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UNIVERSIDADE DO ESTADO DO AMAZONAS
ESCOLA SUPERIOR DE TECNOLOGIA
ENGENHARIA NAVAL
PAULO GIOVANNI DE SOUZA CARVALHO – MATRÍCULA N°: 1515200587
EZEQUIAS MARTINS DE FRANCA – MATRÍCULA N°: 1515200026
MATEUS MAGALHAES DE FARIAS – MATRÍCULA N°: 1315200124
DIMENSIONAMENTO DA SEÇÃO MESTRA – PETROLEIRO EPHESOS
MANAUS – AM
2017
2
DIMENSIONAMENTO DA SEÇÃO MESTRA – PETROLEIRO EPHESOS
Trabalho apresentado como requisito parcial
para obtenção de aprovação na disciplina de
Resistência Estrutural l, no Curso de
Engenharia Naval, na Universidade do
Estado do Amazonas.
Prof. Marcelo Paiva Hermann.
MANAUS – AM
2017
3
LISTA DE FIGURAS
Figura 1-Ajuste da forma do casco através de imagens em background...................................... 7
Figura 2-Modelagem final do casco........................................................................................... 7
Figura 3 - Gráfico da SAC. ....................................................................................................... 8
Figura 4 - Gráfico de Momnento Fletor (Método Analítico)..................................................... 10
Figura 5:Seção Mestra modelada em AutoCad ........................................................................ 17
4
LISTA DE TABELAS
Tabela 1: Dimensões do Navio .................................................................................................. 7
Tabela 2: Pesos utilizados ......................................................................................................... 8
Tabela 3: Momentos calculados .............................................................................................. 10
Tabela 4: Espaçamento dos reforçadores ................................................................................. 11
Tabela 5: Espessuras das chapas .............................................................................................. 12
Tabela 6: Módulos de seções da ABS e usados ........................................................................ 15
Tabela 7: Dados calculados ..................................................................................................... 16
Tabela 8: Momentos em Onda................................................................................................. 16
Tabela 9: Tensão Primária (MPa) - Momento em Onda (ABS) ................................................ 17
Tabela 10: Tensão Primária (MPa) - Momento em Onda (Método Analítico)........................... 17
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SUMÁRIO
1. INTRODUÇÃO ............................................................................................................... 6
2. MODELAGEM 3D DO CASCO..................................................................................... 7
3. ESFORÇO CORTANTE E MOMENTO FLETOR ...................................................... 8
4. DIMENSIONAMENTO ESTRUTURAL ..................................................................... 10
4..1. ESPAÇAMENTO ...................................................................................................... 10
4..2. ESPESSURAS ........................................................................................................... 11
4..2.1. ESPESSURA DA CHAPA DO COSTADO E ANTEPARA LONGITIDINAL... 11
4..2.2. ESPESSURA DA CHAPA DE FUNDO ................................................................ 11
4..2.3. ESPESSURA DA CHAPA DO CONVÉNS .......................................................... 12
4..2.4. ESPESSURA CHAPA DO DUPLO FUNDO ........................................................ 12
4..2.5. ESPESSURA CHAPA DO DUPLO COSTADO .................................................. 12
4..2.6. ESPESSURA CHAPA/QUILA .............................................................................. 12
4..3. MÓDULO DA SEÇÃO DOS REFORÇADORES.................................................... 12
4..3.1. SICORDAS ............................................................................................................ 12
4..3.2. ESCOAS................................................................................................................. 13
4..3.3. LOGARINAS ......................................................................................................... 13
4..3.4. REFORÇADORES DO FUNDO........................................................................... 13
4..3.5. REFORÇADORES DE DUPLO FUNDO ............................................................. 14
4..3.6. REFORÇADORES DO CONVÉNS ..................................................................... 14
4..3.7. REFORÇADORES DO DUPLO CASTADO/COSTADO ................................... 14
4..3.8. REFORÇADORES DA ANTEPARA LONGINTUDINAL ................................. 15
5. MÓDULOS DE SEÇÕES ............................................................................................. 15
5..1. MÓDULO DE SEÇÃO REQUERIDO (ABS) .......................................................... 15
5..2. MÓDULO DE SEÇÃO MÍNIMO (ABS) .................................................................. 15
5..3. MÓDULO DA SEÇÃO DA SEÇÃO MESTRA ....................................................... 16
6. TENSÃO PRIMÁRIA ................................................................................................... 16
7. SEÇÃO MESTRA ......................................................................................................... 17
8. CONSIDERAÇÕES FINAIS ........................................................................................ 18
9. REFERÊNCIAS ............................................................................................................ 19
6
1. INTRODUÇÃO
A seção mestra de um navio é essencialmente importante para o projeto inicial, pois esta
configuração da seção decorre por grande parte do comprimento da embarcação. Sendo assim,
este trabalho tem por objetivo dimensionar uma seção mestra para um petroleiro, EPHESOS, já
existente cujos dados foram obtidos a partir da revista Significant Ships 2012.
7
2. MODELAGEM 3D DO CASCO
Uma vez que a tabela SAC (Section Area Curve) é necessária para estimar o momento
(de forma analítica) atuante na embarcação, tendo posse do arranjo geral, decidiu-se que
a melhor opção seria a modelagem do casco. Para tal, utilizou-se o software Delftship.
Tabela 1: Dimensões do Navio
Item Valores
Loa (m): 274,18 Lpp (m): 264,0
Draft (m): 17,15 Depth (m): 23,1
Breadth (m): 50 Block co-efficient: 0,8211
Fonte: Revista Significant Ships.
Primeiramente, gerou-se um casco genérico com as dimensões do petroleiro, depois
foram feitas modificações manuais em sua forma para se assemelhasse à um petroleiro
genérico. Feito isso, foram retiradas algumas imagens do arranjo para que fossem
utilizadas como background e modelar o casco de acordo com seu formato real, como
mostrado a seguir:
Figura 1-Ajuste da forma do casco através de imagens em background.
Fonte: autor.
Ajustadas as formas, foi-se utilizada a ferramenta Hull Transformation do software para
garantir que os coeficientes fossem iguais.
Desta forma, obteve-se o seguinte casco:
Figura 2-Modelagem final do casco.
Fonte: Autor.
Com o casco finalizado, foi-se possível extrair a tabela SAC, como mostrado a seguir:
8
Figura 3 - Gráfico da SAC.
Fonte: Autor.
3. ESFORÇO CORTANTE E MOMENTO FLETOR
A partir do arranjo geral, foram-se estimadas as distribuições das cargas, oufiting,
maquinário, estrutura e superestrutura.
Para haver valores reais para a análise do momento fletor, Watson (2012) sugere as
seguintes equações para estimar os pesos:
Peso em aço do casco:
Onde:
k = 0,021 para petroleiros;
= ( + )+0,85 ( − ).
Outfit:
Onde:
Co = 0,23 para petroleiros.
Para a superestrutura, Amorim (1983) sugere a seguinte expressão:
Tabela 2: Pesos utilizados
Item Peso em toneladas
Estrutura/Aço 20860,971 Outfiting 3036,00
Superestrutura 275,368 Carga 164730,00
Máquinas 2147,661 Fonte: autor
9
O cálculo da flutuação foi feita através da seguinte expressão:
Onde, para águas calmas:
Para ondas de Tosamento e Alquebramento, respectivamente (em relação ao sinal do
cosseno):
Como uma forma de colocar uma condição de contorno, utilizou-se a função “SE” do
Excel para que o T(x) ficasse somente entre 0 e pontal, pois para outros valores não
haveria significado físico.
Após a distribuição dos pesos, calculou-se o esforço cortante, momento fletor, LCG e
LCB de acordo com as seguintes expressões, respectivamente:
A fim de respeitar as condições de equilíbrio foi-se necessário utilizar a ferramenta
“Teste de hipóteses do Excel” e realizar diversas iterações para fazer com que a
diferença Peso – Flutuação atingisse zero variando o Calado médio e, alternadamente,
fazendo com que a diferença LCG-LCB atingisse zero variando o ângulo de trim até que
estes valores convergissem e a curva de Esforço cortante e momento fletor zerassem nas
extremidades, uma vez que a embarcação é considerada uma viga livre-livre. As
condições de equilíbrio são mostradas a seguir:
Assim, foram obtidas as seguintes curvas de momento fletor:
10
Figura 4 - Gráfico de Momento Fletor (Método Analítico).
Fonte: Autor.
O memorial de cálculo se encontra na planilha eletrônica
“EPHESOS_PARTE_1_MOMENTO”.
Tabela 3: Momentos calculados
Momentos Valor em kN.m
Águas calmas (Analítico) -1103536,906 Tasamento (Analítico) -6305015,701
Alquebramento (Analítico) 7995937,189 Tasamento (ABS) -7241262,177
Alquebramento (ABS) 4615707,096 Fonte: autor
4. DIMENSIONAMENTO ESTRUTURAL
O dimensionamento estrutural foi feito de acordo com as regras da ABS (American
Bureau of Shipping) como base de cálculo dos espaçamentos entre reforçadores leves e
pesados, espessuras das chapas e os módulos de secções mínimas dos reforçadores e da
seção mestra.
4..1. ESPAÇAMENTO
A ABS não estipula um valor para os espaçamentos entre cavernas gigantes, longarinas
e sicordas, porém de acordo com as notas de aula usa-se um valor múltiplo do
espaçamento entre cavernas. Segundo a ABS 3-2-5/1.7 pode se estimar
espaçamentos para reforçadores leves definidos foram:
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Tabela 4: Espaçamento dos reforçadores
Item Valores Unidade
Espaçamento entre Cavernas Gigantes 5000 Mm
Espaçamento entre reforçadores pesados do fundo e costado. 5000 Mm Espaçamento entre longitudinais do fundo e costado 1000 Mm
Espaçamento entre longitudinais do convés 850 Mm Anteparas 34500
Mm
Fonte: Autor
As distâncias entre fundo e duplo fundo, costado e duplo costado foram calculados de
acordo com as regras da CSR.
Altura do Duplo Fundo:
Largura do Duplo Costado:
4..2. ESPESSURAS
4..2.1. ESPESSURA DA CHAPA DO COSTADO E ANTEPARA
LONGITIDINAL
Segundo a ABS 3-2-2/3.9, o valor mínimo da chapa de costado é dito pela a fórmula:
4..2.2. ESPESSURA DA CHAPA DE FUNDO
Segundo a ABS 3-2-2/3.13 espessura da chapa do fundo não pode menor ser menor
que:
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4..2.3. ESPESSURA DA CHAPA DO CONVÉNS
Segundo a ABS 3-2-3/5.1, a chapa do convés não pode ser menor que:
4..2.4. ESPESSURA CHAPA DO DUPLO FUNDO
Segundo a ABS 3-2-4/9.1 a espessura do duplo fundo não deve ser menor que:
4..2.5. ESPESSURA CHAPA DO DUPLO COSTADO
Segundo a ABS 3-2-2/3.9, o valor mínimo da chapa de duplo costado é dito pela
formula:
4..2.6. ESPESSURA CHAPA/QUILA
Segundo a ABS 3-2-2/3.15 a espessura da chapa quilha é deve ser a soma da espessura
utilizada no fundo mais 1,5 mm.
Tabela 5: Espessuras das chapas
Chapa Espessura Unidade
Convés: 19 Mm Costado: 23,3 Mm
Duplo Costado: 23,3 Mm Fundo: 26,34 Mm Duplo Fundo: 17,7 Mm Antepara Longitudinal: 23,3 Mm
Fonte: Autor
Com as espessuras mínimas calculadas, o mais viável seria utilizar espessuras de chapas
comercias.
4..3. MÓDULO DA SEÇÃO DOS REFORÇADORES
4..3.1. SICORDAS
Segundo a ABS 3-2-8/5.3, módulo seção mínimo é:
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Onde:
c = 1
b = Espaçamento entre sicordas em metros
h = 2.9 segundo a ABS 3-2-7/Table 1
l = Espaçamento entre gigantes em metros
4..3.2. ESCOAS
Segundo a ABS 3-2-6/5.1, é:
Onde:
c = 1.5
h = 2D/3, com D em metros
s = Espaçamento entre escoas em metros
l = Espaçamento entre cavernas gigantes em metros
4..3.3. LOGARINAS
Segundo a ABS 3-2-4/11.3, é:
Onde:
c = 1.3
h = 2D/3, com D em metros
s = Espaçamento entre logarinas em metros
l = Espaçamento entre antepara transversal em metros
4..3.4. REFORÇADORES DO FUNDO
Segundo a ABS 3-2-4/11.3, mínimo dos reforçadores do fundo é:
Onde:
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c = 1.3
h = 2D/3, com D em metros
s = Espaçamento entre longitudinais em metros
l = Espaçamento entre cavernas gigantes em metros
4..3.5. REFORÇADORES DE DUPLO FUNDO
Segundo a ABS 3-2-4/11.5, O módulo de seção mínimo dos reforçadores do duplo
fundo é 85% do SM do fundo.
4..3.6. REFORÇADORES DO CONVÉNS
Segundo a ABS 3-2-7/3.1,módulo mínimo de seção é:
Onde:
c = 0,3 para o caso em questão
h = segundo a ABS 3-2-7/Table 1
s = Espaçamento entre longitudinais de convés em metros
l = Espaçamento entre cavernas gigantes em metros
4..3.7. REFORÇADORES DO DUPLO CASTADO/COSTADO
Segundo a ABS 3-2-5/3.17, o módulo de seção dos reforçadores do duplo costado e
do costado não deve ser menor que:
Onde:
c = 0.95
h= 0.75 vezes a distância do reforçador mais próximo ao bojo até o convés em m
s = Espaçamento entre longitudinais do costado em metros
l = Espaçamento entre cavernas gigantes em metros.
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4..3.8. REFORÇADORES DA ANTEPARA LONGINTUDINAL
Os módulos mínimo de seção para a antepara longitudinal será igual a dos reforçadores
do duplo costado e costado ,logo segundo a ABS 3-2-5/3.17.
Tabela 6: Módulos de seções da ABS e usados
Reforçador SM pela ABS SM usado Unidade
Sicordas 69535 69655,3 cm³ Escoas 592387,43 246974,3 cm³ Longarinas 965530,8 198979,5 cm³
Fundo 3447,6 3471,2 cm³ Duplo fundo 2930,46 3384,8 cm³ Costado e Duplo Costado 2593,5 2657,2 cm³ Convéns 144,2025 1466,7 cm³ Antepara Longitudinal 2593,5 2693,3 cm³
Fonte: autor
5. MÓDULOS DE SEÇÂO
5..1. MÓDULO DE SEÇÃO REQUERIDO (ABS)
Segundo a ABS 3-2-1 / 3.7.1 (a) o módulo de seção requerida da seção mestra a 0,4L da viga navio é maior valor da seguinte equação ou 3-2-1 / 3.7.1 (b):
Onde: Mt = momento de flexão total , Mt=Msw+Mw 3-2-1/3.3 e 3-2-1/3.5.1
fp = tensão de flexão admissível = 17.5 kN/cm2
5..2. MÓDULO DE SEÇÃO MÍNIMO (ABS)
Segundo a ABS 3-2-1 / 3.7.1 (b) o módulo de seção da viga navio no meio não deve ser
menor ao obtido a seguinte equação:
Onde:
C1 = definido na 3-2-1/3.5 na ABS
C2 = 0.01 (0.01, 1.44 × 10^(-4))
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5..3. MÓDULO DA SEÇÃO DA SEÇÃO MESTRA
Com o dimensionamento preliminar dos elementos estruturais, pode calcular o SM da
seção mestra do navio EPHESOS. Os cálculos foram feitos em planilha eletrônica onde
foram listados os elementos que influenciam na tensão primaria, com suas respectivas
dimensões e localização. Com estes dados se extraiu o somatório dos momentos de
inércia e a posição da linha neutra da seção mestra, sendo assim, a divisão destes obtêm-
se o SM da seção metra. Todos os cálculos e resultados listados a seguir esta na planilha
eletrônica “EPHESOS_PARTE_2_SMs” .
Tabela 7: Dados calculados
Item Valores Unidade
Módulo de Seção Mínimo (ABS) 563234,0457 cm2*m Módulo de Seção Requerido (ABS) 456910,6965 cm2*m Módulo de Seção da Seção Mestra 623496,6344 cm2*m Linha Neutra 11,55 m Momento de Inércia Total 720,325 m4
Fonte: Autor
6. TENSÃO PRIMÁRIA
Com o módulo de seção e o momento máximo sofrido pela vigar calculou a tensão
primária pela a fórmula a seguir:
onde:
Mmáx=momento máximo
Z=distância para a linha neutra
I=Momento de Inércia total
SM=Módulo de seção da Seção Mestra
Tabela 8: Momentos em Onda
ABS (kN.m) Analítico (kN.m) Diferença (%)
Tosamento -7241262,177 -6305015,701 0,148492331 Alquebramento 4615707,096 7995937,189 0,732332018
Fonte: autor
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Tabela 9: Tensão Primária (MPa) - Momento em Onda (ABS)
Convés Fundo Duplo Fundo
Águas Calmas -17,70 17,69 14,63 Tosamento -116,14 116,08 95,97 Alquebramento 74,03 -73,99 -61,18
Fonte: autor
Tabela 10: Tensão Primária (MPa) - Momento em Onda (Método Analítico)
Convés Fundo Duplo Fundo
Águas Calmas -17,70 17,69 14,63 Tosamento -101,12 101,07 83,57 Alquebramento 128,24 -128,18 -105,98
Fonte: autor
7. SEÇÃO MESTRA
Figura 5:Seção Mestra modelada em AutoCad
Fonte: autor
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8. CONSIDERAÇÕES FINAIS
Com base nas notas de aulas e no levantamento bibliográfico realizado, foi possível
fazer os cálculos para dimensionamento preliminar de uma seção mestra e analisar a
tensão primária.
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9. REFERÊNCIAS
American Bureau of Shipping (ABS) – “American Bureau of Shipping. Hull
Construction and Equipment. Rules for Building and Classing - Steel Vessels, Part
3, February 2016”, – Novembro de 2017.
WATSON, David GM. Practical ship design. Gulf Professional Publishing, 2002.