PROPOSTA DE DESENVOLVIMENTO DE UM TANQUE DE ONDAS DIDÁTICO

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1 PROPOSTA DE DESENVOLVIMENTO DE UM TANQUE DE ONDAS DIDÁTICO Anna Louise Voigt Universidade Federal de Santa Catarina, Centro de Engenharias da Mobilidade Rua Presidente Prudente de Moraes, Joinville SC Tiago Vieira da Cunha tvc@joinville.ufsc.br Universidade Federal de Santa Catarina, Centro de Engenharias da Mobilidade Rua Presidente Prudente de Moraes, Joinville SC Resumo: Na construção naval é necessária a realização de ensaios para a validação e experimentação dos projetos. A construção de um modelo em escala para os testes é custosa, logo, utiliza-se um modelo reduzido. Esse modelo é testado em tanques onde as ondas são produzidas na mesma escala do modelo e de acordo com as condições do ambiente no qual ele será utilizado. Este trabalho propõe o projeto e desenvolvimento de um tanque de ondas didático de dimensões reduzidas. De posse deste dispositivo almeja-se a introdução de conceitos de engenharia naval como estabilidade de embarcação, linha d água, calado, deslocamento, dentre outros. O projeto do tanque proposto está dividido em etapas, de acordo com os seus sistemas: estrutura, reboque, gerador e absorvedor de ondas. Palavras-chave: Tanque de ondas, Engenharia Naval. 1. INTRODUÇÃO A zona costeira do Brasil é uma das mais extensas do mundo, com aproximadamente 8.500km. Inclui ainda a faixa marítima com 12 milhas náuticas de mar territorial. Segundo o Ministério do Meio Ambiente (2013), a Zona Marinha tem início na região costeira e compreende a plataforma continental marinha e a Zona Econômica Exclusiva brasileira, que se alonga até 200 milhas da costa. Depois de um longo período de estagnação, na última década houve uma retomada agressiva dos investimentos no setor de construção naval, que gerou um aumento da demanda e, consequentemente, da capacidade produtiva. O crescimento se deve principalmente ao aumento das atividades petrolíferas offshore, que trouxe a necessidade de novas embarcações para esse mercado (DORES, 2013). Incentivos à indústria nacional por parte do governo como a regulamentação do transporte aquaviário, garantindo preferência às empresas de bandeira brasileira nas contratações de fretes e serviços de apoio em operações portuárias e marítimas (lei 9.432/1997 e resolução antaq 495/2005) impulsionando o crescimento e desenvolvimento do setor.

2 Devido a essa crescente demanda no setor naval, surge a necessidade de que engenheiros bem como de pesquisadores nessa área sejam formados. A universidade tem um papel fundamental nessa formação. Diante disso a Universidade Federal de Santa Catarina instalou em 2009 novos campi, dentre eles o de Joinville. O Campus Joinville contempla atualmente o Centro de Engenharia da Mobilidade (CEM), constituído por sete cursos distintos, dentre ela a Engenharia Naval (UFSC, 2009). Na área de engenharia naval é constante a necessidade de ensaios para a validação e experimentação dos projetos. A construção de um modelo em escala para os testes é muito onerosa, fazendo com que se busquem outros meios para a validação. Como alternativa utiliza-se, portanto, um modelo reduzido, que é testado em tanques onde as ondas são produzidas na mesma escala do modelo. Os parâmetros das ondas são controlados de forma a reproduzir as condições reais do mar, no qual as embarcações serão submetidas. A importância da utilização de tanques de ondas se deve também a dificuldade de obtenção de resultados analíticos dos esforços que sucedem sobre as estruturas (SOUZA, 2003). O maior tanque de ondas da América Latina se encontra no Brasil, no IPT (Instituto de Pesquisas Tecnológicas), com 280 metros de comprimento. Já o Tanque de Provas Didático I do Departamento de Engenharia Naval e Oceânica da Escola Politécnica da USP, possui 25 metros de comprimento, 1 metro de largura e 1 metro de profundidade. O croqui deste tanque pode ser visto na Figura 1. Figura 1 Croqui do Tanque de Provas Didático I (MICHIMA, 2007). A abordagem de conceitos específicos da área naval é de fundamental importância na introdução às disciplinas específicas. Para a melhor visualização e entendimento dos conceitos, este trabalho propõe o projeto e desenvolvimento de um tanque de ondas didático de dimensões reduzidas. De posse de um dispositivo como este, que possibilitará a observação das ondas e, a interação destas com um modelo de embarcação em escala, poderão ser abordados assuntos como frequência e amplitude, além dos conceitos de hidrodinâmica. Mesmo que não podendo ser realizada a devidas correlações de escala, também podem ser trabalhados conceitos como estabilidade de embarcação, linha d água, calado, deslocamento, enfim os conceitos especificamente relacionados às embarcações. O tanque didático proposto terá dimensões de 0,25 m de altura 0,5 m de largura e 2 m de comprimento, com capacidade aproximada de 250 litros. Desta forma, os

3 levantamentos de dados realizados neste tanque e poderão ser somente abordados de forma qualitativa. Contudo, devido ao seu tamanho reduzido o mesmo poderá ser facilmente transportado para eventuais feiras, congressos, entre outras possíveis exposições. Possibilitando, inclusive, o seu emprego em atividades de extensão visando despertar, por exemplo, o interesse de estudantes do ensino médio pela Engenharia Naval. 2. DESENVOLVIMENTO O tanque de ondas didático proposto pode ser dividido em quatro sistemas: estrutura, reboque, geração e absorção de ondas (Figura 2). No desenvolvimento deste tanque cada sistema será abordado separadamente de modo a encontrar as melhores soluções para cada um deles, sejam soluções existentes, como novas propostas de dispositivos e mecanismos. As soluções escolhidas deverão atender a critérios como baixo custo, facilidade de implementação e adaptação ao espaço disponível. O desenvolvimento do tanque será realizado em etapas. Primeiramente será abordada a estrutura, e na sequencia a geração de ondas, absorção e por fim o reboque. No início da análise de cada sistema será realizado um cronograma de atividades a serem executadas com os respectivos detalhamentos. Para ajudar na escolha dos critérios e requisitos de projeto de cada sistema e, consequentemente, na escolha da melhor alternativa, buscar-se-á utilizar métodos como a matriz QFD (desdobramento da função qualidade). Na QFD podem ser relacionados os requisitos de projeto com os requisitos do produto, identificando-se, na matriz de relações, a intensidade do relacionamento entre eles por meio de símbolos. Por fim é possível identificar os itens a serem priorizados bem como seus respectivos pesos de acordo com sua importância (FERNANDES & REBELATO, 2006). Com base nos pesos indicados pela matriz QFD poder-se-á utilizar uma Matriz Morfológica, atribuindo notas para cada alternativa de solução, obtendo, assim, uma nota final de acordo com todos os parâmetros, sendo, portanto, escolhida a alternativa com a maior nota (BECKER et al., 2008). Tanque didático Sistemas Estrutura Geração Absorção Reboque Subsistemas Motriz Transmissão Atuador Gerador Praia Figura 2 Definição dos sistemas e subsistemas 2.1. Estrutura O tanque didático proposto irá utilizar uma cuba de acrílico já existente (que seria descartada) de 2 metros de comprimento e com seção transversal de 0,25 por 0,5 metros. A transparência do acrílico permitirá a melhor visualização das ondas bem como do modelo imerso a ser analisado.

4 2.2. Geração Um dos principais sistemas do tanque é o gerador de ondas, onde serão produzidas as ondas propriamente ditas. O gerador é composto por alguns subsistemas: motriz, de transmissão e o atuador. O sistema motriz é o que irá gerar a força necessária para o movimento. O sistema de transmissão irá transformar a força produzida pelo sistema motriz no movimento necessário ao atuador. Segundo Souza (2003) os mais conhecidos tipos de acionamento são os sistemas hidráulicos e os eletromecânicos. O autor menciona o sistema de acionamento como uma união do sistema motriz e de transmissão descritos no presente trabalho. Souza (2003) propõe um sistema de acionamento eletromecânico como ilustrado na Figura 3, onde a força motriz é gerada por um motor elétrico denominado servomotor. Figura 3 Sistema de acionamento (SOUZA, 2003). O atuador é o sistema que entrará em contato com a água para através do seu movimento gerar as ondas. É o componente mecânico em contato direto com a água. Em laboratórios são comumente usados apenas quatro tipos de atuadores conforme mostra a Figura 4. Figura 4 Tipos frequentes de atuadores (BHATTACHARYYA, 1978). Michima (2007), propõe em seu trabalho, uma alteração no Tanque de Provas Didático I, do atuador tipo cunha (Figura 4c) para a placa basculante (Figura 4a).

5 As alternativas acima apresentadas assim como as demais presentes na literatura serão estudadas de modo a possibilitar a sua utilização no tanque proposto. Durante a pesquisa não haverá restrições quanto à modificação e adequação destas alternativas, bem como da possibilidade de emprego de outros meios de obtenção de força motriz, transmissão da força e tipo de atuador Absorção Há diversos tipos de sistemas de absorção de ondas. O objetivo é garantir a menor influência de ondas indesejáveis, causadas por imperfeições na geração, devido às bordas laterais e pela reflexão das ondas geradas no final do tanque. O principal método de absorção dessas ondas consiste na perda de energia por dissipação (MELLO, 2006). Os absorvedores são comumente chamados de praia devido a sua configuração normalmente estendida e com a função muito semelhante a ela. Os perfis de absorvedores mais comuns são linear e parabólico (Figura 5). Outros tipos de absorvedores são estudados de modo a reduzir o espaço necessário, pois a extensão necessária destes tipos de absorvedores é relativamente grande em comparação ao comprimento do tanque o que inviabiliza os projetos. Figura 5 (a) Perfil linear e (b) parabólico, baseado em (SOUZA,2003). Como o espaço nos tanques normalmente é restrito, Souza (2003) sugere um absorvedor com dupla rampa inclinada. Este tipo de absorvedor é apresentado na Figura 6. Figura 6 Absorvedor com dupla rampa inclinada (SOUZA, 2003). O tanque proposto terá dois sistemas de absorção. Um sistema para o final do tanque, para evitar principalmente a reflexão das ondas geradas e outro para minimizar as perturbações causadas pelo atuador no início do tanque, visto que antes do atuador

6 pode haver uma quantidade de água confinada que será influenciada pelo movimento do mesmo. Para este último, a alternativa de absorção deverá ter um tamanho reduzido, como os absorvedores progressivos, compostos por um conjunto de lâminas de metal com porosidade progressivamente menor (CHAKRABARTI apud MELLO, 2006). Para ambos os sistemas de absorção, poderão ser escolhidos sistemas já existentes ou ainda o aperfeiçoamento deles, bem como o desenvolvimento de novos mecanismos de absorção Reboque O sistema denominado reboque é utilizado para movimentar o modelo a ser testado através do tanque em diversas velocidades estabelecidas, obtendo como resultado as forças longitudinais que se opõe ao movimento, chamadas resistências ao avanço (MUÑOZ, 2011). Uma das funções do reboque é calcular a potência necessária para rebocar o modelo, possibilitando o melhor dimensionamento do sistema de propulsão. O sistema de reboque deve se adaptar a largura do tanque, análogo a adaptação do absorvedor de ondas ao comprimento. Comumente é usado um carro dinamométrico (ilustrado na Figura 7), que é capaz de movimentar o modelo e fazer as medições necessárias. Para o presente trabalho, será desenvolvido um mecanismo simplificado para o reboque, com a finalidade de demonstrar a medição da resistência ao avanço e outras métricas ainda a serem definidas. Figura 7 Carro dinamométrico para ensaios de resistência (MUÑOZ, 2011). 3. CONSIDERAÇÕES FINAIS Em síntese, a proposta de desenvolvimento de um tanque de ondas de tamanho reduzido busca o desenvolver, de forma didática, nos alunos do curso de engenharia naval, conceitos pertinentes a sua área de atuação, possibilitando aos envolvidos a

7 oportunidade de propor novos dispositivos e melhorias dos já existentes. Além disso, ao ser concebido, o mesmo poderá ser utilizado em diversas atividades acadêmicas de ensino e extensão, para demonstrar determinados conceitos aos estudantes de engenharia naval, bem como aos alunos do ensino médio com o intuito de despertar neles o interesse por essa área de atuação. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS BECKER, Alcione C. et al. Metodologia para elaboração de projetos com o uso da EV e QFD: aplicação ao empreendimento CETEC-UPF. Estudos tecnológicos, v.4, n.3, p , set dezembro, CARNEIRO, Mario Luis; ESCOLA POLITÉCNICA DA UNIVERSIDADE DE SÃO PAULO, Departamento de Engenharia Mecatrônica e de Sistemas Mecânicos. Desenvolvimento de dispositivo de geração e absorção ativa de ondas para tanque de ensaios de estruturas oceânicas, Dissertação (Mestrado). DORES, P. B. das; LAGE, E. S; PROCESSI, L. D. A retomada da indústria naval brasileira. Disponível em: < lta_expressa/tipo/bndes_setorial/201210_7.html> Acesso em : 27 de mai. de 2013 FERNANDES, J.M.R.; REBELATO, M.G. Proposta de um método para integração entre QFD e FMEA. Revista Gestão e Produção, São Paulo, v.13, n.2, p , MELLO, Pedro Cardozo de; UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO, Departamento de Engenharia Naval e Oceânica. Um aparato para redução da reflexão de ondas em praia parabólica, p. Dissertação (Mestrado). MICHIMA, Paula Suemy dos Santos; ESCOLA POLITÉCNICA DA UNIVERSIDADE DE SÃO PAULO, Departamento de Engenharia Mecatrônica e de Sistemas Mecânicos. Estudo de um Absorvedor de Ondas Ativo para um Tanque Didático, Dissertação (Mestrado). MINISTÉRIO DO MEIO AMBIENTE, Zona Costeira e Marinha. Disponível em: < Acesso em: 22 de mai. de MUÑOZ, Jaime Miguel Mariano Saldarriaga; UNIVERSIDADE DE SÃO PAULO. Estudo de uma metodologia para o dimensionamento de um tanque de provas do tipo reboque, Dissertação (Mestrado). SOUZA, C.; MIROSHITA, H. Projeto, implementação e análise de um gerador de ondas. Departamento de Engenharia Naval e Oceânica, EPUSP, UFSC. Plano Político Pedagógico do Curso de Engenharia da Mobilidade. Disponível em: < Acesso em: 22 de mai. de 2013.

8 PROPOSED OF A DIDACTIC WAVES TANK S DEVELOPMENT Abstract: In shipbuilding is required testing for the validation and experimentation of projects. The construction of a scale model for testing is expensive, so it is used a scale model. This model is tested in tanks where the waves are produced at the same scale of the model and under the conditions of the environment in which it is used. This work proposes the design and development of a didactic wave tank with scale reduced. Having created a device like this on the observation of waves, could be introduced engineering concepts as stability, waterline, draft, length, and others. The tank design proposed would be divided in different steps, according to their systems: structure, tow, generator and absorber waves. Key-words: Wave Tank, Naval Engineering.