Travessia da zona de respingo

O que é a zona de respingo

A zona de respingo é a região em torno da linha d’água na qual a carga fica parcialmente no ar e parcialmente na água. Sua altura não é um número fixo de metros: acompanha as cristas e os cavados das ondas e o movimento da ponta da grua, aumentando com as condições de mar e a resposta da embarcação. O objeto atravessa essa região na descida e, se for recuperado, novamente na subida.

Quatro efeitos que alteram a carga no cabo

1. Impacto da água. A água atinge a parte inferior e as superfícies horizontais do objeto durante a entrada. A força cresce com o quadrado da velocidade de impacto, F_{\text{slam}} = \tfrac{1}{2} \rho\, C_s A_s v_s^2, em que C_s é o coeficiente de impacto da água (pelo menos 3 para cilindros circulares lisos e 5 nos demais casos, no método simplificado) e A_s é a área que atinge a água. É uma força breve e intensa, muitas vezes determinante para a verificação estrutural da carga útil e do aparelhamento.
2. Arrasto. A água resiste ao movimento do objeto em seu interior. A força cresce com o quadrado da velocidade relativa, F_D = \tfrac{1}{2} \rho\, C_D A_p v_r^2, em que A_p é a área vista por baixo; em uma carga útil grande e plana, essa força pode superar o peso na água.
3. Empuxo variável. À medida que o objeto submerge, o empuxo retira parte de seu peso do cabo, e cada onda que passa altera o volume submerso e, com ele, a carga no cabo, F_\rho = \rho\, \delta V g.
4. Massa adicionada. A água ao redor do objeto precisa acelerar junto com ele, aumentando sua inércia durante a submersão. Com o movimento da ponta da grua e das ondas, isso acrescenta uma força proporcional à aceleração relativa.

A importância do empuxo depende da carga útil. Uma estrutura de aço densa conserva a maior parte de seu peso na água; um objeto leve em relação ao seu volume, como uma tampa de GRP ou um módulo com tanques grandes, perde grande parte dele (cerca da metade no caso de GRP maciço), enquanto sua grande área recebe a ação das ondas (Figura 1). Nosso artigo sobre içamentos submarinos apresenta o cálculo do arrasto e da massa adicionada com valores numéricos.

Lingadas frouxas e cargas de impacto

Se o empuxo e as forças ascendentes das ondas superarem o peso do objeto, as lingadas ficam frouxas. Quando voltam a tensionar instantes depois, o cabo recebe uma carga de impacto, muitas vezes bem acima do peso estático. O método simplificado da DNV-RP-N103 combina os quatro efeitos em uma única força hidrodinâmica característica, F_{\text{hyd}}, e estabelece um critério para evitar folga nas lingadas:

e, quando não é possível descartar a folga nas lingadas, calcula a carga de impacto a partir da velocidade no instante da retomada da tensão, da rigidez do sistema de içamento e da massa do objeto com sua massa adicionada:

O que muda com um compensador de heave

Instalado em linha entre o gancho e as lingadas, um compensador passivo de heave torna o sistema de içamento mais flexível. Sua mola a gás absorve o movimento da ponta da grua como curso, em vez de transmiti-lo às lingadas. Assim, elimina a parcela do movimento do objeto em relação à água causada pela grua; o movimento da própria água permanece. O arrasto e a força de massa adicionada diminuem, e a menor rigidez K reduz a carga de impacto na fórmula acima. Dimensionado para o caso, o compensador mantém as lingadas tensionadas.

Há três limites a considerar. O compensador não pode esgotar o curso durante a travessia, ou os picos de carga retornam. O peso do objeto sustentado pelo cabo diminui à medida que ele submerge, deslocando o equilíbrio do compensador; por isso, verifica-se o curso disponível em cada etapa da travessia. Além disso, um sistema flexível tem um período natural longo: ele isola a carga apenas de ondas com períodos bem mais curtos e amplifica o movimento próximo desse período. Por isso, o modelo de içamento verifica o ajuste em relação aos períodos das ondas durante a operação.

Uma unidade de compensação passiva adaptativa, como a ANTARES pode mudar para uma configuração mais rígida e com maior amortecimento durante a travessia, de modo que a mudança de peso e as cargas das ondas consumam menos curso, e voltar a uma configuração mais flexível abaixo dessa região.

Caso: uma tampa de GRP de 35 t com Hs 1.8 m

Em nosso estudo no CONSTELLATION CS-2026-004, uma tampa de proteção de plástico reforçado com fibra de vidro, de 35 t, é baixada de uma embarcação de construção através da superfície com Hs 1.8 m e Tp 7.5 s. A tampa pertence a uma classe difícil de cargas úteis: é uma casca grande e fina, leve para seu tamanho, que pode ser erguida pelas ondas na entrada na água. A mesma carga útil, condições de mar, aparelhamento e oito realizações de ondas foram simulados com aparelhamento rígido e com um RIGEL 75 t / 4.5 m.

Nas oito simulações, o DAF variou de 3.41 a 5.38 com aparelhamento rígido e de 1.15 a 1.91 com RIGEL; o curso utilizado na extremidade determinante variou de 83 a 98 %. O índice de carga de impacto é a queda da tensão no cabo abaixo do peso na água, como fração desse peso: em 1.00, as lingadas ficam frouxas, e seu limite de 0.90 é o critério de folga nas lingadas da DNV-RP-N103 aplicado às tensões simuladas. Os limites de triagem de DAF e curso são referências deste estudo, não limites da DNV.

As simulações com compensação atenderam aos quatro critérios de resposta em todas as realizações. O curso foi o fator limitante: em quatro das oito realizações, foi utilizado mais de 90 % do curso em direção à extremidade determinante (retração), chegando a 98.4 %, sem atingir o batente. Portanto, o ajuste precisaria ser revisto antes de um içamento real. Com Hs 2.0 m, nenhum ajuste testado atendeu aos quatro critérios. Leia o estudo da tampa de GRP →

Planejamento da travessia

1. Avalie as condições de mar. Simule a travessia para as alturas, os períodos e as direções de incidência das ondas previstos para a operação, incluindo o movimento da embarcação na ponta da grua. O resultado é um envelope operacional; uma janela meteorológica exige que a previsão permaneça dentro dele durante toda a operação.
2. Escolha a velocidade de travessia. Uma descida mais rápida reduz o tempo na zona, mas aumenta a velocidade de impacto e a força de impacto da água. DNV-RP-N103: no método simplificado, a velocidade típica do gancho é de 0.5 m/s; nosso caso foi baixado a 0.16 m/s.
3. Verifique os dois extremos da tensão. A tensão mínima determina se as lingadas ficam frouxas; o pico de carga determina se a grua, o cabo e o aparelhamento suportam o esforço. Uma verificação não substitui a outra.
4. Confirme em uma análise no domínio do tempo. Um modelo no domínio do tempo que inclua as ondas, a embarcação, a grua e o aparelhamento, a hidrodinâmica do objeto e o compensador fornece as tensões, os movimentos e o curso para a verificação final. CONSTELLATION executa a análise com e sem o compensador.