhante
Figura 35 – Seção L10 - Tensão Combinada
52
Figura A.5.36 – Seção L6 – Tensão normal na direção X do elemento
Figura A.5.37 – Seção L6 – Tensão normal na direção Y do elemento
53
Figura A.5.38 – Seção L6 – Tensão Cisalhante
Figura A.5.39 – Seção L6 – Tensão Combinada
54
Figura A.5.40– Seção L8 – Tensão normal na direção X do elemento
Figura A.5.41 - Seção L8 – Tensão normal na direção Y do elemento
55
Figura A.5.42 - Seção L8 – Tensão Cisalhante
Figura A.5.43 - Seção L8 – Tensão Combinada
56
Figura A.5.44 - Casco – Tensão normal na direção X do elemento
Figura A.5.45 - Casco – Tensão normal na direção X do elemento
57
Figura A.5.46 - Casco – Tensão normal na direção Y do elemento
Figura A.5.47 - Casco – Tensão normal na direção Y do elemento
58
Figura A.5.48 - Casco – Tensão Cisalhante
Figura A.5.49 - Casco – Tensão Cisalhante
59
Figura A.5.50 - Casco – Tensão Combinada
Figura A.5.51 - Casco – Tensão Combinada
60
ANEXO VI: PROPRIEDADES SECCIONAIS.
Property 1 - Espessura 9.5 mm
Type PLATE
Color 24
Layer 1
#Elem 1138
Bending Matl 0
TrShear Matl 0
Thickness 9.5
Top Fiber 0.
NS Mass/Area 0.
12I/T**3 0.
Property 2 - Espessura 11 mm
Type PLATE
Color 22
Layer 1
#Elem 6797
Bending Matl 0
TrShear Matl 0
Thickness 11.
Top Fiber 0.
NS Mass/Area 0.
12I/T**3 0.
Property 3 - Espessura 12.5 mm
Type PLATE
Color 57
Layer 1
#Elem 24213
Bending Matl 0
TrShear Matl 0
Thickness 12.5
Top Fiber 0.
NS Mass/Area 0.
12I/T**3 0.
Property 4 - Espessura 14 mm ->12.5
Type PLATE
Color 57
Layer 1
#Elem 930
Bending Matl 0
TrShear Matl 0
Thickness 12.5
Top Fiber 0.
NS Mass/Area 0.
12I/T**3 0.
Property 5 - Espessura 16 mm ->12.5
Type PLATE
Color 57
Layer 1
#Elem 8071
Bending Matl 0
TrShear Matl 0
Thickness 12.5
Top Fiber 0.
NS Mass/Area 0.
12I/T**3 0.
Property 6 - Espessura 19mm
Type PLATE
Color 67
Layer 1
#Elem 364
Bending Matl 0
TrShear Matl 0
Thickness 19.
Top Fiber 0.
NS Mass/Area 0.
12I/T**3 0.
Property 7 - Espessura 25 mm ->12.5
Type PLATE
Color 57
Layer 1
#Elem 9143
Bending Matl 0
TrShear Matl 0
Thickness 12.5
Top Fiber 0.
NS Mass/Area 0.
12I/T**3 0.
Property 8 - HP 120 X 7
Type BEAM
Color 53
Layer 1
#Elem 1074
SHAPE - General Section
End A
Area 1052.06
ShearAr, K1 723.642
199.837
I1 1490000.
I2 26907.3
96393.
NS Mass/Len 0.
Warp Const 0.
26744.6
Perimeter 0.
Neutral Axis Off A:
Y 70.6971
Z 0.
Neutral Axis Off B:
Y 70.6971
Z 0.
Recover Stresses At: Y 119.505
Z -15.5361
Recover Stresses At: Y 120.
Z 5.6334
Material 1
CouplingMatl 0
Bot Fiber 0.
Tshear/T 0.
Material 1
CouplingMatl 0
Bot Fiber 0.
Tshear/T 0.
Material 1
CouplingMatl 0
Bot Fiber 0.
Tshear/T 0.
Material 1
CouplingMatl 0
Bot Fiber 0.
Tshear/T 0.
Material 1
CouplingMatl 0
Bot Fiber 0.
Tshear/T 0.
Material 1
CouplingMatl 0
Bot Fiber 0.
Tshear/T 0.
Material 1
CouplingMatl 0
Bot Fiber 0.
Tshear/T 0.
Material 1
ShearAr, K2
I12 J
61
Property 9 - HP 180 X 10
Type BEAM
#Elem 1600
SHAPE - General Section
End A
Area 2245.23
405.707
I1 7170000.
450000.
NS Mass/Len 0.
116061.
Perimeter 0.
Neutral Axis Off A:
Y
Neutral Axis Off B:
Y
Recover Stresses At: Y
Recover Stresses At: Y
Property 10 - HP 260 X 12
Type BEAM
#Elem 261
SHAPE - General Section
End A
Area 4131.25
668.925
I1 27700000.
1910000.
NS Mass/Len 0.
413029.
Perimeter 0.
Neutral Axis Off A:
Y
Neutral Axis Off B:
Y
Recover Stresses At: Y
Recover Stresses At: Y
Property 11 - B 75 x 11
Type BEAM
#Elem 129
SHAPE - Rectangular Bar
Height 75.
Top Thick 0.
End A Area 825.
703.577
I1 386719.
NS Mass/Len 0.
30265.8
Perimeter 0.
Neutral Axis Off A:
Y
Neutral Axis Off B:
Y
Recover Stresses At: Y
Recover Stresses At: Y
Recover Stresses At: Y
Recover Stresses At: Y
Property 12 - B 100 x 11
Type BEAM
#Elem 473
SHAPE - Rectangular Bar
Height 100.
Top Thick 0.
End A
Area 1100.
938.703
I1 916667.
NS Mass/Len 0.
41396.3
Perimeter 0.
Color 59
Layer 1
ShearAr, K1 1548.99
I2 120109.
Material 1
ShearAr, K2
I12 -
Warp Const 0.
105.886
105.886
179.307
180.
Z
Z
Z
Z
Color 120
J
0.
0.
-22.9838
8.0534
Layer 1
ShearAr, K1 2694.54
I2 489973.
Material 1
ShearAr, K2
I12
Warp Const 0.
-158.1
-158.1
-260.
-259.78
Z
Z
Z
Z
Color 110
0.
0.
11.245
-28.9013
Layer 1
Width 11.
Bot Thick 0.
ShearAr, K1 701.036
I2 8318.75
Warp Const 0.
0.
0.
-37.5
-37.5
37.5
37.5
Z
Z
Z
Z
Z
Z
Color 34
J
Material 1
Width,Bottom 0.
Thick 0.
ShearAr, K2
I12 0.
J
0.
0.
5.5
-5.5
-5.5
5.5
Layer 1
Width 11.
Bot Thick 0.
ShearAr, K1 934.694
I2 11091.7
Warp Const 0.
Material 1
Width,Bottom 0.
Thick 0.
ShearAr, K2
I12 0.
J
62
Neutral Axis Off A:
Y 0.
Z 0.
Neutral Axis Off B:
Y 0.
Z 0.
Recover Stresses At: Y -50.
Z 5.5
Recover Stresses At: Y -50.
Z -5.5
Recover Stresses At: Y 50.
Z -5.5
Recover Stresses At: Y 50.
Z 5.5
Property 13 - B 150 x 12.5
Type BEAM
Color 145
Layer 1
#Elem 1072
SHAPE - Rectangular Bar
Height 150.
Width 12.5
Top Thick 0.
Bot Thick 0.
End A
Area 1875.
ShearAr, K1 1593.21
1603.57
I1 3520000.
I2 24414.1
NS Mass/Len 0.
Warp Const 0.
92857.8
Perimeter 0.
Neutral Axis Off A:
Y 0.
Z 0.
Neutral Axis Off B:
Y 0.
Z 0.
Recover Stresses At: Y -75.
Z 6.25
Recover Stresses At: Y -75.
Z -6.25
Recover Stresses At: Y 75.
Z -6.25
Recover Stresses At: Y 75.
Z 6.25
Property 14 - B 200 x 12.5
Type BEAM
Color 110
Layer 30
#Elem 708
SHAPE - Rectangular Bar
Height 200.
Width 12.5
Top Thick 0.
Bot Thick 0.
End A
Area 2500.
ShearAr, K1 2124.26
2141.42
I1 8330000.
I2 32552.1
NS Mass/Len 0.
Warp Const 0.
125653.
Perimeter 0.
Neutral Axis Off A:
Y 0.
Z 0.
Neutral Axis Off B:
Y 0.
Z 0.
Recover Stresses At: Y -100.
Z 6.25
Recover Stresses At: Y -100.
Z -6.25
Recover Stresses At: Y 100.
Z -6.25
Recover Stresses At: Y 100.
Z 6.25
Property 15 - Espessura 12.5/2
Type PLATE
Color 110
Layer 80
#Elem 1008
Bending Matl 0
TrShear Matl 0
Thickness 6.25
Top Fiber 0.
NS Mass/Area 0.
12I/T**3 0.
Property 16 - Espessura 50mm
Type PLATE
Color 121
Layer 40
#Elem 678
Bending Matl 0
TrShear Matl 0
Thickness 50.
Top Fiber 0.
NS Mass/Area 0.
12I/T**3 0.
Property 17 - Espessura 75 mm
Type PLATE
Color 4
Layer 40
#Elem 0
Bending Matl 0
TrShear Matl 0
Thickness 75.
Top Fiber 0.
NS Mass/Area 0.
12I/T**3 0.
Property 18 - t_16 mm
Material 1
Width,Bottom 0.
Thick 0.
ShearAr, K2
I12 0.
J
Material 1
Width,Bottom 0.
Thick 0.
ShearAr, K2
I12 0.
J
Material 1
CouplingMatl 0
Bot Fiber 0.
Tshear/T 0.
Material 1
CouplingMatl 0
Bot Fiber 0.
Tshear/T 0.
Material 1
CouplingMatl 0
Bot Fiber 0.
Tshear/T 0.
63
Type PLATE
#Elem 3365
Bending Matl 0
Thickness 16.
NS Mass/Area 0.
Color 110
Layer 3
TrShear Matl 0
Top Fiber 0.
12I/T**3 0.
Material 1
CouplingMatl 0
Bot Fiber 0.
Tshear/T 0.
64