VERIFICAÇÃO ESTRUTURAL DE UM PÍER EXISTENTE SUJEITO A
NOVOS CARREGAMENTOS
André Luís dos Santos
Projeto de Graduação apresentado ao Curso de Engenharia Civil da Escola Politécnica, Universidade Federal do Rio de Janeiro, como parte dos requisitos necessários à obtenção do título de Engenheiro.
Orientadora: Cláudia Ribeiro Eboli
Rio de Janeiro Fevereiro de 2015
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VERIFICAÇÃO ESTRUTURAL DE UM PÍER EXISTENTE SUJEITO A
NOVOS CARREGAMENTOS
André Luís dos Santos
PROJETO DE GRADUAÇÃO SUBMETIDO AO CORPO DOCENTE DO CURSO DE ENGENHARIA CIVIL DA ESCOLA POLITÉCNICA DA UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO COMO PARTE DOS REQUISITOS NECESSÁRIOS PARA A OBTENÇÃO DO GRAU DE ENGENHEIRO CIVIL.
Examinada por:
__________________________________________________ Profª Cláudia Ribeiro Eboli, D.Sc., EP/UFRJ
__________________________________________________ Prof. Sérgio Hampshire de Carvalho Santos, D.Sc., EP/UFRJ
__________________________________________________ Prof. Ricardo Valeriano Alves, D.Sc., EP/UFRJ
__________________________________________________ Prof. Daniel Carlos Taissum Cardoso, D.Sc., PUC-Rio
RIO DE JANEIRO, RJ – BRASIL FEVEREIRO de 2015
ii Dos Santos, André Luís
Verificação estrutural de um píer existente sujeito a novos carregamentos/ André Luís dos Santos. – Rio de Janeiro: UFRJ/ Escola Politécnica, 2015.
XII, 106 p.: il.; 29,7 cm.
Orientadora: Cláudia Ribeiro Eboli
Projeto de Graduação – UFRJ/ Escola Politécnica/ Curso de Engenharia Civil, 2015.
Referências Bibliográficas: p. 97.
1. Verificação Estrutural 2. Estruturas portuárias 3. Infraestrutura 4. Modelo Numérico Computacional
I. Eboli, Cláudia Ribeiro. II. Universidade
Federal do Rio de Janeiro, Escola Politécnica, Curso de Engenharia Civil. III. Título.
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Resumo do Projeto de Graduação apresentado à Escola Politécnica/UFRJ como parte dos requisitos necessários à obtenção do título de Engenheiro Civil
Verificação estrutural de um píer existente sujeito a novos carregamentos
André Luís dos Santos Fevereiro/2015
Orientadora: Cláudia Ribeiro Eboli, D. Sc. Curso: Engenharia Civil
Neste trabalho foi desenvolvida a verificação estrutural de um píer localizado em Santos, SP, considerando os novos equipamentos que o proprietário pretende instalar e o recebimento de navios de maior porte que os previstos inicialmente. Para tanto, foi desenvolvido um modelo em elementos finitos do píer, baseado nas premissas do projeto original, feito em 1984. Da análise linear elástica feita para os principais carregamentos foram obtidos valores envoltórios dos esforços solicitantes para diversas combinações. Esses esforços foram comparados com os resistentes da estrutura, permitindo concluir sobre a viabilidade das alterações propostas.
Palavras-chave: Estruturas Portuárias, Infraestrutura, Modelo Numérico Computacional,
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Abstract of Undergraduate Project presented to POLI/UFRJ as a partial fulfillment of the requirements for the degree of Engineer.
Structural verification of an existing pier subjected to new loads André Luís dos Santos
February/2015
Advisor: Cláudia Ribeiro Eboli, D. Sc. Course: Civil Engineering
In this study, a structural verification of a pier located in Santos, SP, was developed considering the new equipment that the proprietor wants to install and for receiving larger ships than the originally intended. Therefore, a finite element model was made, based on the assumptions of the original project, developed in 1984. From the linear elastic analysis performed for the main loads, envelope values of the internal forces, for different combinations, were obtained. These forces were compared with the capacity of the structure, allowing to conclude on the feasibility of the proposed changes.
Keywords: Port Structures, Infrastructure, Computational Numerical Model, Structural
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INDICE
1. INTRODUÇÃO ... 1 1.1. Motivação ... 3 1.2. Objetivo do projeto ... 4 1.3. Organização do trabalho ... 4 2. APRESENTAÇÃO DA ESTRUTURA ... 5 2.1. Materiais ... 6 2.2. Superestrutura ... 6 2.3. Infraestrutura ... 102.4. Considerações sobre o projeto original ... 14
3. CRITÉRIOS DE PROJETO ... 16 3.1. Introdução ... 16 3.2. Unidades ... 16 3.3. Embarcações de projeto ... 16 3.4. Parâmetros Ambientais ... 18 3.4.1 Vento ... 19 3.4.2 Corrente ... 19 3.4.3 Maré ... 20 3.5. Ações a considerar ... 20 3.5.1. Ações Permanentes ... 20
3.5.2. Sobrecarga Vertical Distribuída ... 20
3.5.3. Carregador de Navios ... 21 3.5.4. Transportador de Correia ... 23 3.5.5. Atracação ... 24 3.5.6. Amarração ... 25 3.5.7. Casa de Transferência ... 27 3.5.8. Temperatura e Retração ... 28
vi
4. MODELO ESTRUTURAL ... 29
4.1 Geometria ... 31
4.2 Carregamentos ... 40
4.2.1 Peso Próprio (DEAD) ... 40
4.2.2 Pavimentação (PAV) ... 40
4.2.3 Sobrecarga vertical distribuída (SC)... 41
4.2.4 Carregador de navios (CN_±Y e CN_FORA_±Y) ... 41
4.2.5 Transportador de correia (TC_±Y) ... 43
4.2.6 Atracação (ATRACPAR_±X; ATRACANG_±X) ... 44
4.2.7 Amarração (AMAR0_±X; AMAR90_±X) ... 49
4.2.8 Casa de transferência (CTRANSF_±Y) ... 56
4.2.9 Temperatura e Retração (TEMP; RET) ... 56
4.3 Combinações de ações ... 57
4.3.1 Combinações em Serviço para Estacas ... 62
4.3.2 Combinações em Estado Limite Último (ELU) ... 63
5. VERIFICAÇÕES ... 65
5.1 Verificação das estacas em serviço ... 65
5.2 Verificação das estacas no ELU ... 68
5.3 Verificação das vigas transversais de 230 x 150 cm no ELU ... 73
5.4 Verificação das vigas transversais de 50 x 150 cm no ELU ... 85
5.5 Verificação das vigas transversais de 50 x 100 cm no ELU ... 91
5.6 Verificação das vigas longitudinais no ELU ... 93
6. CONSIDERAÇÕES FINAIS ... 95
6.1 Conclusões ... 95
6.2 Recomendações ... 96
7. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ... 97
vii
ANEXO B – ESCOLHA DAS DEFENSAS ... 99 ANEXO C – VERIFICAÇÃO DAS ESTACAS METÁLICAS ... 103 ANEXO D – MEMÓRIA DE CÁLCULO PARA AS VIGAS ... 105
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LISTA DE FIGURAS
Figura 1.1 - Localização do píer da empresa "A" ... 1
Figura 1.2 - Vista aérea do píer da empresa "A" ... 2
Figura 2.1 - Arranjo geral e indicação da orientação cardinal do terminal (medidas em centímetros) ... 5
Figura 2.2 - Planta e corte da superestrutura do píer ... 7
Figura 2.3 - Esquema de defensas existente ... 8
Figura 2.4 - Detalhe de uma das defensas e de um cabeço de amarração ... 8
Figura 2.5 - Vista parcial do píer e das colunas metálicas do transportador de correia ... 9
Figura 2.6 - Embarcação atracada no píer sendo carregada pelo carregador de navios ... 9
Figura 2.7 - Seção das estacas metálicas de espessura 12,5 mm preenchidas com concreto ... 10
Figura 2.8 - Detalhe típico da cabeça das estacas... 10
Figura 2.9 – Estaqueamento do píer ... 12
Figura 2.10 - Elevação transversal dos eixos 2, 4 e 6 ... 13
Figura 2.11 - Diagrama de cargas do carregador de navios atual (cargas em toneladas força e cotas em milímetros) ... 14
Figura 2.12 - Vista geral do terminal com um navio de 70.000 TPB amarrado ... 15
Figura 2.13 - Navio “suqueiro” de 30.000 TPB amarrado no píer ... 15
Figura 3.1 - Isopletas de velocidade básica do vento (m/s) ... 19
Figura 3.2 - Diagrama de cargas do novo carregador de navios (cargas em toneladas força; cotas em milímetros) ... 22
Figura 3.3 - Elevação do carregador de navios ... 23
Figura 3.4 - Arranjo de amarração para navio de 90.000 TPB ... 26
Figura 3.5 - Arranjo de amarração para navio de 30.000 TPB ... 26
Figura 3.6 - Detalhe das bases da casa de transferência ... 27
Figura 4.1 - Vista isométrica do modelo estrutural ... 29
Figura 4.2 - Vista superior do modelo estrutural ... 29
Figura 4.3 - Elevação longitudinal do modelo estrutural ... 30
Figura 4.4 - Elevação transversal do modelo estrutural ... 30
Figura 4.5 - Estacas 500 x 10 mm (sob a casa de transferência) ... 32
Figura 4.6 - Estacas 500 x 12,5 mm (típica) ... 33
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Figura 4.8 - Estacas 500 x 12,5 mm no trecho preenchido com concreto ... 34
Figura 4.9 - Vigas 50 x 100 cm (vigas secundárias) ... 34
Figura 4.10 - Vigas 50 x 150 cm (pórticos sem defensa e sem apoio de transportador) 35 Figura 4.11 - Vigas 50 x 150 cm (vigas longitudinais) ... 35
Figura 4.12 - Vigas 100 x 150 cm (vigas sob a casa de transferência) ... 36
Figura 4.13 - Vigas 110 x 150 cm (pórticos sem defensa e com apoio do transportador) ... 36
Figura 4.14 - Vigas 230 x 150 cm (pórticos com defensa e com apoio do transportador) ... 37
Figura 4.15 - Laje de 30 cm ... 37
Figura 4.16 - Vista superior mostrando carregamento de pavimentação aplicado ... 40
Figura 4.17 - Vista superior mostrando sobrecarga aplicada ... 41
Figura 4.18 - Detalhe de aplicação do carregamento dos carregadores de navios em operação em uma das posições com vento atuando na direção +Y ... 42
Figura 4.19 - Detalhe de aplicação do carregamento dos carregadores de navios fora de operação em outra das posições com vento atuando na direção -Y ... 42
Figura 4.20 - Detalhe de aplicação do carregamento do transportador de correia com vento atuando na direção +Y ... 43
Figura 4.21 - Sistema de defensas existente no píer ... 46
Figura 4.22 - Aplicação de carregamento de atracação paralela do navio de 90.000 TPB na direção -X ... 47
Figura 4.23 – Detalhe da aplicação de carregamento de atracação paralela do navio de 90.000 TPB na direção +X ... 48
Figura 4.24 - Aplicação de carregamento de atracação angulada do navio de 90.000 TPB na direção -X ... 48
Figura 4.25 – Ângulo θ... 50
Figura 4.26 – Modelo para reações de amarração com cargas de vento a 0° e navio carregado ... 54
Figura 4.27 – Aplicação do carregamento de amarração para a condição de vento a 90° e navio lastreado ... 55
Figura 4.28 - Detalhe de aplicação das cargas da casa de transferência com vento na direção +Y ... 56
Figura 4.29 - Combinação dos carregamentos do transportador de correia ... 58
x
Figura 4.31 - Combinação das cargas de atracação do navio de 90.000 TPB ... 59
Figura 4.32 - Combinação das cargas de amarração ... 59
Figura 4.33 - Combinação das cargas do carregador de navios em operação ... 60
Figura 4.34 - Combinação das cargas do carregador de navios fora de operação ... 60
Figura 5.1 – Envoltória das combinações em serviço para estacas ... 65
Figura 5.2 – Envoltória dos esforços axiais da estaca mais carregada de 10 mm de espessura ... 66
Figura 5.3 – Envoltória dos esforços axiais da estaca vertical mais carregada ... 66
Figura 5.4 – Envoltória dos esforços axiais da estaca inclinada mais comprimida ... 67
Figura 5.5 – Envoltória dos esforços axiais da estaca inclinada mais tracionada ... 67
Figura 5.6 – Estaca isolada e dados da análise de flambagem ... 69
Figura 5.7 – Armação das vigas de 230 x 150 cm em seção longitudinal ... 73
Figura 5.8 – Armação das vigas de 230 x 150 cm em seção transversal... 73
Figura 5.7 – Verificação da viga à compressão máxima ... 79
Figura 5.8 – Verificação da viga à tração máxima ... 80
Figura 5.9 – Verificação da viga ao maior momento fletor na direção 3-3 ... 81
Figura 5.10 – Verificação da viga ao menor momento fletor na direção 3-3 ... 82
Figura 5.11 – Verificação da viga ao maior momento fletor na direção 2-2 ... 83
Figura 5.12 – Verificação da viga ao menor momento fletor na direção 2-2 ... 84
Figura 5.15 – Verificação da viga à compressão máxima ... 87
Figura 5.16 – Verificação da viga à tração máxima ... 88
Figura 5.17 – Verificação da viga ao maior momento fletor na direção 3-3 ... 89
Figura 5.18 – Verificação da viga ao maior momento fletor negativo na direção 3-3 ... 90
Figura 5.19 – Verificação das vigas longitudinais no meio do vão ... 94
Figura 5.20 – Verificação das vigas longitudinais nos apoios ... 94
Figura A.1 – Sondagem SP-01 ... 98
Figura B.1 - Coeficientes de redução da eficiência para compressão angulada ... 99
Figura B.2 - Curvas de desempenho das defensas HPi 1000H x 1000L ... 100
Figura B.3 - Características de desempenho das defensas HPi 1000H ... 100
Figura B.4 – Curvas de desempenho das defensas HPi 800H x 1000L ... 101
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LISTA DE TABELAS
Tabela 3.1 - Características do navio de 90.000 TPB (PIANC, 2002) ... 17
Tabela 3.2 - Características do navio de 30.000 TPB (PIANC, 2002) ... 17
Tabela 3.3 - Peso específico dos materiais utilizados ... 20
Tabela 3.4 - Valores característicos nominais mínimos para obras de acostagem (item 4.4 da NBR 9782:1987) ... 21
Tabela 3.5 - Velocidades mínimas para cálculo da energia de atracação (item 7.1.3 da NBR 9782:1987) ... 24
Tabela 3.6 - Material da defensa e coeficiente de atrito com o aço (item 7.2.2 da NBR 9782:1987) ... 25
Tabela 3.7 - Ângulos das linhas de amarração ... 27
Tabela 3.8 – Reações nas bases da casa de transferência ... 28
Tabela 4.1 - Propriedades mecânicas básicas dos materiais ... 32
Tabela 4.2 - Propriedades das barras - Estacas ... 38
Tabela 4.3 – Propriedades das barras - Vigas ... 39
Tabela 4.4 - Propriedades das cascas ... 39
Tabela 4.5 - Energias cinéticas devido à atracação de um navio de 90.000 TPB ... 46
Tabela 4.6 - Fator S2 (NBR 6123:1988) ... 49
Tabela 4.7 – Áreas de obstrução e forças resultantes (nas direções transversal e longitudinal ao navio) devidas ao vento sobre um navio de 90.000 TPB ... 51
Tabela 4.8 - Valores aproximados do coeficiente de forma (item 8.2.3 da NBR 9782:1987) ... 52
Tabela 4.9 - Forças transversais e longitudinais devidas à combinação de vento mais corrente ... 53
Tabela 4.10 – Reações das forças de amarração ... 54
Tabela 4.11 – Resumo das envoltórias criadas para os diferentes casos de carga ... 61
Tabela 4.12 - Combinações em serviço para estacas... 62
Tabela 4.13 - Combinações em Estado Limite Último ... 63
Tabela 5.1 – Verificação das estacas em serviço ... 68
Tabela 5.2 – Verificação das estacas metálicas no ELU ... 72
Tabela 5.3 – Espessuras mínimas necessárias das estacas ... 72
Tabela 5.4 – Verificação das armaduras transversais das vigas de 230 x 150 cm ... 78
xii
Tabela 5.6 – Verificação das armaduras das vigas de 50 x 100 cm ... 92 Tabela 5.7 – Verificação das vigas longitudinais ... 93
1
1.
INTRODUÇÃO
Os portos são usualmente responsáveis por escoar a maior parte da produção de um país. Tratam-se, portanto, de um fator chave para o desenvolvimento e crescimento econômico nacional, de forma que a insuficiência ou baixa produtividade de terminais portuários vêm se tornando um importante gargalo para as exportações brasileiras.
O Porto de Santos é atualmente o principal porto do país, sendo também o maior e mais movimentado da América Latina. Localizado nos municípios de Santos e Guarujá, ele foi inaugurado na segunda metade do século XIX, por ocasião da expansão da cultura do café no Estado de São Paulo, a qual originou a necessidade de novas estruturas portuárias para a exportação do produto. Hoje, o complexo movimenta mais de um quarto da balança comercial brasileira, concentrando cerca de 50% do produto interno bruto do país (segundo a página virtual do Porto de Santos, www.portodesantos.com.br).
Diversos de seus terminais marítimos são de uso privativo, como é o caso do píer estudado neste trabalho, pertencente à empresa aqui nomeada por “A”. Ele está localizado na margem esquerda do Estuário do Porto de Santos, município do Guarujá, bairro de Conceiçãozinha, conforme indicado nas Figuras 1.1 e 1.2.
2
Seus principais tipos de carga são granéis líquidos (sucos cítricos) e granéis sólidos (farelo de polpa cítrica). No entanto, o terminal também realiza operações de top
off, ou seja, complementação de cargas de navios de empresas vizinhas. Isso se deve ao
fato de que alguns dos píeres vizinhos possuem um calado autorizado menor que o calado real de seus navios quando completamente carregados. Dessa forma, os navios são parcialmente carregados nestes píeres e terminam a operação no píer da empresa “A”, que permite calados maiores. Assim, outros tipos de carga além das citadas acima circulam pelo terminal, como soja em grãos, soja peletizada e açúcar.
Visando aumentar o volume de suas atividades, incluindo as operações de top off, muito lucrativas para a empresa, os dirigentes da empresa “A” decidiram por aumentar a capacidade do terminal. Essa expansão se daria através do recebimento de navios maiores; da substituição do carregador de navios por um mais moderno (e pesado), além da instalação de um segundo carregador; do acréscimo da capacidade do transportador de correia existente e da instalação de um novo transportador.
3
A empresa “A” precisa saber então se a estrutura existente é capaz de operar em segurança com os novos carregamentos ou se reforços são necessários. No último caso, é necessário indicar quais elementos estruturais precisam ser reforçados e que tipo de serviço se deve executar. Além disso, o píer foi construído em 1984, tendo portanto 30 anos em serviço, de forma que a eventual reforma a ser conduzida no terminal serviria também para recuperar partes da estrutura que possam ter se danificado com o tempo.
Outro fator importante considerado é que uma das principais normas brasileiras para projetos deste tipo, a NBR 9782:1987 – Ações em Estruturas Portuárias, Marítimas ou Fluviais, foi publicada após a construção do píer. Como a verificação foi feita com base nessa norma, pode-se dizer que as conclusões obtidas estão de acordo com a norma atual.
1.1. Motivação
O projeto de uma estrutura portuária é altamente complexo e longo. Diversos aspectos precisam ser considerados, como fatores ambientais (vento, corrente e variações de maré), além de cargas que aparecem unicamente neste tipo de estrutura, como esforços de atracação e amarração de navios. O cálculo destes carregamentos não é simples e exige uma certa experiência por parte do projetista. As combinações dos carregamentos também não são triviais e demandam alguns estudos, de forma que estes foram alguns dos focos de interesse na elaboração deste trabalho.
A verificação de uma estrutura como um píer envolve o cálculo de esforços em vigas, laje e estacas, muitas das quais inclinadas, exigindo uma análise estrutural refinada, já que a distribuição dos esforços é de difícil previsão. Assim, a modelagem computacional do píer foi outro fator motivador para a realização deste projeto, que apresenta um modelo completo da estrutura estudada.
A utilização de normas nunca antes consultadas ao longo da graduação e alguns livros estrangeiros especializados no assunto também foram fatores motivadores para a escolha do tema, permitindo um grande ganho de conhecimento e expansão das áreas de interesse, além de um aumento na capacidade de pesquisa e de busca por soluções.
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1.2. Objetivo do projeto
O objetivo deste trabalho foi calcular os novos carregamentos que a empresa “A” deseja impor a sua estrutura e concluir se ela poderá operar em segurança com estas cargas ou se precisará de reforços. Para tanto, os esforços obtidos com as novas cargas foram comparados com os esforços resistentes da estrutura, com base no projeto original de 1984 (Projectum Engenharia Ltda, 1984).
Além das conclusões a respeito do estaqueamento e da superestrutura, foram também abordados itens como as defensas e cabeços de amarração, que são peças importantes para operação do terminal.
1.3. Organização do trabalho
Inicialmente, no Capítulo 2, foi feita a apresentação do píer: arranjo geral de operação, superestrutura, infraestrutura, sistema de defensas, etc. Foram apontadas também algumas considerações sobre o projeto original de 1984, como o carregador de navios original e o navio para cuja atracação e amarração o píer foi dimensionado.
No Capítulo 3 foram apresentados os critérios de projeto, ou seja, todas as informações utilizadas na verificação do píer, como materiais, parâmetros ambientais, carregamentos etc.
O capítulo seguinte apresenta o modelo estrutural computacional do píer, elaborado no programa SAP2000, amplamente utilizado por empresas de projeto. Explicitou-se todo o procedimento de modelagem, os cálculos dos carregamentos e as combinações consideradas. De posse dos resultados, foi feita então finalmente no Capítulo 5 a verificação estrutural do píer, ou seja, a comparação dos esforços obtidos com os resistentes da estrutura. Indicou-se o cálculo das armaduras e a comparação com as armaduras existentes, além do cálculo dos esforços nas estacas e a comparação com os limites do projeto original etc.
Por fim, chegou-se à conclusão sobre a segurança do píer e a necessidade de reforços em alguns elementos estruturais, atingindo-se assim o objetivo deste projeto.
5
2.
APRESENTAÇÃO DA ESTRUTURA
O píer da empresa “A” possui 198,5 m de comprimento, dos quais apenas 190 m são efetivamente utilizados para atracação e os 8,5 m restantes são referentes à casa de transferência. A largura é de 9,6 m. Ele possui um berço de atracação e o calado autorizado é de 40 pés (12,19 m). As instalações industriais da empresa “A” ligam-se ao píer através de uma ponte de acesso de 61,95 m de comprimento. O píer de atracação foi edificado paralelamente à linha de acostagem da CODESP (Companhia Docas do Estado de São Paulo). Integram-se, ainda, a ele dois dolfins de amarração e dois blocos de apoio dos pilares da correia transportadora. O esquema, na Figura 2.1, ilustra a implantação geral e a orientação das faces.
O terminal possui capacidade de 1.500.000 t/ano e, além do píer, possui um pátio de containers com 438 m², um depósito de mercadorias com 43,8 m², dois armazéns com capacidade para 30.000 t, medindo 12.500 m², 24 tanques com capacidade de 1.000 t cada, 9 tanques com capacidade de 2.300 t cada, 4 tanques com capacidade de 4.000 t cada, 1 caldeira de combustão à gás, 1 reservatório com capacidade para 500.000 litros, 1 estação de tratamento de efluentes e 1 tanque para água de limpeza no processo de pasteurização de 3.750 m³.
Figura 2.1 - Arranjo geral e indicação da orientação cardinal do terminal (medidas em centímetros)
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2.1. Materiais
A superestrutura do píer é constituída unicamente por concreto armado, com as seguintes especificações (conforme o projeto original):
Concreto
Resistência característica à compressão: fck ≥ 20MPa.
Módulo de elasticidade inicial Eci 25.000 MPa.
Módulo de elasticidade secante Ecs 21.300 MPa.
Aço para Armadura
Barras de aço nervuradas de categoria CA-50.
Tensão de escoamento fyk = 500 MPa.
Módulo de elasticidade Es = 210.000 MPa
Já a infraestrutura é composta por estacas metálicas tubulares preenchidas de concreto no trecho superior e providas de proteção catódica. O concreto e o aço das armaduras das estacas são os mesmos indicados acima; a camisa metálica apresenta o seguinte material:
Aço Estrutural das estacas
Aço carbono em geral - ASTM A36
Tensão de escoamento fy = 250 MPa
Tensão de ruptura fu = 400 MPa.
Módulo de elasticidade E = 200.000 MPa
2.2. Superestrutura
A estrutura de concreto do píer é composta por pórticos transversais com espaçamento típico de 8,2 m; duas vigas longitudinais sobre as quais se apoiam os trilhos do carregador de navios, além de um vigamento transversal secundário e uma laje de 0,3m de espessura. Na Figura 2.2, são apresentados planta e corte longitudinal da superestrutura.
7
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Observa-se que nas vigas dos eixos 2, 4, 6, 10, 15, 19, 21 e 23 estão localizados os cabeços de amarração que, segundo especificação do projeto original, têm capacidade de carga de 700 kN. Nestas mesmas vigas localizam-se as defensas, conforme esquematizado na Figura 2.3.
Figura 2.3 - Esquema de defensas existente
As defensas são do tipo Sumitomo HPi 1000H x 1500L CP3 e Sumitomo Pi 800H x 1500L CP2. O “H” refere-se à espessura das defensas, em milímetros, o “L” ao comprimento, também em milímetros, e “CP” é uma classificação da borracha. A Figura 2.4 mostra um detalhe de uma das defensas.
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Nos eixos 2, 4, 6, 8, 10, 12, 15, 17, 19, 21 e 23 observa-se que as vigas, no “Lado Terra”, têm 2,30 m de largura por 1,50 m de altura. Nesta região encontram-se apoiadas as torres metálicas que suportam o transportador de correia. Este é o equipamento responsável por transportar as cargas até o carregador de navios, que as conduz, finalmente, até o navio. Nas Figuras 2.5 e 2.6 são apresentadas fotos do píer onde aparecem estes elementos.
Figura 2.6 - Embarcação atracada no píer sendo carregada pelo carregador de navios Figura 2.5 - Vista parcial do píer e das colunas metálicas do transportador de
10
Retornando-se mais uma vez à Figura 2.2, observa-se que o píer, que é praticamente simétrico e de dimensões regulares, apresenta uma estrutura diferente na extremidade direita, entre os eixos 24 e 25. Trata-se da casa de transferência, uma estrutura que também serve de apoio para o transportador de correia e onde é feito o retorno da correia. Geralmente, estas estruturas servem para a mudança de direção de transportadores; como este opera em uma única direção, serve apenas para o retorno. A casa está apoiada sobre quatros vigas de 100 x 150 cm.
2.3. Infraestrutura
A estrutura se apoia sobre 70 estacas metálicas tubulares de 50 cm de diâmetro, sendo 68 de 12,5 mm de espessura e 2 de 10 mm. Todas estão preenchidas com concreto no trecho superior e providas de proteção catódica, conforme ilustrado nas Figuras 2.7 e 2.8 (cotas em m).
Figura 2.7 - Seção das estacas metálicas de espessura 12,5 mm preenchidas com concreto
11
Todas as estacas possuem um comprimento de 52 m, sendo 35 m efetivamente dentro do solo e 17 m apenas para vencer a lâmina d’água. A empresa “A” solicitou sondagens recentes na região e constatou que não ocorreram alterações significativas no solo em relação ao projeto original, de forma que a capacidade geotécnica das estacas foi considerada a mesma. Uma destas sondagens é apresentada no Anexo A.
Contudo, como estas estacas foram cravadas há 30 anos atrás, pode ser que tenha havido alguma perda de espessura das paredes metálicas devido à corrosão. Sendo assim, uma inspeção deverá ser feita pela empresa “A” e só poder-se-á chegar a alguma conclusão a respeito do estaqueamento de posse deste resultado, juntamente com a previsão de perda total da espessura ao longo da vida útil da estrutura.
Tratando-se de um projeto acadêmico, foi considerada para fins de verificação a mesma capacidade estrutural das estacas do projeto original, e foi especificada uma espessura mínima das estacas metálicas para validação da conclusão obtida.
12
13 Observa-se que:
Nos eixos 1, 3, 5, 7, 9, 11, 13, 14, 16, 18, 20 e 22 existem duas estacas verticais, distantes 8,5 m uma da outra;
No eixo 25 também existem duas estacas verticais distantes 6 m uma da outra. São as únicas estacas cuja espessura é de 10 mm, e não de 12,5 mm;
Nos eixos 8, 12, 17 e 24 constam três estacas verticais, duas delas nas extremidades do píer, distantes 8,5 m uma da outra, como a maioria das estacas verticais do píer, e a terceira sob a torre metálica do transportador de correia, afastada 3 m da estaca do lado contrário ao do mar;
Nos eixos 2, 4, 6, 19, 21 e 23 existem quatro estacas inclinadas de 1:4, posicionadas conforme os Detalhes 1 e 4 da Figura 2.9. As estacas dos eixos 2, 4 e 6 tem posição simétrica às estacas dos eixos 19, 21 e 23, em relação à direção dos eixos do píer;
Nos eixos 10 e 15, mutuamente simétricos, também existem quatro estacas inclinadas de 1:4, posicionadas conforme os Detalhes 2 e 3 da Figura 2.9.
Na Figura 2.10 é apresentado um detalhe da elevação transversal dos eixos 2, 4 e 6.
14
2.4. Considerações sobre o projeto original
O carregador de navios desloca-se sobre trilhos que estão sobre as vigas longitudinais, de 50 cm x 150 cm, afastadas de 8,5 m. O atual carregador, fornecido por uma empresa aqui nomeada de “B”, apresenta o diagrama de cargas apresentado na Figura 2.11.
Figura 2.11 - Diagrama de cargas do carregador de navios atual (cargas em toneladas força e cotas em milímetros)
O projeto original previa também o recebimento de navios de até 70.000 TPB (Tonelagem de Porte Bruto); no entanto, a empresa “A” deseja agora receber navios de 90.000 TPB, entre outras alterações. Este foi um dos pontos principais da verificação, pois o aumento dos navios gera maiores esforços de atracação e amarração, que podem ser críticos à estrutura. Nas Figuras 2.12 e 2.13, veem-se exemplos de navios atracados.
15
Figura 2.12 - Vista geral do terminal com um navio de 70.000 TPB amarrado
Figura 2.13 - Navio “suqueiro” de 30.000 TPB amarrado no píer
Observa-se na Figura 2.13: o carregador de navios ao fundo; em amarelo à direita, os cabeços de amarração; e, à esquerda, as torres metálicas da correia transportadora.
16
3.
CRITÉRIOS DE PROJETO
3.1. Introdução
Este capítulo apresenta as principais informações utilizadas na verificação do píer, na seguinte sequência: a) Unidades; b) Embarcações de projeto; c) Parâmetros ambientais; d) Ações consideradas. 3.2. Unidades
Toda a verificação foi feita utilizando o Sistema Internacional de Unidades. As unidades adotadas foram:
Comprimento: m, cm, mm;
Força: kN;
Área: m2, cm2, mm2;
Tensões: kPa, MPa;
3.3. Embarcações de projeto
O projeto inicial previa embarcações variando de 30.000 a 70.000 TPB. No entanto, visando o aumento da produtividade do terminal e das operações de top off, a empresa “A” deseja agora receber navios de até 90.000 TPB. Nas Tabelas 3.1 e 3.2, são apresentadas as principais características das embarcações de projeto (maior e menor embarcação de projeto, respectivamente).
17
Tabela 3.1 - Características do navio de 90.000 TPB (PIANC, 2002)
Característica Valor
Porte bruto (TPB) 90.000 t
Deslocamento carregado 104.000 t
Comprimento total 240 m
Comprimento entre perpendiculares 231 m
Boca moldada 36,0 m
Bordo livre carregado 5,7 m
Bordo livre em lastro 8,9 m
Calado carregado 14,3 m
Calado em lastro 11,3 m
Tabela 3.2 - Características do navio de 30.000 TPB (PIANC, 2002)
Característica Navio
Porte bruto (TPB) 30.000 t
Deslocamento carregado 37.700 t
Comprimento total 181 m
Comprimento entre perpendiculares 172 m
Boca moldada 27,0 m
Bordo livre carregado 4,1 m
Bordo livre em lastro 6,6 m
Calado carregado 10,6 m
Calado em lastro 8,4 m
Essas características são:
Deslocamento carregado - massa de água deslocada pelo navio quando totalmente carregado;
Comprimento entre perpendiculares - distância, medida paralelamente à linha de água, entre a perpendicular a vante (linha vertical que passa na interseção entre a proa e a linha máxima de flutuação) e a perpendicular a ré (linha vertical que passa na interseção entre a popa e a linha máxima de flutuação);
Boca moldada - largura interna máxima do casco, ou seja, é a maior largura do casco excluindo a espessura do chapeamento do casco;
18
Bordo livre - distância vertical entre a superfície da água e o pavimento principal do navio, a borda, medida em qualquer ponto do costado. A expressão “em lastro” designa o momento em que, estando o navio sem carga, os porões são parcialmente preenchidos com água para aumento da estabilidade do navio;
Calado - distância vertical entre a superfície da água e o ponto mais baixo da quilha do navio.
No projeto original foram estudados os casos de amarração tanto com a maior embarcação de projeto quanto com a menor. Isso se deve ao fato de que, apesar de ser lógico que embarcações maiores gerarão esforços maiores, os navios de 70.000 TPB são longos, precisando mobilizar os dolfins de amarração para as linhas de proa e popa. Já os navios de 30.000 TPB, mais curtos, ficam amarrados exclusivamente no píer, de forma que este carregamento pode ser crítico à estrutura.
No entanto, como esta possiblidade já foi considerada no projeto de 1984 e o píer dimensionado com base nestes estudos, aqui foram considerados apenas os esforços provocados pelo navio de 90.000 TPB, não previsto inicialmente. A verificação dos dolfins de amarração não fez parte do escopo deste projeto.
3.4. Parâmetros Ambientais
Em geral, qualquer tipo de estrutura é passível de sofrer ocasionalmente ações de origem natural, como fortes ventanias, tempestades, nevascas etc. Estas cargas devem ser adequadamente estimadas e devidamente consideradas no projeto.
No caso de estruturas portuárias, ações muito agressivas da natureza podem não só impossibilitar a operação do terminal como também destruí-lo completamente, caso um navio atraque em uma situação de tormenta, por exemplo. Assim sendo, é muito importante que os parâmetros ambientais sejam definidos de maneira assertiva e que haja uma logística de operação do terminal, consciente das limitações do mesmo em situações climáticas anormais.
Nesta verificação, foi considerada a ação do vento, da corrente e a variação da maré. Não foi considerada a ação de ondas, de terremotos nem da neve, por não se verificar a ocorrência de nenhum destes fatores na região do Porto de Santos.
19 3.4.1 Vento
Foi adotada uma velocidade básica de vento de 35 m/s, atuando transversal e longitudinalmente aos navios. Este valor foi obtido do gráfico de isopletas da NBR 6123:1988, reproduzido na Figura 3.1.
Figura 3.1 - Isopletas de velocidade básica do vento (m/s)
3.4.2 Corrente
Na ausência de rosa direcional das correntes, foi adotada uma velocidade de corrente de 1,0 m/s atuando nas direções S-N e N-S, com variação de ±20°, conforme indicação do projeto original.
20 3.4.3 Maré
Os seguintes níveis de maré, referidos ao zero hidrográfico da CODESP (Companhia Docas do Estado de São Paulo) foram considerados:
Nível d´água máximo: + 1,70 m;
Nível d´água mínimo: - 0,30 m.
3.5. Ações a considerar
As estruturas foram verificadas para resistir a diversos tipos de ações permanentes e variáveis. Nesta seção são listadas todas estas solicitações e os critérios utilizados para o cálculo, que é apresentado detalhadamente no Capítulo 4, quando da inserção destas cargas no modelo estrutural.
3.5.1. Ações Permanentes
As ações permanentes são aquelas devidas ao peso próprio da estrutura e também dos elementos permanentes (como a pavimentação). Os pesos específicos dos materiais utilizados para a construção do píer encontram-se na tabela abaixo:
Tabela 3.3 - Peso específico dos materiais utilizados
Material Peso Específico
(kN/m³)
Concreto armado 25
Concreto simples 24
Aço 78,5
Pavimentação 24
3.5.2. Sobrecarga Vertical Distribuída
A NBR 9782:1987 sugere, conforme apresentado na Tabela 3.4, um valor de sobrecarga vertical distribuída de 30 kN/m² em píeres para granéis sólidos e 20 kN/m² para granéis líquidos. Como o píer da empresa “A” manuseia ambos, foi adotado o pior caso, a favor da segurança, e essa sobrecarga foi distribuída em toda a laje, exceto em uma faixa de 1 metro para cada lado dos trilhos ocupados pelo carregador de navios, conforme recomendação feita pela mesma norma.
21
Tabela 3.4 - Valores característicos nominais mínimos para obras de acostagem (item 4.4 da NBR 9782:1987)
3.5.3. Carregador de Navios
O carregador de navios atual, apresentado no Capítulo 2, será substituído por um novo modelo, de outro fabricante. Além disso, visando uma maior eficiência no carregamento dos navios, a empresa “A” deseja adquirir um segundo carregador. Serão, portanto, dois exemplares do novo modelo, que por sinal é mais pesado que o anterior, operando simultaneamente. Buscando prevenir colisões entre os equipamentos ou entre suas lanças giratórias, é de boa prática manter uma distância segura de aproximação entre os carregadores. Assim, foi considerado que os carregadores manterão uma distância mínima de 10 metros entre rodas extremas.
As cargas dos carregadores de navios foram consideradas sobre os trilhos, que correm sobre as duas vigas longitudinais do píer. O diagrama de cargas do novo carregador, fornecido por uma empresa aqui nomeada de “C”, é apresentado na Figura 3.2.
22
Figura 3.2 - Diagrama de cargas do novo carregador de navios (cargas em toneladas força; cotas em milímetros)
Observa-se que o carregador introduz forças com componentes verticais e horizontais, na direção transversal ao píer, e que tem valores distintos para as situações em operação e fora de operação. Para esta última, as cargas se referem a uma situação extrema, com ventos de tormenta, de forma que surgem as maiores solicitações na estrutura.
A representação esquemática, em elevação e transversalmente ao píer, do carregador de navios é apresentada na Figura 3.3.
23
Figura 3.3 - Elevação do carregador de navios 3.5.4. Transportador de Correia
O projeto original especificava um transportador de correia de 1000 t/h; no entanto, a empresa “A” deseja agora aumentar a capacidade deste equipamento para 2000 t/h, além de incluir um segundo transportador, já que agora o terminal terá também dois carregadores de navios. No entanto, por falta de espaço no píer, o segundo transportador terá que ser instalado em uma estrutura nova, atrás do píer, que possivelmente poderá ser anexada à estrutura existente. Este estudo, todavia, não faz parte do escopo deste projeto, no qual foi analisado apenas o impacto do transportador de correia (com a nova capacidade) sobre as estruturas do píer.
24
Na ausência de um plano de cargas do transportador, estas foram estimadas como sendo:
Carga Vertical = 40 kN/m (peso do equipamento + sobrecargas de operação)
Carga Horizontal = 5 kN/m (vento)
Este equipamento encontra-se sobre torres metálicas (Figura 2.5), sobre as quais não se tem informações precisas. Estas foram então estimadas como tendo aproximadamente 20 m de altura e carga de 200 kN de peso próprio, por torre.
3.5.5. Atracação
Foi considerada a atracação do maior navio de projeto (graneleiro de 90.000 TPB). Sabendo-se que o píer é usado para exportação, ou seja, apenas carregamento, foi admitida a atracação somente de navios parcialmente carregados ou em lastro, isto é, com o porão preenchido com água ou outro material para melhor equilíbrio do navio. Sendo o Porto de Santos um porto estuarino, naturalmente abrigado, foi considerada uma velocidade de aproximação de 0,1 m/s, referente a regiões protegidas com aproximação favorável. Este valor foi extraído das recomendações da NBR 9782:1987 transcritas na Tabela 3.5.
Tabela 3.5 - Velocidades mínimas para cálculo da energia de atracação (item 7.1.3 da NBR 9782:1987)
25
Foram considerados os casos de atracação paralela e a 5°. O cálculo da energia de atracação foi feito com base na NBR 9782:1987 e a força transversal à linha de atracação mobilizada foi obtida a partir das curvas Carga x Deformação das defensas existentes. Este procedimento é explicitado no capítulo 4.
A força na direção longitudinal do píer devida ao atrito entre o costado do navio e o sistema de defensas foi determinada multiplicando-se a força transversal pelo respectivo coeficiente de atrito entre os materiais. A Tabela 3.6 apresenta os coeficientes de atrito do aço com os materiais usualmente empregados nos painéis das defensas. Neste caso, considerou-se um coeficiente de 0,2.
Tabela 3.6 - Material da defensa e coeficiente de atrito com o aço (item 7.2.2 da NBR 9782:1987)
3.5.6. Amarração
As forças devidas à corrente e ao vento sobre os navios foram determinadas conforme preconizado pela NBR 9782:1987, para as direções mais desfavoráveis e para as condições de embarcação em lastro e carregado. Foram considerados os arranjos de amarração apresentados nas Figuras 3.4 e 3.5.
26
Figura 3.4 - Arranjo de amarração para navio de 90.000 TPB
27
Em geral, os ângulos das linhas apresentam os valores da Tabela 3.7.
Tabela 3.7 - Ângulos das linhas de amarração
Linha Ângulo Lançantes de popa/proa 45° ± 15° Traveses 90° ± 30° Espringues 5-10° Ângulo vertical < 30° 3.5.7. Casa de Transferência
A Casa de Transferência se apoia sobre quatro bases, conforme a planta parcial apresentada na Figura 3.6.
Figura 3.6 - Detalhe das bases da casa de transferência
O diagrama de cargas nas bases do projeto original especificava cargas permanentes verticais e na direção Y, as quais variavam conforme o vento. O vento na direção X produzia uma variação muito pequena nos esforços nas bases, de forma que foi desprezada pelo projetista. Além disso, as cargas recebidas do fabricante consideravam uma velocidade característica do vento de 140 km/h, enquanto que o critério de projeto especificava 100 km/h. Dessa forma, as cargas de vento foram reduzidas no projeto original na proporção 100²/140² ~ 0,5.
28
Considerando o aumento da capacidade do transportador de correia, as reações nas bases da casa de transferência também serão maiores, de forma que as cargas permanentes do projeto original foram duplicadas. A parcela correspondente ao vento foi mantida a mesma do projeto original. As reações são apresentadas na Tabela 3.8.
Tabela 3.8 – Reações nas bases da casa de transferência
Base
Cargas Permanentes (kN) Acréscimos devido ao vento
na direção ±Y (kN)
Vertical Horizontal (Y) Vertical Horizontal (Y)
B1 366,80 0 ± 435,20 ± 82
B2 490,40 0 ∓ 435,20 ± 82
B3 172,90 0 ± 195,10 ± 46
B4 137,90 0 ∓195,10 ± 46
3.5.8. Temperatura e Retração
Foi considerada uma variação de temperatura de ±15° e foi suposta uma deformação específica de retração do concreto de -15 x 10-5, conforme recomendação da
29
4.
MODELO ESTRUTURAL
Este capítulo apresenta inicialmente o modelo estrutural, elaborado com auxílio do programa SAP2000 v.16.0.2, de modo a reproduzir da maneira mais precisa possível o real comportamento da estrutura. Em seguida, foram calculados e inseridos no programa todos os carregamentos, e por fim são exibidas as combinações consideradas.
As Figuras 4.1 a 4.4 ilustram o modelo estrutural. Observa-se que o eixo X é paralelo ao eixo longitudinal do píer, e que o lado do mar está no sentido positivo do eixo Y. As estacas estão no sentido negativo do eixo Z. Foi usado o comando “Extrude” para exibir as barras como elementos tridimensionais.
Figura 4.1 - Vista isométrica do modelo estrutural
30
Figura 4.3 - Elevação longitudinal do modelo estrutural
31
4.1 Geometria
As principais características do modelo são:
a. A laje foi modelada como elemento de casca (shell), sendo que a malha foi refinada com elementos finitos de área 0,85 𝑚 ∙ 0,82 𝑚 = 0,697 𝑚², ou seja, 10% da largura do píer e 10% da distância entre pórticos. Na região da casa de transferência também se usou o mesmo princípio, adotando-se como dimensões 10% da distância entre as estacas nas direções longitudinal e transversal (0,87 𝑚 ∙ 0,6 𝑚 = 0,522 𝑚²). No total, foram usados 3012 elementos de área.
b. As vigas foram modeladas com elementos de pórtico espacial (frame), seguindo o padrão de discretização da laje. Para a rigidez à torção, utilizou-se 15% da rigidez elástica da seção bruta, considerando os efeitos da fissuração. Com o objetivo de eliminar a sobreposição da massa de lajes e vigas, foi aplicado um fator redutor à massa das vigas.
c. As estacas foram modeladas com elementos de pórtico espacial (frame). Elas foram consideradas como rotuladas na ligação com a estrutura de concreto do píer, seguindo a premissa do projeto original, que não adotou armadura de ligação para absorver altos esforços de flexão. Cada estaca foi considerada com seu comprimento integral (52 m), descrito por 52 elementos de 1 metro. No trecho enterrado de 35 m, foi adotado um coeficiente de reação horizontal crescente com a profundidade de 550 kN/m4 (ou seja, no primeiro metro enterrado o coeficiente foi de 550 kN/m³, em seguida 1100, depois 1650 até chegar a 19250 kN/m³ na profundidade de 52 m), modelado por apoios elásticos discretos nas duas direções horizontais – longitudinal e transversal ao píer. Para efeito de ponta, considerou-se um apoio elástico vertical discreto com rigidez de 500.000 kN/m. Estes valores foram indicados por ALONSO (1989), para argilas muito moles submersas. Esta classificação do solo é justificada pelos resultados da sondagem apresentada no Anexo A.
32
A Tabela 4.1 apresenta as propriedades dos dois materiais adotados na análise:
Tabela 4.1 - Propriedades mecânicas básicas dos materiais
Propriedades Mecânicas Básicas dos Materiais Material Tipo Peso Unitário
(kN/m³) Módulo de Elasticidade (kN/m²) Módulo de Cisalhamento (kN/m²) Coeficiente de Poisson Coeficiente de expansão térmica A36 Aço 78,5 200000000 76923076,92 0,3 0,000012 C20 Concreto 25 21300000 8875000 0,2 0,00001
As Figuras 4.5 a 4.15 apresentam as seções adotadas para barras e cascas.
33
Figura 4.6 - Estacas 500 x 12,5 mm (típica)
34
Figura 4.9 - Vigas 50 x 100 cm (vigas secundárias)
35
Figura 4.10 - Vigas 50 x 150 cm (pórticos sem defensa e sem apoio de transportador)
36
Figura 4.12 - Vigas 100 x 150 cm (vigas sob a casa de transferência)
37
Figura 4.14 - Vigas 230 x 150 cm (pórticos com defensa e com apoio do transportador)
38
As Tabelas 4.2, 4.3 e 4.4 apresentam as propriedades das barras e cascas adotadas na análise. As direções 3-3 e 2-2 indicadas se referem aos eixos dos elementos de barra, apresentados nas Figuras 4.5 a 4.14.
Nome da seção Texto Estaca #10 Estaca #12,5 Estaca mista
Material Texto A36 A36 A36
Formato Texto Tubo Tubo Section Designer
Largura m 0,5 0,5 Altura m Espessura m 0,01 0,0125 Área m2 0,015394 0,019144 0,037895 Const. de torção m4 0,000924 0,001138 0,001453 Inércia à flexão 3-3 m4 0,000462 0,000569 0,000832 Inércia à flexão 2-2 m4 0,000462 0,000569 0,000832 Área de cisalhamento m2 0,007699 0,009576 0,030286
Módulo de resistência elástico 3-3 m3 0,001849 0,002276 0,003327
Módulo de resistência elástico 2-2 m3 0,001849 0,002276 0,003327
Módulo de resistência plástico 3-3 m3 0,002401 0,002971 0,020633
Módulo de resistência plástico 2-2 m3 0,002401 0,002971 0,020633
Raio de giração 3-3 m 0,173277 0,172414 0,148156
Raio de giração 2-2 m 0,173277 0,172414 0,148156
Peso total KN 104,334 4475,48 1864,588
Massa total KN-s2/m 10,64 456,37 190,14
Multiplicador de Área Adimensional 1 1 1
Multiplicador de constante de torção Adimensional 1 1 1
Multiplicador de Inércia 2-2 Adimensional 1 1 1
Multiplicador de Inércia 3-3 Adimensional 1 1 1
Multiplicador de Massa Adimensional 1 1 1
Multiplicador de Peso Adimensional 1 1 1
Propriedades dos elementos de barra - Estacas
39
Tabela 4.3 – Propriedades das barras - Vigas
Tabela 4.4 - Propriedades das cascas Propriedades dos elementos de área
Seção Texto laje
Material Texto C20
Ângulo do material Graus 0
Tipo de área Texto Shell
Tipo Texto Shell-Thin
Espessura m 0,3
Espessura Flexão m 0,3
Nome da seção Texto viga 100x150 viga 110x150 viga
230x150 viga 50x100 viga 50x150
viga 50x150 - longitudinal
Material Texto C20 C20 C20 C20 C20 C20
Formato Texto Retangular Retangular Retangular Retangular Retangular Retangular
Largura m 1,5 1,5 1,5 1 1,5 1,5 Altura m 1 1,1 2,3 0,5 0,5 0,5 Espessura m Área m2 1,5 1,65 3,45 0,5 0,75 0,75 Const. de torção m4 0,293457 0,365449 1,540402 0,02861 0,049389 0,049389 Inércia à flexão 3-3 m4 0,28125 0,309375 0,646875 0,041667 0,140625 0,140625 Inércia à flexão 2-2 m4 0,125 0,166375 1,520875 0,010417 0,015625 0,015625 Área de cisalhamento m2 1,25 1,375 2,875 0,416667 0,625 0,625
Módulo de resistência elástico 3-3 m3 0,375 0,4125 0,8625 0,083333 0,1875 0,1875
Módulo de resistência elástico 2-2 m3 0,25 0,3025 1,3225 0,041667 0,0625 0,0625
Módulo de resistência plástico 3-3 m3 0,5625 0,61875 1,29375 0,125 0,28125 0,28125
Módulo de resistência plástico 2-2 m3 0,375 0,45375 1,98375 0,0625 0,09375 0,09375
Raio de giração 3-3 m 0,433013 0,433013 0,433013 0,288675 0,433013 0,433013
Raio de giração 2-2 m 0,288675 0,317543 0,663953 0,144338 0,144338 0,144338
Peso total KN 1183,529 597,332 9887,616 1710,649 1529,992 5658
Massa total KN-s2/m 150,86 76,14 1260,32 249,2 195,02 721,19
Multiplicador de Área Adimensional 1 1 1 1 1 1
Multiplicador de constante de torção Adimensional 0,15 0,15 0,15 0,15 0,15 0,15
Multiplicador de Inércia 2-2 Adimensional 1 1 1 1 1 1
Multiplicador de Inércia 3-3 Adimensional 1 1 1 1 1 1
Multiplicador de Massa Adimensional 1 1 1 1 1 1
Multiplicador de Peso Adimensional 0,8 0,8 0,8 0,7 0,8 0,8
40
4.2 Carregamentos
Os carregamentos adotados são descritos a seguir. A nomenclatura utilizada para inserção das cargas no SAP2000 aparece entre parênteses.
4.2.1 Peso Próprio (DEAD)
O peso próprio da estrutura foi aplicado automaticamente pelo programa com base nas propriedades das seções e dos materiais.
4.2.2 Pavimentação (PAV)
Foi considerada uma espessura média de 3,5 cm de pavimentação com peso específico de 24 kN/m³, totalizando uma carga uniformemente distribuída na laje de 0,84 kN/m². Não foi considerado recapeamento.
41 4.2.3 Sobrecarga vertical distribuída (SC)
Conforme definido em 3.6.2, foi considerada uma sobrecarga vertical distribuída de 30 kN/m² em toda a laje, exceto em uma faixa de 1 metro para cada lado dos trilhos ocupados pelo carregador de navios.
4.2.4 Carregador de navios (CN_±Y e CN_FORA_±Y)
Foi considerada a operação simultânea de dois carregadores de navios idênticos ao longo de toda a extensão do trilho, com uma distância mínima de 10 metros entre rodas extremas dos carregadores. O diagrama de cargas foi apresentado no item 3.6.3 na Figura 3.2. Foram criados então diversos tipos de carregamentos diferentes, considerando as cargas horizontais, devidas ao vento, em ambas as direções (+Y e –Y), e para ambos os casos, ou seja, com o carregador em operação e fora de operação (CN e CN_FORA).
Apesar do programa SAP2000 permitir a criação de cargas móveis, este recurso não foi utilizado pois seria necessário criar dois veículos-tipos (já que as cargas no lado do mar são diferentes das cargas no lado terra), definir dois caminhos de rolamento e rodá-los simultaneamente, o que tornaria a análise muito lenta, pelo fato do modelo ser muito complexo. Além disso, o programa só permite a criação de trem-tipo vertical; as cargas horizontais precisariam ser inseridas manualmente.
Sendo assim, as cargas por perna foram divididas pelo número de rodas e foram inseridas nos nós como cargas concentradas, em doze posições diferentes ao longo do trilho, conforme ilustram as Figuras 4.18 e 4.19:
42
Figura 4.19 - Detalhe de aplicação do carregamento dos carregadores de navios fora de operação em outra das posições com vento atuando na direção -Y
Figura 4.18 - Detalhe de aplicação do carregamento dos carregadores de navios em operação em uma das posições com vento atuando na direção +Y
43 4.2.5 Transportador de correia (TC_±Y)
Conforme definido em 3.6.4, as cargas lineares do transportador de correias são:
Carga Vertical = 40 kN/m (peso do equipamento + sobrecargas de operação)
Carga Horizontal = 5 kN/m (vento)
Além disso, foi admitido que o peso de cada torre metálica que suporta o transportador é de 200 kN e que a altura de cada torre metálica é de 20 m. Para uma distância entre bases de 16,4 m, as forças consideradas em uma base típica foram:
𝐹𝑦 = 5 ∙ 16,4 = 82 𝑘𝑁
𝐹𝑧 = 40 ∙ 16,4 + 200 = 856 𝑘𝑁 𝑀𝑥 = 82 ∙ 20 = 1640 𝑘𝑁𝑚
As cargas de vento foram consideradas nas direções ±Y. A Figura 4.20 a seguir ilustra a aplicação do carregamento no modelo estrutural.
Figura 4.20 - Detalhe de aplicação do carregamento do transportador de correia com vento atuando na direção +Y
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4.2.6 Atracação (ATRACPAR_±X; ATRACANG_±X)
Conforme definido em 3.6.5, foi considerada a atracação do navio graneleiro de 90.000 TPB. De acordo com a NBR 9782:1987, a energia cinética característica no momento da atracação pode ser obtida por
𝐸𝑐 = 1 2∙ (𝑀1+ 𝑀2) ∙ 𝑉 2∙ 𝐶 𝑒∙ 𝐶𝑟 (4.1) onde
𝑀1 = Massa deslocada pelo navio no momento da atracação; 𝑀2 = Massa de água adicional, que o navio traz ao atracar;
V = Velocidade de aproximação do navio; Ce = coeficiente de excentricidade;
Cr = coeficiente de rigidez.
Para terminais de carregamento, o deslocamento do navio (M1) pode ser estimado
como 90% do porte bruto do navio, portanto:
𝑀1 = 0,9 ∙ 90.000 𝑡 = 81.000 𝑡
A massa de água adicional (𝑀2) é calculada pela seguinte expressão
𝑀2 =𝜋 ∙ 𝐷²
4 ∙ 𝐿 ∙ 𝛾𝑎 (4.2) onde
D = Calado do navio nas condições de atracação (neste caso, em lastro); L = Comprimento do navio;
𝛾𝑎 = Massa específica da água. Portanto:
𝑀2 = 𝜋 ∙ 11,3²
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A velocidade de aproximação do navio foi definida em 3.6.5 como 0,1 m/s. O coeficiente de excentricidade é calculado pela seguinte expressão
𝐶𝑒 = 𝑟²
𝑙2+ 𝑟² (4.3)
onde
𝑟 = Raio de giro do navio (aproximadamente igual a 25% do comprimento do navio); 𝑙 = Distância entre o ponto de contato e o centro de gravidade do navio, medida paralelamente à linha de atracação.
Dessa forma, para atracação paralela:
𝐶𝑒 = (0,25 ∙ 240)²
02+ (0,25 ∙ 240)²= 1,0
e para atracação a 5 graus, quando o valor de “𝑙” é estimado como sendo um terço do comprimento do navio: 𝐶𝑒 = (0,25 ∙ 240)² [(13) ∙ 240] 2 + (0,25 ∙ 240)² = 0,4
O coeficiente de rigidez considera a parcela de energia absorvida pela deformação do costado do navio. Pode variar entre 0,9 e 0,95; aqui será adotado 0,95 (a favor da segurança).
Definidos todos os parâmetros, pode-se então calcular a energia cinética devida à atracação. A Tabela 4.5 apresenta as energias para as situações consideradas.
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Tabela 4.5 - Energias cinéticas devido à atracação de um navio de 90.000 TPB Atracação
Paralela Inclinada de 5 graus
M1 81.000 t 81.000 t
M2 24.069 t 24.069 t
Ec 499 kN.m 199 kN.m
γ𝑞 1,0 1,4
Ecd = γ𝑞∙ Ec 499 kN.m 279 kN.m
As energias cinéticas características devem ser majoradas por coeficientes de ponderação estabelecidos no item 11.3.1.3 da NBR 9782:1987. A situação de atracação paralela foi classificada como ‘excepcional’ devido à baixa probabilidade de todas as defensas serem uniformemente comprimidas, portanto γ𝑞 = 1,0. A situação de atracação inclinada foi considerada como normal, logo γ𝑞 = 1,4.
Uma vez calculadas as energias de atracação, as forças transmitidas ao píer são obtidas através de gráficos do sistema de defensas empregado, que correlacionam a energia absorvida com a deformação imposta e a força transmitida. As defensas extremas existentes (Sumitomo HPi 1000H x 1500L CP3) não são adequadas para absorver a energia de atracação e terão que ser substituídas. Nesse caso, as defensas mais adequadas, do mesmo fabricante, seriam HPi 1000H x 1500L CP2, pois possuem as mesmas dimensões da existente (de forma que a substituição não exigiria uma obra), porém com maior capacidade de absorção de energia. A escolha das defensas é justificada no Anexo B. O sistema de defensas existente é novamente apresentado na Figura 4.21.
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Supondo que será adotado o sistema de defensas aconselhado acima, as reações são (estes valores são obtidos no Anexo B):
Defensas HPi 1000H x 1500L: R = 825 kN para atracação angulada (normal) R = 585,75 kN para atracação paralela (excepcional) Defensas Pi 800H x 1500L: R = 468,6 kN para atracação paralela (excepcional) É importante ressaltar que, considerando uma atracação angulada, inicialmente apenas uma defensa (extrema) é solicitada e, após o navio girar, as outras começam a ser acionadas. Dessa forma, esta defensa é dimensionada para absorver sozinha toda a energia de impacto.
Já a atracação paralela é mais crítica, pois considera uma compressão simultânea de todas as defensas, gerando solicitações ao longo de todo o píer. Essa hipótese, porém, é praticamente impossível de acontecer, pois uma defensa sempre acaba sendo solicitada antes das outras. No entanto, quanto maior a embarcação, menor o ângulo de atracação.
Foi adotada, ainda, uma força paralela ao píer igual a 0,2∙R em cada defensa, onde o valor 0,2 é o coeficiente de atrito entre o casco do navio e o painel da defensa (obtido na Tabela 3.6). As Figuras 4.22, 4.23 e 4.24 ilustram a aplicação do carregamento no modelo de análise. As cargas foram aplicadas na extremidade inferior de pequenas barras verticais, modeladas com as mesmas propriedades das vigas principais, de forma a representar a excentricidade do carregamento.
Figura 4.22 - Aplicação de carregamento de atracação paralela do navio de 90.000 TPB na direção -X
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Figura 4.23 – Detalhe da aplicação de carregamento de atracação paralela do navio de 90.000 TPB na direção +X
Figura 4.24 - Aplicação de carregamento de atracação angulada do navio de 90.000 TPB na direção -X
49 4.2.7 Amarração (AMAR0_±X; AMAR90_±X)
As ações de amarração são as decorrentes dos esforços exercidos pelos cabos de amarração nos cabeços do píer, a partir das forças atuantes sobre as embarcações pela ação dos ventos e correntes.
Conforme definido em 3.5.1, a velocidade básica do vento no terminal é de 35 m/s. A velocidade característica do vento sobre os navios foi calculada de acordo com a NBR 6123:1988 por
𝑉𝑘= 𝑉𝑜∙ 𝑆1∙ 𝑆2∙ 𝑆3 (4.4)
onde
𝑉𝑜 = Velocidade básica do vento (35 m/s);
𝑆1 = Fator topográfico. Tratando-se de um píer, ou seja, uma região plana, 𝑆1 = 1,0;
𝑆2 = Fator que considera a rugosidade do terreno, dimensões da edificação (no caso, os navios) e altura sobre o terreno. Considerou-se Categoria II, Classe C e com uma altura de 10 m sobre o terreno (referente às embarcações). Logo, 𝑆2 = 0,95, valor justificado na Tabela 4.6.
𝑆3 = Fator estatístico. Foi tomado que 𝑆3 = 1,0.
Tabela 4.6 - Fator S2 (NBR 6123:1988)
Tem-se então que a velocidade característica do vento é:
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As forças devidas ao vento e à corrente foram determinadas de acordo com a NBR 9782:1987.
O esforço devido ao vento sobre um navio é calculado por
𝑅 = 𝑘 ∙ 𝑉 2 1600∙ (𝐴𝑇∙ cos 2𝜃 + 𝐴 𝐿∙ 𝑠𝑒𝑛2𝜃) (4.5) onde
R = Força devida ao vento em kN;
V = Velocidade característica do vento em m/s; k = Coeficiente de forma;
𝐴𝑇 = Área da seção transversal do navio acima do nível d’água em m²; 𝐴𝐿 = Área da seção longitudinal do navio acima do nível d’água em m²;
𝜃 = Ângulo formado pela direção do vento com o eixo longitudinal do navio (Figura 4.25).
Figura 4.25 – Ângulo θ
Sabe-se que a velocidade característica do vento é 33,25 m/s e o coeficiente de forma pode ser tomado em média como 1,2 (segundo recomendação da NBR 9782:1987). As áreas das seções transversais e longitudinais são calculadas a partir das dimensões do navio de 90.000 TPB, definidas na Tabela 3.1.
A área transversal é igual ao bordo livre vezes a boca do navio. É importante observar que estando o navio ora carregado e ora em lastro, o bordo livre varia. Assim, temos que:
51 Navio carregado: 𝐴𝑇 = 5,7 ∙ 36 = 205,2 𝑚2
Navio em lastro: 𝐴𝑇 = 8,9 ∙ 36 = 320,4 𝑚2
A área da seção longitudinal é o bordo livre vezes o comprimento do navio: Navio carregado: 𝐴𝐿 = 5,7 ∙ 240 = 1368 𝑚2
Navio em lastro: 𝐴𝐿 = 8,9 ∙ 240 = 2136 𝑚2
Serão estudados os casos de vento longitudinal e transversal aos navios, ou seja, com ângulos θ iguais a 0 e 90°. Um resumo das forças transversal (RT) e longitudinal (RL)
devidas ao vento é apresentado na Tabela 4.7.
Tabela 4.7 – Áreas de obstrução e forças resultantes (nas direções transversal e longitudinal ao navio) devidas ao vento sobre um navio de 90.000 TPB
Navio carregado Navio em lastro
𝛉 = 0° 𝛉 = 90° 𝛉 = 0° 𝛉 = 90°
AT (m²) 205,2 205,2 320,4 320,4
AL (m²) 1368,0 1368,0 2136,0 2136,0
RT (kN) 0,0 1134,3 0,0 1771,1
RL (kN) 170,1 0,0 265,7 0,0
Já a força devida às correntes sobre um navio pode ser calculada pela fórmula 𝑅 = 0,528 ∙ 𝑉2∙ 𝐿 ∙ 𝐷 ∙ 𝑘 (4.6) onde
R = Valor do esforço na direção da corrente em kN; k = Coeficiente de forma;
V = Velocidade da corrente em m/s;
L = Comprimento do navio entre perpendiculares em m; D = Calado da embarcação em m.
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A velocidade da corrente foi definida em 3.5.2 como sendo 1,0 m/s. O comprimento entre perpendiculares (231 m) e calado carregado (14,3 m) e em lastro (11,3 m) também foram definidos na Tabela 3.1.
Seguindo a orientação da NBR 9782:1987, o coeficiente de forma pode ser avaliado pela Tabela 4.8, onde a coluna h / D refere-se à relação entre a altura do nível da água no local (h) e o calado da embarcação (D). A direção da corrente foi definida com variação de ± 20°.
Tabela 4.8 - Valores aproximados do coeficiente de forma (item 8.2.3 da NBR 9782:1987)
As forças resultantes e suas componentes nas direções transversal e longitudinal para as situações de projeto são avaliadas como:
Navio carregado: h / D = 17 / 14,3 ≈ 1,2 ∴ 𝑘 = 1,03 𝑅 = 0,528 ∙ 12∙ 231 ∙ 14,3 ∙ 1,03 = 1796,5 𝑘𝑁 𝑅𝑇 = 𝑅 ∙ sen 20° = 614,4 𝑘𝑁 𝑅𝐿 = 𝑅 ∙ cos 20° = 1688,2 𝑘𝑁 Navio em lastro: h / D = 17 / 11,3 ≈ 1,5 ∴ 𝑘 = 0,5 𝑅 = 0,528 ∙ 12∙ 231 ∙ 11,3 ∙ 0,5 = 689,1 𝑘𝑁 𝑅𝑇 = 𝑅 ∙ sen 20° = 235,7 𝑘𝑁 𝑅𝐿 = 𝑅 ∙ cos 20° = 647,5 𝑘𝑁
53
Combinando-se os efeitos de vento e corrente, chegou-se, então, aos valores críticos de forças apresentadas na Tabela 4.9.
Tabela 4.9 - Forças transversais e longitudinais devidas à combinação de vento mais corrente
Navio carregado Navio em lastro
𝛉 = 0° 𝛉 = 90° 𝛉 = 0° 𝛉 = 90°
RT (kN) 614,4 1748,7 235,7 2006,8
RL (kN) 1858,3 1688,2 913,2 647,5
Estas são as forças atuantes sobre o navio de 90.000 TPB. No entanto, para o modelo aqui estudado, interessa saber a reação que estas forças irão impor aos cabos de amarração, que, por sua vez, irão mobilizar as estruturas do píer. Para isto, é preciso fazer uma análise vetorial.
Foi idealizado o modelo, esquematizado na Figura 4.26, simulando os cabos de amarração presos ao navio e ao píer, usando o arranjo de amarração da Figura 3.4. Os cabeços de amarração foram modelados como apoios rígidos, para receber as reações dos cabos, que foram modelados como barras bi-rotuladas, resistentes somente à tração. Estas foram ligadas em um ponto que seria o centro de gravidade do navio, e neste mesmo ponto foram inseridas as forças de vento e corrente da Tabela 4.9. Foram consideradas apenas as situações de vento a 0° com navio carregado e vento a 90° com navio em lastro. Para ser possível ligar todos os cabos em um mesmo ponto, os dois espringues foram modelados por uma única barra. Os resultados obtidos são apresentados na Tabela 4.10, onde T é a força de tração e Fx, Fy e Fz são as reações nos cabeços de amarração nas
