Dobrado, mas não quebrado: quebra-gelos mais leves

Renderização do quebra-gelo canadense Polar, uma das referências mais recentes da Aker Arctic. As ferramentas FEM não lineares da empresa possibilitaram o uso de aço de alta resistência comumente disponível. Imagem cortesia da Aker Arctic.

Após desenvolver a técnica há cerca de cinco anos, a Aker Arctic concluiu a pesquisa necessária para que sua nova metodologia de projeto para cascos de quebra-gelos seja aceita nas Regras Finlandesas e Suecas de Classe de Gelo. O método também foi adotado nas regras da Classe Polar de diversas Sociedades de Classe (LR, ABS, DNV).

Embora a pesquisa tenha se concentrado em embarcações que normalmente navegam no Mar Báltico, a Aker Arctic também utilizou a metodologia em muitos de seus projetos recentes de construção, incluindo, por exemplo, o novo quebra-gelo do Canadá, atualmente em construção. A inovação não é específica para nenhuma região ou carga de gelo em particular; em vez disso, estende a modelagem de chapas de aço e reforços, como armações de teia, além das propriedades elásticas que ajudam a prevenir amassados, incluindo também a plasticidade que garante que não se quebrem após a deformação.

Normalmente, fórmulas matemáticas ou cálculos lineares diretos feitos com análise de elementos finitos (MEF) consideram apenas o comportamento elástico, assumindo-se que a plasticidade do aço além do limite de escoamento segue a mesma relação linear. O comportamento elástico é bastante linear por natureza – quanto maior a pressão, mais profunda a mossa – mas a plasticidade não é, portanto, prever falhas estruturais com base na análise linear envolve fazer suposições. As margens de segurança exatas são desconhecidas.

Uma imagem representando resultados de análise FEM não linear.
Imagem cortesia da Aker Arctic. “Em termos não técnicos, calculamos a extensão do amassado após um impacto com gelo e determinamos se podemos aceitar isso”, afirma Juuso Lindroos, Líder de Equipe de Projeto Estrutural da Aker Arctic. “Isso nos permite identificar o que precisa de reforço e o que não precisa. Podemos identificar as partes mais fracas da estrutura e otimizar a capacidade do aço naquele ponto para garantir que uma deformação permanente ainda seja segura – dentro do seu limite de plasticidade – e ainda seja segura.”

Isso permite que os projetistas simplifiquem a estrutura do casco, com menos suportes e com uma redução significativa nas travessas das estruturas primárias, diminuindo o peso do aço da embarcação. Os quebra-gelos são, portanto, mais simples em design e construção.
A Aker Arctic descobriu que é possível obter uma economia de peso de aço de 100 a 300 toneladas em um quebra-gelo típico. O navio pode transportar mais combustível ou carga, ou uma embarcação menor pode ser projetada com menor calado para águas mais rasas. E como a produção de aço emite grandes quantidades de CO2, também há benefícios ambientais.

Lindroos afirma que o ímpeto para desenvolver a nova metodologia surgiu após a experiência na construção de quebra-gelos que atendem aos requisitos da Classe Polar. Quando as regras da Classe Polar foram estabelecidas em 2006, elas resultaram em elementos primários de carga excessivamente pesados em comparação com as estruturas do casco e da estrutura, embora os navios mais antigos construídos antes do Código tivessem um histórico comprovado de segurança.

O engenheiro estrutural Ville Valtonen, da Aker Arctic, liderou um grupo que investigou o problema, que incluía Rob Hindley, da Aker Arctic, e James Bond, da ABS. Eles publicaram sua pesquisa na revista científica Marine Structures em 2020. A pesquisa documentou sua nova e robusta metodologia de avaliação e critérios de aceitação usando MEF e demonstrou que uma análise não linear fornece uma melhor compreensão do comportamento das estruturas do casco. Soluções direcionadas poderiam ser projetadas para reforçar a estrutura, em vez de adicionar aço desnecessário para atender a fórmulas simples e prescritivas.

Embora os métodos FEM lineares sejam simples e amplamente utilizados, eles não conseguem prever o que acontece além do escoamento, incluindo o comportamento pós-flambagem e se o modo de falha será gradual ou repentino. O método não linear pode prever esse comportamento com precisão, mas requer mais parâmetros e fórmulas para a modelagem do material.

Deformação permanente de uma estrutura após a carga de projeto ter sido aplicada e removida.
Imagem cortesia da Aker Arctic

É um processo mais trabalhoso do que a análise elástica linear, mas a economia de custos e outros benefícios, como a facilidade de reparo, compensam o trabalho extra, diz Lindroos, principalmente para embarcações de alta classe de gelo.

A Aker Arctic comparou os resultados dos cálculos não lineares com casos reais de danos causados pelo gelo. As cargas de falha calculadas e a forma como uma estrutura falha estão muito próximas dos danos observados, o que nos dá confiança na precisão e confiabilidade do método. "Não perdemos nada do ponto de vista da segurança. Ter mais confiança na modelagem de falhas significa que podemos mitigar os riscos."

É geralmente aceito que pequenas deformações locais no revestimento do casco são aceitáveis, desde que haja margem suficiente contra outros modos de falha mais graves, como ruptura ou flambagem das estruturas das placas. Uma avaliação precisa da estrutura, tanto antes quanto depois do escoamento, permite uma conexão direta entre os critérios de análise e o resultado desejado, ou seja, que as deformações permanentes decorrentes da navegação no gelo em serviço normal permaneçam pequenas e que a estrutura tenha capacidade de reserva suficiente para garantir um comportamento seguro em cenários de sobrecarga acidental.

O primeiro projeto de embarcação desenvolvido utilizando a nova metodologia foi o quebra-gelo de escolta Aker ARC 130 S para o Mar Báltico, para a Administração Marítima Sueca. O Lloyd's Register avaliou e aprovou a metodologia neste caso. O processo de aquisição está em andamento.

O quebra-gelo Polar canadense é uma das referências mais recentes da Aker Arctic. As ferramentas FEM não lineares da Aker Arctic possibilitaram o uso de aço de alta resistência comumente disponível. Sem essa economia, seria necessário o uso de aço de alta resistência adicional, mais difícil de adquirir e soldar. Medindo 158 metros de comprimento e 28 metros de largura, o navio Polar Classe 2 foi projetado para operar de forma autossuficiente no Alto Ártico durante todo o ano. Ele poderá operar mais ao norte, em condições de gelo mais difíceis e por períodos mais longos do que qualquer quebra-gelo no Canadá até o momento.

Enquanto isso, um novo rascunho da regra finlandesa-sueca foi elaborado com base nos resultados da pesquisa da Aker Arctic e distribuído entre as sociedades classificadoras e o Painel de Cascos da Associação Internacional de Sociedades Classificadoras. Após receber comentários, a regra foi finalizada e deverá ser adotada na próxima versão das Regras Finlandesas-Suecas para Classes de Gelo como alternativa ao método prescritivo atual.

Com esse trabalho concluído, a Aker Arctic continua sua pesquisa. Este ano, Valtonen publicou outro estudo utilizando a metodologia não linear para examinar como o formato do casco influencia as cargas de gelo. O formato do casco é um fator importante para quebra-gelos, pois a força máxima de quebra do gelo depende do formato do casco no local de contato. O estudo refinou as cargas de gelo projetadas para otimizar a estrutura do casco, aumentar a capacidade de carga e reduzir custos. Espera-se que ele aprimore os padrões de projeto de navios quebra-gelo, incluindo as regras da Classe Polar e as Regras Finlandesas e Suecas para a Classe de Gelo.

Renderização do novo projeto de quebra-gelo sueco para o qual a Aker Arctic forneceu análise FEM não linear.
Imagem cortesia da Aker Arctic