Os tipos de ensaios 40

De modo geral, quatro tipos de ensaios podem ser realizados para a obtenção de informações acerca do VIM: ensaios submersos, em oscilação forçada, ensaios livres com um grau de liberdade (1 GDL) e livres com seis graus de liberdade (6 GDL).

Nos ensaios submersos, a estrutura totalmente imersa é fixada em um carro dinamométrico devidamente reforçado, sendo possível realizar testes de reboque em velocidades mais altas sem que se tenha o problema de geração de ondas, comum em ensaios na superfície livre do fluido com números de Froude mais altos. Nestes pode ser medida a amplitude de movimento e seu período. Como inconveniente, este tipo de ensaio necessita uma infraestrutura adaptada, que impõe uma dificuldade maior à definição correta da rigidez da amarração, bem como na liberação simultânea dos movimentos in-line e cross-flow.

Apesar de ser mais utilizado para ensaios com modelos de risers, este tipo de montagem já foi utilizado em modelos de plataformas Spar, como apresentado, por exemplo, em Kokkinis et al. (2004), Figura 34.

Figura 34 – Esquema de arranjo de ensaios submersos. Fonte: Kokkinis et al. (2004)

Nos ensaios em oscilação forçada, o modelo é excitado com amplitudes e períodos definidos, sendo medidas as forças causadas no braço de conexão do atuador e estas apresentadas em termos do coeficiente de sustentação Cl, de massa adicional Ca e de arrasto Cd. Em geral, estes ensaios servem à obtenção de parâmetros de entrada para modelos

fenomenológicos. Tendem a ser ensaios mais rápidos, mas exigem uma infraestrutura robusta (rígida o suficiente) para a imposição dos movimentos. A Figura 35 ilustra uma estrutura deste tipo, o PMM – Planar Motion Mechanism, disponível no IPT – Instituto de Pesquisas Tecnológicas do Estado de São Paulo.

Figura 35 - Ensaios em oscilação forçada

No ensaio livre com um grau de liberdade (1 GDL), o movimento cross-flow é liberado para oscilar com o modelo montado em um suporte elástico com baixo amortecimento para a medição da amplitude e período de oscilação, Figura 36. A preparação do ensaio é bem mais simples do que no caso com 6 graus de liberdade, no entanto, não permite o estudo de movimentos acoplados no plano da superfície livre, os quais se sabe serem importantes ao VIM.

No ensaio com seis graus de liberdade (6 GDL), o modelo reduzido tem sua flutuação e propriedades inerciais ajustadas conforme o protótipo, bem como sua amarração reproduzida por molas equivalentes, em geral lineares, preparadas para a medição da amplitude e do período de oscilação. A dificuldade no ajuste do modelo e das linhas pode, no entanto, limitar os resultados obtidos, em virtude do grande tempo necessário para os ensaios.

A Figura 37 ilustra a configuração de um dos ensaios com 6GDL realizados no IPT com um modelo de monocoluna. Na Tabela 1 está apresentado um resumo dos tipos de ensaios citados, com suas características principais em relação ao número de graus de liberdade observados, resultados usualmente obtidos, tipo de tanque de provas necessário e possibilidade de realização no Brasil à época deste trabalho.

Figura 37 - Arranjo em ensaio livre com seis graus de liberdade (6 GDL) Tabela 1 - Resumo dos tipos de ensaios para VIM

Tipo de ensaio Graus de

liberdade observados Resultados obtidos Tipo de tanque de provas requerido Possibilidade de realização no Brasil

Submerso 1 A/D, T Reboque Não

Oscilação forçada Até 2 Cl, Ca, Cd Reboque ou

oceânico

Sim

Livre com 1 GDL 1 A/D, T Reboque ou

oceânico

Sim

Livre com 6 GDL 6 A/D, T Reboque ou

oceânico

Sim

Face às características da infraestrutura experimental no Brasil, o ensaio submerso foi logo de início descartado. Baseando-se nos resultados obtidos pelas Spars, onde foram observados movimentos “em forma de oito” por van Dijk et al. (2003), o ensaio livre com

apenas um grau de liberdade também foi desconsiderado, pois, conforme mencionado, espera- se que o acoplamento exista e, se não for permitido, pode levar a resultados errôneos ou no mínimo subestimados.

Por outro lado, para o correto uso dos ensaios cativos é necessária uma ferramenta confiável na estimativa do VIM em monocolunas. Apesar dos trabalhos apresentados por Lacerda et al.(2009) e Rosetti et al. (2009) apresentarem resultados promissores no que possa ser uma ferramenta viável para este uso, esta, de fato, ainda não se encontra disponível. Além disso, o PMM disponível para uso no tanque de provas do IPT suporta apenas movimentos cíclicos em 1 grau de liberdade de interesse, cross-flow, recaindo nos mesmos problemas do acoplamento anteriormente citados.

Desta forma, foi escolhido o ensaio livre com 6 graus de liberdade para a obtenção dos resultados deste trabalho. No entanto, para melhor entendimento do problema e a verificação das hipóteses adotadas, muitas delas descritas adiante, foram realizados alguns pré-testes livres e em oscilação forçada com 1 grau de liberdade, sendo os coeficientes de força assim obtidos com a metodologia apresentada por Cueva e Faria (2008), comparados entre si.

Na Figura 38 é apresentada a comparação entre o coeficiente de massa adicional obtido pelo ensaio livre e pelo de oscilação forçada, para os aproamentos22 de 0o e 180o. No caso forçado, foram impostas as mesmas amplitudes e períodos obtidos do ensaio livre. É possível perceber que, apesar de não reproduzir completamente os resultados obtidos no ensaio livre, possivelmente por não aplicar movimentos in-line concomitantemente, os resultados apresentam uma tendência comum, principalmente para o aproamento de 0o. A diferença entre os aproamentos será melhor explicada mais adiante, seção 4.5.

22 _{O aproamento diz respeito à angulação do eixo popa-proa da embarcação em relação ao Norte, no sentido}

horário. Neste trabalho também será utilizado o termo incidência, que diz respeito a direção da correnteza em relação ao Norte, no sentido horário. Por exemplo, um aproamento de 0o _{é equivalente a uma incidência de 180}o_.

Estas definições não são padronizadas na engenharia offshore, e devem ser sempre verificadas para a comparação de resultados.

Figura 38 - Coeficiente de massa adicional (Ca): ensaio livre versus forçado. Fonte: Cueva e Faria (2008)

Embora os resultados da Figura 38 pareçam indicar uma situação favorável aos ensaios forçados, esta impressão logo se desfaz quando se analisam variações parametrizadas na amplitude imposta, A/D, pois os coeficientes de massa adicional variam significativamente com a mesma, Figura 39. Assim, conclui- que se a amplitude de oscilação não for conhecida de antemão, o que só se consegue com ensaios com 6 graus de liberdade, as forças medidas nos ensaios forçados não retratarão a condição fenomenológica real do VIM.

Portanto, justifica-se desta forma a opção por ensaios com 6 graus de liberdade a partir de modelos reduzidos das plataformas monocolunas estudadas.

Figura 39 - Coeficiente de massa adicional (Ca) no ensaio forçado. Fonte: Cueva e Faria (2008)