DNV-RP-N103: Modelagem e análise de operações marítimas

O que a DNV-RP-N103 é

A DNV publica essa prática recomendada (RP) com o título Modelagem e análise de operações marítimas. Sua origem é a DNV-RP-H103, publicada pela primeira vez em abril de 2009 e pela última vez em fevereiro de 2014, e substituída em julho de 2017 pela DNVGL-RP-N103. Essa revisão mudou o código do documento, o nome da empresa e as referências. Com a mudança de nome da DNV em 2021, passou a se chamar DNV-RP-N103, alterada em setembro de 2021. Pesquisas e planos de elevação mais antigos ainda citam a RP-H103, e os métodos desta página constam de ambas.

A DNV apresenta a edição atual em sua RP-N103 página. O texto completo está no Rules and Standards Explorer da DNV, que exige um login gratuito no Veracity e uma assinatura paga do Explorer+; o sumário e a primeira seção podem ser consultados gratuitamente, e a DNV oferece um período de teste único de 14 dias. As edições mais antigas da DNV-RP-H103 estão disponíveis gratuitamente em PDF no arquivo de documentos legados da DNV, úteis como referência; cada projeto usa a edição definida em sua base de projeto.

O que abrange

As principais seções da prática, numeradas como no documento (a Seção 1 é a introdução):

1. Métodos gerais de análise. Ondas e espectros de ondas, além das cargas de onda em estruturas grandes e pequenas.
2. Elevação pela zona de ondas, geral. Cargas em um objeto que atravessa a superfície, coeficientes hidrodinâmicos, métodos de cálculo, elevações através de um moonpool e estabilidade.
3. Elevação pela zona de ondas, método simplificado. Peso estático, forças hidrodinâmicas, critério de lingadas frouxas, verificações de capacidade e cargas de impacto. É o ponto de partida da maioria das verificações de elevação pela zona de respingo.
4. Descida em águas profundas. Forças no cabo, períodos naturais e ressonância do sistema de descida, cabo frouxo, compensação de heave e cabos de fibra.
5. Assentamento no leito marinho e recuperação. Impacto no assentamento, penetração das saias, instalação por sucção e nivelamento, e recuperação de fundações.
6. Reboque. Reboques de superfície e submersos.
7. Critérios meteorológicos e disponibilidade. Incerteza das previsões, operabilidade e estatísticas de persistência.
8. Operações de içamento. Elevações leves e pesadas, movimento da ponta da grua, acoplamento entre embarcações e desprendimento inicial de uma barcaça.

Os apêndices apresentam coeficientes de massa adicionada e de arrasto para formas comuns, além de constantes físicas. A maioria desses coeficientes de arrasto corresponde a escoamento permanente. Na zona de ondas, a prática usa o valor para escoamento oscilatório, geralmente duas a três vezes maior, e, na ausência de CFD ou ensaios em modelo, estabelece C_D \ge 2.5 para estruturas submarinas típicas. Nosso artigo sobre elevações submarinas mostra como o arrasto e a massa adicionada variam com a forma e a velocidade.

O método simplificado para elevações pela zona de respingo

A Seção 4 fornece uma primeira estimativa conservadora para um objeto descido pela zona de ondas, usando alguns valores característicos em vez de uma simulação completa. Pressupõe que o objeto seja pequeno em relação ao comprimento de onda, acompanhe a ponta da grua sem amplificação por ressonância e que predomine o movimento vertical relativo entre o objeto e a água. Os números das seções abaixo são os da prática.

Peso estático (4.2). O peso na água, calculado a partir da massa no ar e do volume deslocado:

Adotam-se valores mínimo e máximo quando o objeto é inundado após submergir. A verificação de lingadas frouxas usa o mínimo; a verificação de capacidade usa o máximo.

Períodos das ondas (4.3.2). Quando o período das ondas é considerado, a análise abrange os períodos entre cruzamentos ascendentes de zero no intervalo

para uma altura significativa de onda de projeto H_s. A alternativa da prática, cinemática das ondas independente do período, só vale para T_z \ge 10.6 \sqrt{H_s / g}; a análise usa uma ou outra opção.

Velocidade relativa. A velocidade de descida do gancho v_c, (normalmente 0.5 m/s) é somada à velocidade combinada da ponta da grua v_{ct} e à velocidade das partículas de água v_w, (consideradas independentes pelo método):

Componentes de força (4.3.5 a 4.3.8). Quatro forças atuam quando o objeto cruza a superfície (Figura 1): o impacto contra a água nas partes que a atingem, que aumenta com o quadrado da velocidade de impacto; o arrasto, proporcional ao quadrado da velocidade relativa; a força de massa, que combina a massa do objeto com a massa adicionada, aceleradas pela ponta da grua, (M + A_{33})\, a_{ct}, com a massa de água deslocada mais a massa adicionada, aceleradas pelas ondas, (\rho V + A_{33})\, a_w; e a variação do empuxo, \rho g\, \delta V, conforme a superfície da água sobe e desce em relação ao objeto.

O impacto contra a água e o arrasto atuam em fase, enquanto a força de massa e a variação do empuxo atuam com defasagem de 180°; por isso, o método os combina conforme (4.3.9)

e a força total característica sobre o objeto é (4.4.2)

Um objeto comprido, como um spool, cujas cargas variam de uma lingada para outra, exige uma análise mais detalhada.

Lingadas frouxas e cargas de impacto

Se a força hidrodinâmica erguer o objeto com mais intensidade do que seu peso o puxa para baixo, as lingadas ficam frouxas e logo voltam a se tensionar bruscamente. O método simplificado evita isso com o critério de lingadas frouxas (4.4.3):

Essa é uma margem de 10 % até o início da folga nas lingadas, verificada com o peso estático mínimo e as forças hidrodinâmicas ascendentes. Os critérios meteorológicos para a elevação são definidos para atender a essa condição.

Quando não é possível evitar cargas de impacto, a prática calcula sua magnitude (4.7) a partir da velocidade no instante da retomada da tensão, da rigidez K do sistema de içamento e da massa do objeto com sua massa adicionada em heave:

A força total é então F_{\text{static}} + F_{\text{snap}}. A mesma fórmula abrange o impacto na saída da carga de um convés em movimento.

Na verificação de capacidade (4.4.4), a prática adota a maior força total, com o peso estático máximo, entre F_{\text{static,max}} + F_{\text{hyd}} ou F_{\text{static,max}} + F_{\text{snap}}, e a converte em um fator aplicado ao peso no ar para a norma de içamento:

Nosso artigo sobre o fator de amplificação dinâmica explica com mais detalhes a carga de impacto e o DAF.

Como o compensador de heave entra no método

No método simplificado, o compensador de heave entra em um único ponto: como mola macia na rigidez do sistema de içamento K (4.3.3.4). Isso reduz a carga de impacto. A menor rigidez também aumenta o período natural do sistema de içamento,

em que m L é a massa da linha de içamento e \theta é um fator que representa seu efeito. Assim, a prática inclui o compensador da mesma forma ao verificar o risco de ressonância. A amplificação por ressonância em si está fora do método simplificado, que tampouco atribui ao compensador uma redução do movimento transmitido ao objeto; ambos exigem análise no domínio do tempo.

A prática também estabelece um limite (4.7.7): um compensador passivo não pode atingir o fim do curso, pois isso pode causar picos de carga muito elevados e falha do sistema de içamento. O curso disponível é verificado em cada caso de carga, em torno de um equilíbrio que muda conforme o peso estático passa do ar para a água, considerando a água retida na recuperação e, quando pertinente, a pressão da água sobre o pistão.

Além do método simplificado

Quando o método simplificado indica risco de cargas de impacto, o objeto é grande em relação às ondas ou a elevação está próxima da ressonância, a prática indica métodos mais precisos (Seção 3): análise com onda regular de projeto, análise no domínio do tempo com ondas irregulares e CFD para o escoamento local. Um modelo no domínio do tempo acompanha toda a elevação, incluindo o cabo, os acessórios de içamento e qualquer compensador, e apresenta séries temporais das tensões, dos movimentos e do curso. É nesse tipo de análise que se considera a redução do movimento do objeto proporcionada pelo compensador, como faz o CONSTELLATION faz.

Como a RP-N103 orienta o dimensionamento do compensador

A análise fornece as cargas e os movimentos, que servem para dimensionar o compensador:

A própria prática modela um compensador passivo na Seção 5.4, como uma mola e um amortecedor na ponta da grua, acima do cabo, e expressa sua eficiência por e = 1 – |G(\omega)|, em que G(\omega) é a razão entre o movimento do objeto e o movimento na extremidade superior do compensador. DNV-RP-N202, a prática recomendada da DNV para sistemas de compensação de heave (edição 2024-06), trata do próprio compensador quando definida pelo projeto. Nosso artigo sobre compensação passiva de heave mostra como o curso e o volume de gás determinam a resposta.