Sem compensação, uma operação de içamento pode entrar no ritmo próprio do mar; o compensador afasta o sistema desse ritmo.
Prevenção de ressonância
Por Tord Martinsen, CEO · · Revisado em · 6 min de leitura
Aplicação prática: afastar o período do sistema das ondas é um problema de seleção: consulte ANTARES PHC adaptativo e estudos e análises de engenharia.
A ressonância é, antes de tudo, uma propriedade do sistema não compensado formado por grua, cabo e carga útil: ocorre quando a excitação atua em uma frequência natural desse sistema. A adição de um compensador altera os modos acoplados; o sistema compensado é então verificado em todos os casos definidos. O resultado é uma amplificação acentuada do movimento da carga, o oposto do que um compensador deve alcançar. Projetar de modo a evitar a ressonância é um dos aspectos mais críticos da engenharia de compensadores.
O que é ressonância?
Todo sistema massa-mola possui uma frequência natural — a frequência na qual tende a oscilar quando perturbado. Em um compensador passivo de heave, a massa é a carga suspensa e a mola é o gás comprimido no acumulador.
Quando o movimento da ponta da grua, induzido pelas ondas, oscila nessa frequência natural ou próximo dela, o sistema responde com movimento amplificado; a carga se move mais do que a ponta da grua, e não menos. Essa amplificação pode ser acentuada: teoricamente, um sistema sem amortecimento em ressonância teria resposta infinita.
Na prática, o amortecimento limita o pico da resposta; a altura do pico na ressonância depende do amortecimento efetivamente configurado. Por isso, o modelo de triagem declara o amortecimento adotado, em vez de indicar um fator universal. Isso é claramente inaceitável para um dispositivo projetado para reduzir o movimento.
Onde ocorre a ressonância
O período natural de um compensador passivo de heave depende da massa da carga e da rigidez da mola a gás. Para o conjunto de unidades da Norwegian Dynamics definido na base abaixo, os períodos naturais calculados abrangem aproximadamente 10–30 segundos; cada projeto calcula seu próprio período acoplado com base na massa, no estado do gás e na rigidez do cabo reais.
Na base de triagem do Mar do Norte usada aqui, períodos espectrais de pico de 5–15 segundos (Tp) constituem a faixa indicativa de excitação; prevalece a base metoceânica própria do local do projeto. Em sistemas bem projetados, o período natural fica bem acima dos períodos de onda energéticos, de modo que a frequência de excitação permanece acima da frequência natural, na região de isolamento. A margem é verificada em relação ao espectro de ondas do projeto, e não presumida.
No entanto, o risco de ressonância aumenta quando:
- O volume de gás é muito pequeno (tornando a mola muito rígida e reduzindo o período natural).
- A carga é mais leve do que no caso de projeto (reduzindo a massa e, portanto, o período natural).
- Há ondulação de período longo (aumentando o período de excitação em direção ao período natural).
| Grandeza | Faixa típica | Regra de projeto |
|---|---|---|
| Período natural do sistema Tn | 10 – 30 s | Manter Tn bem acima de Tp — operar abaixo da ressonância, onde a compensação funciona |
| Períodos de onda dominantes Tp | 5 – 15 s | |
| Amplificação na ressonância | 2 – 5× mesmo com bom amortecimento | A zona que todo o projeto busca evitar |
Três formas de redução da margem e por que a carga mínima esperada, e não o ponto de projeto, costuma ser a verificação determinante.
Projeto para evitar a ressonância
Os engenheiros usam várias estratégias para garantir que os compensadores de heave operem com segurança longe da ressonância:
- Volume de gás suficiente — Volumes maiores de gás produzem molas mais flexíveis, com períodos naturais mais longos, levando a ressonância para bem acima da faixa de períodos das ondas.
- Amortecimento adequado — O amortecimento hidráulico limita a amplificação na ressonância a níveis aceitáveis, proporcionando uma margem de segurança mesmo que as condições aproximem o sistema de sua frequência natural.
- Análise da faixa de cargas — O compensador deve ser verificado em toda a faixa de cargas esperadas, e não apenas no ponto de projeto. A carga mais leve normalmente resulta no período natural mais curto e, portanto, no maior risco de ressonância.
- Ajuste adaptativo — ANTARES ajusta automaticamente o ponto de operação da mola a gás conforme as condições de carga mudam, mantendo o período natural onde a análise o definiu. Cada ajuste ainda é verificado no modelo acoplado; a adaptação amplia a faixa operacional, mas não elimina a verificação.
Ressonância no projeto do sistema
A prevenção de ressonância não diz respeito apenas ao compensador; aplica-se a todo o sistema de içamento. O cabo da grua, as polias e quaisquer acessórios de aparelhamento submarinos têm rigidez e massa próprias, criando um sistema acoplado com vários modos potenciais de ressonância.
Em maiores profundidades de água, a elasticidade do cabo torna-se significativa, e o sistema acoplado cabo-compensador pode ter frequências de ressonância diferentes das de cada componente isolado. Por isso, operações em águas profundas exigem uma cuidadosa análise dinâmica acoplada que modele todo o sistema, desde a embarcação até o leito marinho.
Para operações críticas, simulações no domínio do tempo com dados de ondas específicos do local e RAOs reais da embarcação verificam a resposta em todos os casos operacionais definidos. A Norwegian Dynamics fornece suporte de engenharia para essas análises como parte da seleção e do dimensionamento do compensador; consulte nosso guia de seleção de compensadores para obter mais informações.
Prevenção de ressonância: perguntas frequentes
O que é ressonância em um sistema de compensação de heave?
Qual pode ser a intensidade da amplificação ressonante?
Quando o risco de ressonância é maior?
Como os engenheiros projetam para evitar a ressonância?
A ressonância diz respeito apenas ao próprio compensador?
Preocupado com a ressonância em seu sistema de içamento?
A ressonância é um problema de ajuste. Envie-nos o clima de ondas e a rigidez da grua, e mostraremos como um compensador desloca o período natural.
Veja em operação
Passagem controlada pela ressonância: ANTARES conduz uma estaca de sucção inundada por sua faixa de ressonância a cerca de 1,300 m, em simulação no CONSTELLATION.
Artigos relacionados
Base e premissas
Origem dos valores apresentados nesta página e limites de aplicação de cada um. Os valores de triagem são estimativas modeladas; não substituem uma análise específica do projeto com base em seus próprios dados.
- Período natural do compensador 10–30 sFaixa de projeto (resultado do modelo)
- Resulta da massa da carga e da rigidez da mola a gás nas faixas de SWL e curso produzidas pela Norwegian Dynamics. É a faixa em que se enquadram nossas próprias unidades, não uma propriedade dos compensadores de heave em geral; o período natural de cada unidade específica é calculado para aquele içamento.
- Períodos de onda dominantes 5–15 sFonte publicada / norma
- Faixa típica de períodos de pico do Mar do Norte. Os parâmetros do estado do mar e os espectros usados para descrevê-los são apresentados em DNV-RP-C205, Condições ambientais e cargas ambientais.
- Amplificação de 2–5× na ressonânciaDerivação
- Para um sistema com um grau de liberdade e baixo amortecimento, a amplificação em regime permanente na ressonância é aproximadamente 1/(2ζ). Uma razão de amortecimento ζ de 0.10 resulta em cerca de 5×, e ζ de 0.25, em cerca de 2×, constituindo a faixa aqui indicada. Os sistemas reais se afastam disso assim que o amortecimento se torna não linear, razão pela qual o caso operacional é modelado, em vez de ser lido em uma curva.
