3 - Carregamentos em estruturas offshore

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ANÁLISE ESTRUTURAL DE SISTEMAS 
MARÍTIMOS
PROFESSORES: Michele Agra de Lemos Martins / Eduardo Nobre Lages
micheleagra@lccv.ufal.br / enl@lccv.ufal.br
Maceió-AL
Versão: 2017.1
UNIVERSIDADE FEDERAL DE ALAGOAS
CENTRO DE TECNOLOGIA
ENGENHARIA DE PETRÓLEO
Carregamentos em estruturas offshore
• As estruturas offshore estão submetidas, em geral, aos seguintes carregamentos:
 Cargas permanentes
 Cargas operacionais
 Cargas ambientais
 Cargas de construção e instalação
 Cargas acidentais
Carregamentos em estruturas offshore
• Cargas permanentes:
Englobam as cargas referentes ao peso
próprio de toda a estrutura, sistemas de
lastro, peso do maquinário, acomodações e
demais equipamentos permanentes.
Para os membros estruturais abaixo da linha
d’água, deve-se ainda considerar as forças
hidrostáticas, como as cargas de flutuação e
pressão nos membros estruturais.
Carregamentos em estruturas offshore
• Cargas permanentes:
“Cargas mortas” (dead loads) incluem todos os membros fixos na plataforma,
tais como deck, jaqueta, pontes e estrutura do queimador/tocha (flare), ou seja,
incluem todos os elementos estruturais primários de aço e itens estruturais
secundários, tais como estrutura de apoio a embarque/desembarque (boat
landing), pad eyes, enrijecedores, corrimãos, planta do deck, pequenas
plataformas de acesso, etc.
Carregamentos em estruturas offshore
• Cargas permanentes:
Os componentes estruturais primários de aço devem ser calculados com base
na concepção estrutural do modelo, normalmente via simulação computacional
da estrutura.
O peso dos elementos estruturais secundários de aço deve ser calculado e
aplicado ao modelo estrutural primário em locais apropriados (carga localizada).
Carregamentos em estruturas offshore
• Cargas permanentes:
Facility Dead Loads 
As estruturas construídas tanto para a perfuração de
poço ou plataformas de produção e processamento
suportam uma série de equipamentos e instalações. 
Estes são equipamentos permanentes na plataforma,
mas sem contribuição estrutural. Eles não têm
qualquer contribuição em rigidez ou resistência
estrutural para a integridade global da estrutura, e não devem ser 
modelados. 
Os pesos de tais itens devem ser calculados e aplicados nos locais 
apropriados de acordo com o projeto da estrutura. 
Esses itens incluem:
• Equipamento mecânico; equipamento elétrico; dutos de conexão 
entre equipamentos; itens de instrumentação; calhas de cabos 
elétricos, etc.
Carregamentos em estruturas offshore
• Cargas operacionais:
Englobam as cargas provenientes das operações em
curso, como carga e descarga, perfuração, operações
de amarração, as cargas adicionais geradas por
guindastes e torres, as cargas do processo de
aterrissagem de helicópteros, etc.
Deve-se considerar o impacto, momentos gerados,
vibração e fadiga do material.
Também envolvem peso da mão de obra,
equipamentos, armazenamento do óleo produzido,
etc.
Carregamentos em estruturas offshore
• Cargas operacionais:
Cargas de Fluidos
Esse tipo de carregamento é considerado como o peso do fluido durante as
operações.
Isto pode incluir a totalidade do fluido no equipamento e tubulações.
O peso desses itens deve ser calculado com precisão e aplicado no modelo
estrutural nos locais correspondentes.
Forças adicionais são geradas devido ao fluxo do fluido no interior da
tubulação, principalmente quando se trata de fluido de alta densidade e com
velocidade elevada:
• força centrífuga (caso a operação seja em tubulação não retilínea)
• força de Coriolis (caso a estrutura esteja em movimento rotacional)
• força de atrito do fluxo
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• Cargas operacionais:
Cargas de Fluidos
Força centrífuga: gerada pelo escoamento de um fluido em conexões de
trechos retos de um duto ou ao longo de um trecho curvo de um duto.
A força centrífuga resultante em uma conexão é dada por 
em que e são, respectivamente, versores chegando 
e saindo da conexão, com os sentidos do fluxo.
Para um fluido com densidade se deslocando com fluxo uniforme,
vazão mássica , escoando em um duto com área interna da seção
transversal , a velocidade do escoamento é dada por
Para o caso em que a área interna da seção transversal 
é constante, tem-se
Carregamentos em estruturas offshore
• Cargas operacionais:
Cargas de Fluidos
Força centrífuga: no caso de um trecho curvo de tubo, o escoamento do
fluido gera uma força centrífuga distribuída por unidade de comprimento de
arco do eixo do tubo, dada por
No caso de um trecho curvo com área interna da seção transversal 
constante, gera-se uma força distribuída por unidade de 
comprimento de arco do eixo do tubo, dada por
em que e são, respectivamente, a curvatura e o versor normal 
principal da curva representativa do eixo do tubo.
em que é o vetor tangente unitário à curva representativa do eixo 
do tubo, sendo definido no sentido do fluxo, e é uma coordenada de 
comprimento de arco ao longo do eixo do tubo, nesse mesmo sentido.
Carregamentos em estruturas offshore
• Cargas operacionais:
Cargas de Fluidos
Força de Coriolis: gerada pelo escoamento do fluido no
interior de um tubo, onde esse se encontra girando
em relação a um sistema inercial (fixo) de referência.
A força de Coriolis mostra-se sempre perpendicular à 
direção do escoamento e também ao eixo de rotação 
do sistema não inercial do tubo em relação ao inercial.
Considerando um trecho retilíneo de tubo, a força de Coriolis equivalente 
atuante nas extremidades do trecho é dada por
ou seja
em que e são as velocidades dos extremos inicial e final do trecho de 
tubo, é a vazão mássica e é o vetor unitário ao longo do eixo do tubo e 
na direção do escoamento.
Carregamentos em estruturas offshore
• Construção e instalação
São cargas temporárias que surgem durante
a fabricação ou montagem da plataforma ou
de seus componentes, a exemplo de:
 Cargas de içamento de partes do sistema
https://www.youtube.com/watch?v=4IVbY21e4Ck
 Carregamentos gerados durante o processo de
transporte do estaleiro de fabricação para o local
final de instalação de um jack-up (plataforma auto-
elevatória), bem como a situação de "fixação" final
da estrutura, mergulhando suas pernas para o fundo
do mar
https://www.youtube.com/watch?v=HdDoYi8qIQM
 Carregamentos gerados durante o processo de transporte 
e lançamento de uma jaqueta em local de instalação
https://www.youtube.com/watch?v=DVNJumteHcs
Carregamentos em estruturas offshore
• Cargas acidentais
De acordo com a DNV, cargas acidentais
são cargas que podem ocorrer como
resultado de puro acidente ou em
circunstâncias excepcionais.
Os piores casos podem ser colisões,
rupturas, inundações de partes flutuantes,
incêndios ou explosões.
Medidas de evacuação devem ser
aplicadas no caso de acidentes.
Carregamentos em estruturas offshore
• Carregamentos ambientais:
Cargas de vento: 
• Essas cargas agem sobre a parte superior
da plataforma, em virtude dos ventos que
sopram nas diversas direções.
• Despertam o interesse quanto à direção de
atuação para o conhecimento da região de
espalhamento de gases e definição de
rotas de fuga.
• As cargas de vento exigem preocupações
de ordem estrutural resultantes de
deslocamentos acentuados da unidade
flutuante, como também problemas de
natureza local, como a vibração em
membros estruturais esbeltos.
Carregamentos em estruturas offshore
• Carregamentos ambientais:
Cargas de vento: 
• Utiliza-se como referência a velocidade do vento a 10 m acima LAT (Lowest
Astronomical Tide ou a mais baixa maré astronômica).
• Esta velocidade do vento deve ser extrapolada para o cálculo da velocidade do
vento para outras alturas da seguinte forma:
em que é a elevação do ponto considerado (em metros) acima da referência
LAT, é a velocidade de interesse e varia de a , dependendo do
estado de mar, da distância ao continente e do intervalo médio de atuação,
com 1/13 para rajadas (< 1 min) e para ventos regulares em mar aberto
( 1 min).
Cargas de vento devem ser calculadasconforme as diretrizes API-RP-2A –
Recommended Practice for Planning, Designing and Constructing Fixed
Offshore Platforms.
Carregamentos em estruturas offshore
• Carregamentos ambientais:
Cargas de vento: 
• Velocidades de vento constantes com duração em média de 10 minutos
devem ser utilizadas para calcular as cargas de vento globais na plataforma;
• Rajadas de vento com duração pequena (3 segundos) devem ser utilizados
para calcular as cargas de vento para projetar membros individuais.
• A pressão de vento pode ser calculada como
em que é a pressão do vento por unidade de área, é a
densidade do ar e é a velocidade do vento em . Assim,
Carregamentos em estruturas offshore
• Carregamentos ambientais:
Cargas de vento: 
• A força total do vento na
plataforma pode ser calculada da
seguinte maneira:
em que é um coeficiente de
forma.
Carregamentos em estruturas offshore
• Carregamentos ambientais:
Temperatura e pressão atmosférica
Cargas dessa natureza causam a expansão
térmica, contração e, por vezes, deformação.
Uma plataforma no ártico, por exemplo, tem
que suportar os efeitos de baixa pressão e
flutuações de temperatura; enquanto em
algum lugar perto dos trópicos, durante o
verão, essa plataforma pode ser submetida a
altas temperaturas, pressões, umidade ou
correntes submarinas quentes, por vezes,
levando a expansão.
Uma carga térmica também pode ser imposta à
estrutura pelo material que armazena ou
transporta.
Carregamentos em estruturas offshore
• Carregamentos ambientais:
Atividades sísmicas
Ocorrem frequentemente nas placas oceânicas
submarinas.
Estes comportamentos sismológicos oceânicos
muitas vezes levam à variação no comportamento
das ondas oceânicas.
Impacto em estruturas fixas.
Impacto nos sistemas de ancoragem e arranjos
submarinos.
Às vezes essas atividades oceânicas são catastróficas,
como os tsunamis.
Carregamentos em estruturas offshore
• Carregamentos ambientais:
Cargas de gelo:
 Para estruturas localizadas em regiões
polares e países gelados, carregamentos
devidos ao gelo devem ser devidamente
considerados no projeto.
 Nessas regiões as camadas de gelo, de 
diferentes espessuras, podem se mover 
devido à ação da maré e de correntezas.
 Quando essas camadas de gelo atingem
a estrutura, podem provocar grande
impacto em suas partes.
 Além de cargas de impacto, o acúmulo
de gelo gera o aumento do peso sobre a 
estrutura, além de majorar a carga de 
vento, devido ao aumento da área de 
ataque.
Carregamentos em estruturas offshore
• : resistência ao esmagamento/quebra do gelo
(entre 1,5 MPa a 3,5 MPa)
• : Coeficiente de força do gelo (empírico, variando
entre 0,3 e 0,7)
• : área atingida pelo gelo (diâmetro do membro
estrutural x espessura da camada de gelo )
• Carregamentos ambientais:
Cargas de gelo:
 Baseado em estudos experimentais, uma
equação empírica foi proposta para estimar
essa força gerada pelo gelo:
Carregamentos em estruturas offshore
• Carregamentos ambientais:
Mud loads (cargas de sedimentos):
 Plataformas localizadas nas
proximidades de foz de rios
(plataformas de águas rasas) 
podem ser submetidas a 
carregamentos de sedimentos.
 O fluxo do rio pode arrastar
sedimentos e lama na direção da 
plataforma.
 Após um longo período de tempo, 
esse sedimento pode assentar/fixar 
na plataforma e, eventualmente, 
superfícies inclinadas podem 
provocar deslizamentos e gerar 
cargas.
Carregamentos em estruturas offshore
: coeficiente empírico variando
entre 7 a 9
: resistência ao cisalhamento do
solo (5 kPa a 10 kPa)
: diâmetro do membro estrutural
• Carregamentos ambientais:
Mud loads (cargas de sedimentos):
Carregamentos em estruturas offshore
• Carregamentos ambientais:
Marine growth:
 Crescimento e acúmulo de “vida
marinha” sobre as superfícies
submersas;
 Provoca o aumento das forças de
onda através de forças de arrasto mais
altas (maiores diâmetros e maior
rugosidade da superfície);
 A espessura desse acúmulo
geralmente diminui com a profundidade
a partir do nível médio do mar, sendo
máxima na zona de arrebentação.
Carregamentos em estruturas offshore
• Carregamentos ambientais:
Marine growth:
 Em grandes profundidades essa espessura pode
ser desprezada.
 A zona de arrebentação caracteriza-se pela
flutuação máxima e mínima do nível do mar; esses
valores variam a cada locação dependendo da ação
das marés. De modo geral, essa zona varia de -3 m a
+ 5 m.
 Nas análises estruturais, o aumento do diâmetro
da estrutura ( ) deve ser incluído, de
modo a permitir o cálculo adequado das forças de
onda e correnteza
Carregamentos em estruturas offshore
• Carregamentos ambientais:
Empuxo
• Efeito resultante da distribuição 
da pressão exercida por um 
fluido na superfície limitante
de qualquer objeto imerso no 
mesmo.
• Métodos de cálculo: 
 Marine Method
 Rational Method
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• Carregamentos ambientais:
Ondas
• Fenômeno de propagação de energia que ocorre nos oceanos, geradas pela 
força motriz dos ventos (de pressão e de fricção), movimentos da crosta 
terrestre (maremotos) e forças astronômicas. 
Carregamentos em estruturas offshore
• Carregamentos ambientais:
Ondas
• O projeto de qualquer estrutura offshore busca 
garantir sua integridade às ondas incidentes.
• Forças de onda: 
 Morison
 Froude-Krylov
 Difração
Profunda
Rasa
Carregamentos em estruturas offshore
• Carregamentos ambientais:
Ondas:
• Duas metodologias de cálculo:
 Onda de projeto (design wave method): uma série de ondas
de projeto, com períodos associados, é selecionada para
“gerar” carregamento na estrutura. Esses carregamentos são
utilizados para avaliação da resposta da estrutura.
 Espectro (spectral method): o espectro de energia de onda da
região de interesse é utilizado juntamente com funções de
transferência da estrutura, possibilitando a obtenção das
tensões nos membros da mesma.
Carregamentos em estruturas offshore
Ondas:
• Onda de Projeto
 A força exercida pelas ondas são
dominantes no projeto de jaquetas, por
exemplo, especialmente para os
elementos de fundação.
 O carregamento de onda exerce uma
força lateral nos membros da jaqueta,
gerando momentos de tombamento na
estrutura.
 As ondas geradas pelos ventos têm
períodos entre 2 e 20 segundos, sendo
chamadas de ondas de gravidade,
contendo a maior parte da energia de
onda.
• Carregamentos ambientais:
Carregamentos em estruturas offshore
• Carregamentos ambientais:
Ondas:
 Valores de referência de alturas
de ondas de projeto em função
do período de recorrência:
amplitude
Carregamentos em estruturas offshore
• Carregamentos ambientais:
Ondas:
• Método Espectral
 Uso do espectro de energia de onda para simulação
 Espectro de Pierson-Moskowitz; JONSWAP; ISSC (Bretschneider
ou Pierson-Moskowitz modificado)
Carregamentos em estruturas offshore
• Carregamentos ambientais:
Correnteza:
 Correntes oceânicas induzem forças de arrasto em
estruturas offshore.
 Juntamente com as ondas, induzem carregamentos
dinâmicos nas estruturas.
 Correntes geradas pelo vento possuem baixa
velocidade e variam linearmente com a
profundidade.
 Correntes de maré variam de maneira não linear
com a profundidade.
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/
• Carregamentos ambientais:
Correnteza:
 A variação da velocidade de corrente de maré
com a profundidade pode ser expressa por:
em que é a velocidade da corrente de maré
em qualquer altura a partir do fundo do mar,
é a velocidade da corrente de maré na
superfície, é a distância medida em metros
a partir do solo marinho e é a
profundidade total.
Seabed
h
Carregamentos em estruturas offshore
• Carregamentos ambientais:
Correnteza:
 A variação da velocidade de corrente
gerada pelo vento com a profundidade
pode ser expressa por:
em que é a velocidade do vento em
qualquer altura a partir do fundo do mar, 
é a velocidade da corrente gerada
pelo vento na superfície, é a distância
medida a partir do fundo domar e é a 
profundidade total do mar.
h
Carregamentos em estruturas offshore
• Carregamentos ambientais:
Interação onda-correnteza
 O perfil vertical do campo da velocidade média horizontal resultante da presença
de ondas de superfície e correnteza é fortemente influenciado pela interação das
ondas de superfície com a corrente.
 O perfil vertical da velocidade média horizontal difere quando existem apenas
ondas, apenas corrente ou quando ocorrem simultaneamente ondas e correntes.
 Quando as ondas se propagam na presença de correntes, estas irão afetar as
características das ondas, que por sua vez afetam o perfil de velocidades da
corrente.
 Estes efeitos são mais significativos no caso de ondas que se propagam no sentido
contrário à corrente, influenciando a declividade das ondas, podendo provocar
mesmo a sua rebentação.
 No caso da correnteza ter o mesmo sentido da propagação das ondas, poderá
alterar o comprimento de onda e reduzir a altura de onda.
Carregamentos em estruturas offshore
• Carregamentos ambientais:
Interação onda-corrente
 Em uma aproximação estritamente linear, o campo de velocidades na presença
de ondas e de uma correnteza uniforme deveria ser igual à soma da velocidade
devido à onda com a correnteza.
 Kemp e Simons (1982, 1983): ensaios de laboratório para estudar a distinta
influência das ondas no perfil de velocidades da corrente, em particular para
medir as velocidades médias num campo de ondas regulares, propagando-se no
mesmo sentido e no sentido contrário à corrente, no caso de fundos horizontais
lisos e rugosos.
Kemp, P.H.; Simons, R.R. The interaction between waves and a turbulent current: waves
propagating with the current. Journal of Fluid Mechanics, v. 116, p. 227-250, 1982.
Kemp, P.H.; Simons, R.R. The interaction between waves and a turbulent current: waves
propagating against the current. Journal of Fluid Mechanics, v. 130, p. 73-89, 1983.
Carregamentos em estruturas offshore
• Carregamentos ambientais:
Interação onda-corrente
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hVelocidade normalizada ⁄
Velocidade normalizada ⁄
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• Carregamentos ambientais:
Referências
API, 1984. Recommended Practice for Planning, Designing and Constructing Fixed Offshore
Platforms, American Petroleum Institute, API RP2A, and 15th Edition.
Kharade, A. S.; Kapadiya, S. V., 2014. Offshore Engineering: an Overview of Types and
Loadings on Structures. International Journal of Structural and Civil Engineering
Research, v. 3, n. 2, pp. 16-28.
Orcina, 2016. OrcaFlex. URL: http://www.orcina.com.