Diversos são os fenômenos ambientais que influenciam na análise e concepção de projetos de estruturas offshore, tais como risers, linhas de ancoragem e umbilicais conectados a plataformas flutuantes. Porém, sem dúvida, os que mais influenciam nas análises dessas estruturas são os carregamentos devidos às ondas, ao vento e à corrente marinha, conforme ilustrado na Figura II.1.
Figura II.1 – Principais cargas atuantes sobre estruturas offshore.
Do ponto de vista estatístico, as ondas, vento e corrente são processos aleatórios (também chamados processos randômicos), já que são fenômenos naturais com variações randômicas no tempo e no espaço. Observa-se que no longo prazo, período de um ou mais anos, estes processos não podem ser considerados estritamente como estacionários, pois a rigor um processo estacionário não tem começo e nem fim (NEWLAND, 1993). No entanto, estes fenômenos podem ser modelados como pseudo-estacionários, ou seja, eles apresentam características de estacionariedade para períodos curtos de tempo (períodos de curto prazo), que na prática se caracterizam por períodos de cerca de 3h de duração. Estes períodos de curto prazo são comumente denominados estados de mar.
Conforme exposto, dentre outros, por SOUSA (2005), no curto prazo as variações temporais aleatórias das ondas e do vento podem ser caracterizadas por funções de densidades espectrais dependentes de parâmetros estatísticos ambientais característicos, que definem as propriedades dos seus respectivos processos aleatórios.
As ondas podem ser classificadas em duas categorias: ondas devidas ao mar local (sea) (geradas por ventos na região) e ondas devidas ao marulho (swell) (ondas geradas em locações distantes que viajaram até a locação de interesse). A caracterização das ondas em cada estado de mar, tanto para o mar local quanto para o marulho, pode ser feita através de espectros de mar que usualmente dependem de três parâmetros:
- Altura significativa de onda (HS);
- Período de pico ou de cruzamento zero associado à Hs (Tp/Tz); - Direção principal de incidência ().
Já o vento tem espectro definido pelos parâmetros:
- Velocidade média: VW;
- Direção principal de incidência: W.
A corrente marinha é representada através de um perfil com velocidades e direções variáveis ao longo da profundidade. Para um período de curto prazo, um dado perfil é considerado “fixo” durante aquele período de tempo. De uma forma simplificada, pode-se associar o perfil de corrente à velocidade da corrente superficial e sua direção de propagação e, assim, a corrente no curto prazo pode ser representada pelos parâmetros:
- Velocidade superficial: VC;
- Direção principal de propagação: C.
Desta forma, do ponto de vista estatístico, os parâmetros anteriores podem ser agrupados em um vetor S (que pode ser tão grande quanto maior seja a quantidade de parâmetros ambientais), utilizado para descrever o conjunto de parâmetros ambientais de curto prazo, dado por (SOUSA, 2011):
T C C W W SS P S SW P S T H T V V H SS SS SW SW, , , , , , , , , } { S (II-1) onde: S W S
H altura significativa de onda do mar local (sea);
S W P
SW
direção de incidência do mar local (sea);
S S S
H altura significativa de onda do mar de marulho (swell);
S S P
T período de pico do mar de marulho (swell);
SS
direção de incidência do mar de marulho (swell).
e os parâmetros VW,W,VC e C representam, conforme já mencionado, a velocidade e a direção de incidência do vento e a velocidade e a direção de propagação da corrente, respectivamente.
A descrição estatística do comportamento dos parâmetros ambientais de curto prazo numa dada locação pode ser realizada a partir de campanhas de medição (in-situ ou via satélite) ou da utilização de modelos numéricos baseados num grande conjunto de dados históricos (BARLTROP, 1998), onde para cada período de curto prazo são obtidos valores para os parâmetros ambientais descritos no vetor S. Esta caracterização de dados ambientais é ilustrada graficamente na Figura II.2.
Para análise e projeto de estruturas marinhas, o conjunto de dados apresentados na Figura II.2 é utilizado para o ajuste e definição de uma distribuição de probabilidade conjunta que represente o comportamento estatístico destes dados. Esta distribuição é definida por fS
s , onde S = s significa uma realização do vetor de parâmetros ambientais.SAGRILO et al. (2008, 2011a) apresentam uma distribuição conjunta de todos os parâmetros ambientais de onda, vento e corrente, tomando como referência um conjunto de dados simultâneos coletados em uma campanha de medição numa região da Bacia de Campos. Os autores utilizam um procedimento de transformação de variáveis (Transformada de Nataf), que permite levar em conta todas as dependências estatísticas entre os parâmetros ambientais de onda, vento e corrente, incluindo intensidades (variáveis lineares) e direções (variáveis angulares). O modelo usa apenas as distribuições marginais de cada variável considerada e os coeficientes de correlação entre elas.
Figura II.2 – Caracterização de curto e longo prazo dos parâmetros ambientais SAGRILO, (2011b).
No entanto, na prática é muito difícil estabelecer uma função que descreva conjuntamente todos os parâmetros do vetor S. Por esta razão, é usual assumir algumas hipóteses simplificadoras tais como as apresentadas no trabalho de BITNER- GREGERSEN e HAVER (1991) que sugerem, para uma locação no Mar do Norte, uma distribuição conjunta em que as direções das cargas ambientais são representadas por oito quadrantes de quarenta e cinco graus cada, aceitando que existe sempre colinearidade entre onda local, vento e corrente marinha.
Já que os exemplos analisados nesta tese são de caráter acadêmico, para a geração dos estados de mar de curto prazo foram assumidas as hipóteses simplificadoras propostas por BITNER- GREGERSEN e HAVER (1991). Assim, esta geração foi baseada numa distribuição conjunta de dois parâmetros ambientais (Hs, Tz) ou (Hs, Tp) descrita no item IV.2.
II.3 Visão geral da metodologia analítica para avaliar os fatores de utilização de