Aula 2 - Parte 1 Estabilidade Intacta

Arquitetura Naval II Parte I : Estabilidade Intacta César Salhua Área de Engenharia Naval Departamento de Engenharia Mecânica Universidade Federal de Pernambuco

Parte 1: Estabilidade Intacta 1 – Estabilidade a grandes ângulos

Características Principais da Curva de GZ

a) Re Regi gião ão Line Linear  ar  Para pequenos ângulos, até 8 º aproximadamente. A altura metacêntrica é o valor a ser Considerado para analisar a estabilidade de uma embarcação. Sabe-se que GZ = GMT f Esta é a equação de uma reta. Portanto, nesta região a curva de GZ para pequenos e grandes ângulos deve ser a mesma.

b) Imersão do convés principal Para a maioria das embarcações, este é um ponto de inflexão da curva GZ, desde o ponto de vista do projeto é um indicador importante para poder mudar os pontos de alagamento progressivo (aberturas do casco no convés) e incrementar o pontal, com o intuito de incrementar a estabilidade a grandes ângulos.

c) GZ máximo Este é o máximo braço de restauração que a embarcação pode ter num determinado ângulo de escora. O ângulo onde este braço é apresentado é de muita importância.

d) Limite de estabilidade É o ângulo de escora para o qual o braço de estabilidade é nulo.

e) Faixa de estabilidade Esta faixa representa a região entre dois ângulos de escora onde os braços GZ são nulos. f) Área da curva Esta curva representa a energia de restauração. f2

f2

 A1 



f1

Mdf

Dividindo entre o deslocamento:



 A



GZ df

f1



f2





f

GZ df

Um dos primeiros trabalhos a considerar a energia de restauração como parâmetro a ser analisado para verificar a estabilidade de embarcações foi desenvolvido por Piorrettet (1935).

Energia escorante: A1 + A3 + A4 Energia de restauração: A2 + A3+ A4

Condição minima: Energia escorante = Energia de restauração Energia de restauração  – Energia escorante = A2+A3+A4-(A1 + A3 + A4) = 0 Energia de restauração  – Energia escorante = A2-A4= 0

A2=A4

Efeito da altura metacêntrica negativa na curva GZ -Em algumas condições, a altura metacêntrica de uma embarcação é negativa, o qual produz que o momento de restauração seja negativo, portanto o braço GZ é negativo também. -Porém, a partir de um determinado ângulo de escora o momento de restauração volta a ser positivo e a embarcação volta ter estabilidade. Sendo que o ângulo de equilíbrio transversal mudou para f1, que se conhece como ângulo de “loll”. -Este efeito produz um movimento de balanço indesejável.

Formulação simplificada do navio com costados retos -Formulação que permite estudar o comportamento do braço de restauração considerando que os costados da embarcação são retos ao longo de todo seu comprimento. -Sua aplicabilidade prática é limitada devido ao fato que não muitas embarcações apresentam os costados retos ao longo de todo seu comprimento, sobre todo na proa e na popa existe mudança na forma do costado.

Exemplo considerando um GMt negátivo

2 – Critérios de Estabilidade William Froude (1868) percebeu que a estabilidade de embarcações deve ser  tratado como um fenômeno dinâmico, incluindo o efeito da onda, devido ao fato que ele observou que o balanço das embarcações aumentava quando ondas incidiam longitudinalmente sobre a embarcação (período de oscilação de pitch duas vezes o período natural de roll). Devido as complexidades envolvidas o problema foi tratado do ponto de vista estático, ou seja considerando águas calmas. Uma das primeiras iniciativas para incluir os efeitos dinâmicos, foi a consideração da energia dos momentos escorantes e restauradores propostos por Reed (1868). Porém, sempre considerando águas calmas (hidrostática).

Rahola (1939) marco uma referência na avaliação pratica da estabilidade de embarcações. Este trabalho parte da sua tese doutoral, na qual utilizou como referencia resultados oficiais de 34 casos de emborcamento, onde foram analisadas e comparadas curvas de momentos de restauração de embarcações emborcadas com as curvas de momentos de restauração com estabilidade satisfatória (existentes naquela época). De esta forma, foi capaz de estabelecer  valores mínimos para o momentos de restauração que garantissem a segurança dos navios frente ao emborcamento. O trabalho de Rahola causou grande impacto devido a que foi o primeiro estudo amplo do seu tipo e porque o método proposto foi relativamente simples de ser  aplicado na prática, ao no requerer de qualquer outro tipo de cálculo complexo uma vez conhecidas as curvas de braços de restauração. Por este motivo, muitas das regras ou recomendações de estabilidade, por  exemplo, a Convenção de Torremolinos (IMO, 1977), ainda baseiam seus critérios de avaliação de estabilidade na metodologia desenvolvida por Rahola. Estes critérios como é de esperar, não são totalmente confiáveis para as embarcações atualmente existentes, como queda evidenciado nos grandes acidentes onde a estabilidade de estes satisfazia (muitas vezes por um amplo margem) os critérios da IMO e a pesar disto emborcaram.

Durante muitos anos, as tentativas para entender e tratar o problema de emborque de embarcações em ondas tem sido esporadicamente y, em geral, sem nenhuma coordenação global por parte de autoridades. A pesar disto, muitos pesquisadores e instituições envolvidas com o avanço do conhecimento nesta área tem dado contribuições importantes, como por exemplo, Du Cane e Goodrich (1962), Oakley et. al. (1974), Hamamoto e Nomoto (1982), Umeda e Renilson (1994) entre outros. Muitos destes trabalhos tem permitido identificar analítica, numérica e/ou experimentalmente muitos fenômenos próprios do comportamento dinâmico de embarcações, para os quais, ainda hoje, existem poucos ou nenhum critério unânime de avaliação. Dentre os fenomenos que levam a perda de uma embarcação, o que mais tem atraido a atenção de pesquisadores e instituições como a Organização Marítima Internacional (IMO), a Conferencia Internacional de Tanques de Reboque (ITTC), Sociedades Classificadoras, entre outras, são os mecanismos que levam ao emborcamento, principalmente em mar de popa, pois este a condição mais desfavorável para uma embarcação.

Resolução A.167 da IMO, baseada quase integralmente no estudo de Rahola.

Critério complementar considerando momentos escorantes Durante a operação de uma embarcação é importante considerar efeitos que possam fazer com que embarcação sofra ângulos de escora, estes angulos podem comprometer a estabilidade. Dentre os efeitos que podem produzir escoras podem-se mencionar os seguintes: -Vento que atua transversalmente na superestrutura -O movimento de balanço do casco produzido pelas ondas. -As forças produzidas no casco durante as manobras. -O carregamento e descarregamento de pesos.

a) Momentos escorantes produzidos pelo vento Braço do momento escorante produzido pelo vento Braço escorante Onde:  A: Área projetada (m2 ). V: vento medio, considerar 100 nós. l: braço de momento desde a metade do calado até o centróide de áreas expostas projetada transversalmente (m).  Δ: deslocamento da embarcação (MN).

O ângulo ΦS é o ângulo de equilibrio entre o momento do vento e o momento escorante se o vento for constante e não existirem ondas.  A partir do ângulo ΦS é trazado um ângulo de 25 o com sentido negativo do eixo de angulos de escora, a partir da vertical desse ângulo é considerado o inicio de aplicação do momento escorante e de restauração.

Critério a ser adotado:

b) Momentos escorantes produzidos por levantar um peso pelo costado Braço do momento escorante pelo içamento de um peço transversalmente Braço = Onde: W : peso a ser içado a: distância transversal da linha de centro até peso no final do braço do guindaste.  Δ: deslocamento incluindo o peso a ser içado.

b) Momentos escorantes produzidos por levantar um peso pelo costado Critério a ser adotado segundo a USN (United States Navy)

c) Momento produzido durante o giro de uma embarcação durante manobras O momento devido a força centrifuga durante uma manobra de giro é obtido aproximadamente pela seguinte equação:

O braço de escora devido a o giro da embarcação: Onde: V: velocidade da embarcação (m/s). g: gravidade (m/s 2). R: raio de giro, pode a metade do diametro tactico (m). T: calado (m). KG: altura do centro de gravidade (m).

c) Momento produzido durante o giro de uma embarcação durante manobras

Critério a ser adotado:

Exemplo: Uma embarcação com deslocamento de 50MN tem um KG = 8.40m, apresenta as curvas GZ de estabilidade mostradas a seguir , as quais foram determinadas com um KG = 5.0m.

GZ(m)

Solução:

Verificar se a curva tem cumpre com os seguintes critérios:

a) Energia de restauração (estabilidade “dinâmica”)

 Área até 30º = 0.0565m*rad > 0.055m*rad  Área até

40º

= 0.1219m*rad > 0.090m*rad

Cumpre com este critério

 Área entre 30º e 40º = 0.0654m*rad > 0.030m*rad

b) Braço de restauração para Φ = 30º GZ = 0.29m > 0.20m

c) GZ máximo para um Φ > 30º GZ = 0.46m para Φ = 45º

d) Altura metacêntrica inicial deve ser > 0.15m Da curva de GZ pode-se obter a seguinte equação: GMt = 0.0045 Φ Considerado Φ = 1rad = 57.29 o GMt = 0.0045 (57.29) = 0.2578m

Cumpre com este critério

Verificar se a embarcação apresenta suficiente estabilidade transversal quando Incide sobre ela um vento de 100 nós.

Critério 1 GZs = 0.077m GZmax = 0.49m GZs0.0445

KG = 8.4m

2.1 – Critérios de Estabilidade - Regulamentações NORMAM : Normas da Autoridade Marítima Brasileira Tem regras próprias que impõem critérios mínimos que devem ser cumpridas por toda embarcação, dentro do regime aplicável, que operarão no mar brasileiro. NORMAM 01  – Embarcações para mar aberto NORMAM 02  – Embarcações para navegação interior 

IMO: International Maritime Organization É a agencia das Nações Unidas que se responsabiliza pela segurança das operações marítimas e a prevenção da poluição marinha por navios. Emite uma série de regras com critérios mínimos aplicáveis a todas as embarcações com bandeira ou que operarão em algum dos países membros da IMO.

2.1 – Critérios de Estabilidade - Regulamentações MARPOL Marpol 73/78 é uma Convenção Internacional para a Prevenção da Poluição por  Navios, criado em 1973 e alterado pelo Protocolo de 1978. ("Marpol" uma abreviação para "marine  pollution" e 73/78 é uma abreviação para os anos 1973 e 1978.) Marpol 73/78 é uma das mais importantes convenções ambientais internacionais. Ela foi criada com o intuito de minimizar a poluição dos mares , incluindo dumping de óleo e poluição de escape. Seu objeto declarado é: para preservar o meio marinho através da completa eliminação da poluição por hidrocarbonetos e outras substâncias nocivas e a minimização da descarga acidental de tais substâncias.  A Convenção MARPOL original foi assinado em 17 de fevereiro de 1973, mas não entrou em vigor. A Convenção atual é uma combinação da Convenção de 1973 e do Protocolo de 1978. Ela entrou em vigor em 02 de outubro de 1983. Em 31 de dezembro de 2005, 136 países, representando 98% da tonelagem mundial de navegação, já faziam parte da Convenção. Todos os navios embandeirados em países que são signatários da Convenção MARPOL estão sujeitos às suas necessidades, independentemente de onde eles navegam e as nações membros são responsáveis por  embarcações registradas em suas respectivas nacionalidades.

SOLAS (International Convention for the Safety of Life at Sea, 1974)  A Convenção Internacional para a Salvaguarda da Vida no Mar  (em inglês:   Safety of Life at Sea - SOLAS ) (International Convention for the Safety of Life at Sea). É o mais importante tratado sobre a segurança da marinha mercante.  A primeira versão da SOLAS foi assinada em 1914, consequência directa do acidente com o Titanic. Em 1928 foi adoptada a segunda emenda da convenção, em 1948 a terceira e em 1965 a quarta. Hoje, a SOLAS data de 1974, ano em que foi profundamente revista.  A Convenção Internacional para a Salvaguarda da Vida Humana no Mar tem por propósito estabelecer os padrões mínimos para a construção de navios, para a dotação de equipamentos de segurança e proteção, para os procedimentos de emergência e para as inspeções e emissão de certificados.

TORREMOLINOS  A Convenção Internacional de Torremolinos para a Segurança das Embarcações de Pesca, de 1977, bem como o seu Protocolo adotado pela Conferência de Torremolinos, de 1993, realizadas no âmbito da IMO — Organização Marítima Internacional, nunca entraram internacionalmente em vigor devido ao insuficiente número de ratificações por parte dos Estados signatários.

Sociedades de Classificação No setor da navegação, Sociedades Classificadoras são empresas, entidades ou organismos reconhecidos para atuarem em nome da Autoridade Marítima Brasileira na regularização, controle e certificação de embarcações nos aspectos relativos à segurança da navegação, salvaguarda da vida humana e da prevenção da poluição ambiental. As normas e procedimentos previstos na presente norma complementam os dispositivos legais em vigor, não desobrigando os utilizadores de conhecer esses dispositivos, em especial a Lei no 9537 de 11/12/97 que dispõe sobre a segurança do tráfego aquaviário (LESTA) e o Decreto no 2.596 de 18/05/98 (RLESTA). Além dos Representantes da Autoridade Marítima devidamente designados, somente as Sociedades Classificadoras formalmente reconhecidas por meio de Acordo de Reconhecimento poderão realizar, em nome da Autoridade Marítima Brasileira, as auditorias, inspeções, vistorias e emissões de certificados e demais documentos previstos nas Convenções e Códigos Internacionais das quais o país é signatário e/ou na legislação nacional aplicável.

Embarcação descrita na NORMAM e com propósito também descrito na NORMAM Embarcação descrita na NORMAM e com propósito não descrito na NORMAM

Embarcação não descrita na NORMAM

Utilizar NORMAM

Utilizar : -NORMAM -Norma IMO, SOLAS ou MARPOL -Ou Sociedade de Classificação

Utilizar : -Norma IMO -Ou Sociedade de Classificação

LEMBRAR O CRITÉRIO MAIS EXIGENTE DAS NORMAS UTILIZADAS É O QUE DEVE SER UTILIZADO!!!!

Exemplo: Empurrador fluvial Regra aplicável

Tipo de Embarcação

NORMAM 02

Rebocador/Empurrador

Função Rebocar/Empurrar  

NORMAM 02 – 2011 Existem duas possíveis opções, dependendo da região onde o rebocador irá a operar : Área 1 ou Área 2

Continuação:

Continuação:

2.2 – Condições de Carregamento  A avaliação da estabilidade deverá ser efetuada para as condições de carregamento nas quais o proprietário pretende operar a embarcação. Porém, é de boa prática avaliar todas as possíveis condições nas quais a embarcação pode estar até atingir a condição de carregamento de projeto.

Por exemplo: Embarcações de carga a) Condição de partida de porto: Carregamento máximo com 100% de consumíveis (tanques de combustível, água e comestíveis) b) Condição de chegada ao porto de destino: Carregamento máximo com 10% de consumíveis (tanques de combustível, água e comestíveis). c) Condição de peso leve: Sem carregamento e 0% de consumíveis (tanques de combustível, água e comestíveis)

Condição Leve

Chegada ao porto de destino: 100% Carga – 10% Consumíveis

Embarcações de pesca a) Condição de partida de porto: 0% do carregamento com 100% de consumíveis (tanques de combustível, água e comestíveis) b) Condição de chegada a zona de pesca: 0% do carregamento com 60% de consumíveis (tanques de combustível, água e comestíveis). c) Condição de saída da zona de pesca: 100% do carregamento com 60% de consumíveis (tanques de combustível, água e comestíveis). d) Condição de peso leve: 0% de carregamento e 0% de consumíveis (tanques de combustível, água e comestíveis) e) Condição de retorno ao porto: 100% do carregamento e 10% de consumíveis (tanques de combustível, água e comestíveis)

Condição Leve

100% Carga – 10% Consumíveis

2.3 – Efeito de superfície livre na estabilidade a grandes ângulos

MREST : Momento de restauração original MREST TOTAL : Momento Total MSL : Momento devido ao efeito da superfície livre do tanque MREST TOTAL = MREST - MSL

Braço de restauração com efeito de superfície livre:

Tanque: Efeito de superfície livre produzido pelo tanque:

Momento produzido pelo tanque:

Momento da primeira cunha:  Analogamente o momento da segunda cunha:

Momento do efeito de superfície livre:

Diminuição do braço de restauração devido ao efeito de superfície livre IT : Momento de inércia inérci a transversal do tanque em relação ao centroide cent roide da área inicial.

Tanque Esférico

Movimentação do centroide do liquido do tanque

Movimentação do centro de gravidade da embarcação

Diminuição do braço de restauração devido ao efeito da superfície livre

Efeito da superfície livre sobre a curva de restauração a grandes ângulos:

ATA DE ESTABILIDADE E TRIMADO OU FOLHETO DE TRIM E ESTABILIDADE Documento que avalia as condições de trimado e estabilidade do projeto em várias condições de carregamento.  As regras e normas de estabilidade aplicáveis devem ser utilizadas.  As características dos tanques devem ser informados, assim como a porcentagem de preenchimento.

Exemplo Catamarã de passageiros:

CA RA CTERÍSTICAS DA EMB A RCA ÇÃ O

Compartimentagem:

CRITÉRIO DE ESTAB ILIDA DE 

CONDIÇÃ O DE SA IDA DE PORTO : 100% CONSUMIVEIS 

CONDIÇÃ O DE SA IDA DE PORTO : 100% CONSUMIVEIS 

CONDIÇÃ O DE CHEGADO A O PORTO: 10% CONSUMIVEIS