Hidrostática de Navios

Transcrição

1 Capítulo 7 Flutuabilidade e Estabilidade em Avaria

2 Subdivisão - 1 Todos os tipos de navios e embarcações estão sujeitos ao risco de se afundarem se perderem a sua estanqueidade devido a colisão, encalhe ou acidente interno (explosão, por exemplo). Estes acontecimentos são suficientemente frequentes para que seja necessário tomar medidas para proteger o navio contra os efeitos de alagamentos acidentais. O método mais eficaz de protecção contra este problema consiste na subdivisão do espaço interno do navio por meio de: Anteparas transversais. Anteparas longitudinais. Duplos-fundos ou pavimentos estanques. A utilização de subdivisão estanque em navios era já feita na China no século XIII e é hoje utilizado na generalidade dos navios e embarcações.

3 Subdivisão 2 Navio porta-contentores Porta-helicópteros Navio ro-ro

4 Subdivisão - 3 No final do século XIX as sociedades classificadoras estabeleceram regras empíricas para a instalação de anteparas em navios mercantes (surgem os piques tanques de ré e vante, espaços de máquinas e espaços de carga). O interesse nesta área foi constante durante todo o final do século XIX e princípio do século XX, estimulado por acidentes como o do Titanic. Dessa tragédia resultou a convocação de uma Conferência Internacional sobre a Salvaguarda da Vida Humana no Mar (SOLAS) que decorreu em Londres em Nesta conferência foi adoptado um método de projecto da subdivisão que era uma síntese das propostas de várias nações, mas nunca entrou em uso devido à Grande Guerra e devido à oposição de vários interesses. Em anos subsequentes reuniram-se várias conferências SOLAS que têm vindo a aprovar critérios de subdivisão e estabilidade em avaria.

5 Subdivisão - 4 Os requisitos incidindo sobre a flutuabilidade e estabilidade em avaria são especialmente rigorosos no que se refere aos navios militares. No caso destes navios, espera-se que a subdivisão permita não só permanecer a flutuar, mas também manter a mobilidade. Mesmo em caso de avaria (alagamento) espera-se que um navio militar não perca totalmente a sua mobilidade por efeito da sobreimersão, adorno e/ou caimento. Espera-se também que o navio mantenha a sua manobrabilidade intacta após alagamento, desde que o sistema de manobra se mantenha intacto. Estas qualidades náuticas dependem contudo da imersão do navio, ângulo de adornamento e do caimento do navio, os quais devem ser minimizados após avaria por meio da incorporação de subdivisão.

6 Efeitos do Alagamento - 1 As principais consequências de um alagamento podem ser: Alteração da imersão, de modo a que o volume da parte não danificada do navio equilibre o deslocamento do navio antes da avaria menos o peso de eventuais líquidos que se encontrem nos compartimentos alagados. Alteração do caimento, de modo a que o centro de carena da parte intacta do navio se coloque na vertical do centro de gravidade do navio. Alteração do ângulo de adornamento, se o espaço alagado é assimétrico, de modo a que o centro de carena da parte intacta do navio se coloque na vertical do centro de gravidade. Alteração da estabilidade do navio por mudança da altura do centro de carena e do raio metacêntrico. A altura do centro de carena geralmente aumenta. O raio metacêntrico pode aumentar ou diminuir.

7 Efeitos do Alagamento - 2 Diminuição do bordo-livre (sobreimersão) Adornamento Caimento

8 Efeitos do Alagamento - 3 Outros efeitos do alagamento podem ser: Diminuição da altura metacêntrica. Diminuição dos braços de estabilidade. Surgimento de adornamento devido a alagamento assimétrico. Surgimento de um ângulo de banda devido a altura metacêntrica negativa.

9 Limitação de Avarias Os efeitos do alagamento podem provocar a submersão de aberturas não estanques no convés do navio, levando ao alagamento progressivo de compartimentos do navio inicialmente intactos. Quando o braço máximo de estabilidade e o domínio de estabilidade são adequados e a imersão de porções não estanques do navio resulte numa lenta progressão do alagamento, o afundamento do navio pode ser bastante lento. Nessas condições, medidas de controle do alagamento, como o fecho provisório do rombo, a redução do adornamento por transferência de pesos, a bombagem da água ou o fecho de portas estanques podem ser bem sucedidas no combate ao alagamento. É prática comum em navios de guerra utilizar cadernos de limitação de avarias e diagramas de efeitos do alagamento, com vista a ajudar nas tarefas de limitação de avarias.

10 Tipos de Alagamentos - 1 Pode subdividir-se os compartimentos alagados de um navio em dois tipos básicos no que diz respeito à comunicação com o mar: Compartimentos sem comunicação livre com o mar (tipo 1). Compartimentos com comunicação livre com o mar (tipo 2). Os compartimentos destas duas categorias podem ainda pertencer a uma de duas categorias no que diz respeito ao seu extremo superior: Compartimentos que são fechados no topo e que estão completamente cheios de água (tipo A). Compartimentos que são abertos no topo ou estão parcialmente cheios (Tipo B).

11 Tipos de Alagamentos - 2

12 Tipos de Alagamentos - 3 No primeiro caso, a superfície da água no compartimento não pode mudar de posição devido à presença de um pavimento estanque que limita verticalmente o compartimento. No segundo caso, nada impede que a superfície da água dentro do compartimento mude de posição como consequência da alteração da posição de equilíbrio do navio. Os alagamentos mais seguros são aqueles dos tipos 1A e 2A, pois correspondem a casos em que a progressão do alagamento foi controlada. Mais perigoso que os anteriores é um alagamento do tipo 1B devido à presença de uma superfície líquida. O alagamento mais perigoso de todos corresponde ao 2B, pois além de existir um espelho líquido a quantidade de água altera-se constantemente pois à medida que o navio muda de posição o nível interior da água acompanha o nível exterior.

13 Métodos para Calcular os Efeitos do Alagamento O cálculo dos efeitos do alagamento de um ou mais compartimentos pode ser efectuado de acordo com um dos métodos seguintes: Método do Peso Embarcado (ou da Massa Adicionada). Método da Perda de Impulsão (ou do Deslocamento Constante). No Método do Peso Embarcado a água proveniente do alagamento é tratada como um peso acrescentado (embarque de peso), devendo ter-se sempre em conta a presença de espelhos líquidos. No Método da Perda de Impulsão a água proveniente do alagamento e o próprio compartimento alagado são tratados como não pertencendo ao navio, isto é, como se esse compartimento deixasse de pertencer ao navio, originando uma perda de impulsão.

14 Métodos para Calcular os Efeitos do Alagamento Ambos os métodos podem ser aplicados ao cálculo da posição de equilíbrio do navio após um alagamento de qualquer dos tipos anteriores. Para compartimentos sem comunicação com o mar, mas alagados, é mais correcto, fisicamente, usar o método do peso embarcado, pois a quantidade de água mantém-se constante e comporta-se como pertencendo ao navio. Para determinar os efeitos de um alagamento com água aberta é mais correcto, fisicamente, utilizar o método da perda de impulsão pois a água embarcada comporta-se como não pertendo ao navio, podendo a sua quantidade variar consoante os movimentos deste.

15 Métodos para Calcular os Efeitos do Alagamento Quando o compartimento alagado não for limitado superiormente por um pavimento estanque e exista água aberta, então a quantidade de água embarcada dependerá da posição do navio. Este facto complicará a utilização do método do peso embarcadoneste caso, dado que o cálculo da massa de água adicionada deverá seguir um processo iterativo. Os métodos que seguidamente se apresentam dependem das seguintes hipóteses: O costado e as anteparas do navio que limitam o compartimento alagado são aproximadamente planas na zona vertical compreendida entre a linhas de água inicial e final. Os ângulos de inclinação transversal e longitudinal são pequenos, pelo que a teoria metacêntrica é válida. As inclinações transversal e longitudinal são independentes entre si.

16 Métodos para Calcular os Efeitos do Alagamento Nem todo o volume de um compartimento de um navio é alagável, uma vez que os compartimentos se encontram geralmente preenchidos com carga ou maquinaria. Define-se então permeabilidade (µ) de um compartimento como a percentagem do volume desse compartimento que pode ser ocupada com água. A permeabilidade varia consoante o tipo de compartimento. De forma inteiramente análoga, nem toda a área e momento de inércia da superfície de um compartimento que atravesse a linha de água se perde com o alagamento deste, pelo que se aplica aí também a permeabilidade. Pode também acontecer o ar contido num compartimento não se poder escapar deste, o que causa a formação de um espelho líquido e o aprisionamento do ar no topo do compartimento alagado, chamando-se a este fenómeno pocketing.

17 Método do Peso Embarcado - 1 O método para determinar a quantidade de água embarcada consiste em: 1. Calcular a Massa de Água Embarcada (MAE) correspondente ao volume alagável do compartimento até à linha de água original (isto é, h 0 igual a c 0 ), 2. Calcular a variação do calado c após o embarque da massa adicionada MAE sendo essa variação constituída pelas seguintes componentes: a Variação uniforme (sobreimersão): s, b Variação devida à alteração do caimento: δt, c Variação devida à alteração do adornamento: δф, 3. Considerar um nível interior de água maior que o anterior e repetir os cálculos até que se obtenha um calado c i inferior ao nível interior de água h i no compartimento. 4. Representar graficamente h em função de c e retirar desse gráfico o ponto em que h iguala c. 5. Calcular os calados, altura metacêntrica e ângulo de adornamento após o embarque da massa acrescentada correspondente ao nível de água da alínea anterior.

18 Método do Peso Embarcado - 2 Neste método o alagamento é tratado como uma massa de água embarcada no navio, pelo que o deslocamento aumenta e a posição do centro de gravidade altera-se. O método consiste em: 1. Obter a MAE (slide anterior). 2. Recalcular o deslocamento e a nova posição do centro de gravidade tendo em conta a MAE. 3. Considerar os eventuais espelhos líquidos resultantes do embarque de peso líquido. 4. Calcular a posição de equilíbrio final do navio (calados, adornamento) utilizando os métodos anteriormente expostos para o embarque de pesos a bordo de navios. 5. Se existir mais do que um compartimento alagado, a posição final do navio será resultado da soma do embarque de pesos líquidos nos vários compartimentos alagados.

19 Método da Perda de Impulsão Neste método, o compartimento alagado, ou compartimentos alagados, é tomado como uma perda de impulsão no navio (equivalente a o compartimento deixar de pertencer ao navio). O deslocamento e centro de gravidade do navio permanecem constantes. O método consiste em: 1. Calcular a nova imersão do navio após o alagamento, sem considerar o caimento ou o adornamento. 2. Recalcular a posição do centro de carena do navio, ainda sem rotações. 3. Calcular o adornamento resultante da nova posição transversal do centro de carena, tendo em conta que o centro de gravidade permanece fixo. 4. Finalmente, calcula-se o caimento resultante da nova posição longitudinal do centro de carena, tendo em conta que o centro de gravidade permanece fixo. 5. Calculam-se então os calados finais do navio.

20 Métodos de Subdivisão (1) A utilização de anteparas estanques em navios, no mundo ocidental, data do século XIX. Em 1854, o British Board of Trade criou o primeiro regulamento onde se exigia a introdução de anteparas nos navios. Em 1867, a Institution of Naval Architects recomendou que qualquer navio de passageiros pudesse flutuar com pelo menos um compartimento alagado. Em 1891, o First Bulkhead Committee recomendou que os navios de passageiros com mais de [m] deveriam poder flutuar com quaisquer dois compartimentos alagados. O mesmo comité introduziu o conceito de comprimento alagável.

21 Métodos de Subdivisão (2) Em 1912, na sequência do desastre do Titanic, o Second Bulkhead Committee recomenda que o topo das anteparas não deve localizarse abaixo da linha de água após avaria. O mesmo comité introduz o conceito de linha margem (76mm abaixo da face superior do pavimento à borda). A conferência SOLAS de 1913 introduz um sistema factorial de subdivisão que não chega a entrar em vigor. A conferência SOLAS de 1929 adopta um sistema factorial de subdivisão.

22 Métodos de Subdivisão (3) O comprimento alagável num ponto ao longo do comprimento do navio é a máxima extensão longitudinal do navio, com centro no referido ponto, que pode ser alagada de bordo a bordo, simetricamente e com uma determinada permeabilidade, sem causar imersão da linha margem e mantendo GMt positivo. Assim, se um determinado navio possui anteparas transversais que distam entre si de valor igual ou menor ao do comprimento alagável do ponto médio entre as duas anteparas então, uma avaria entre essas anteparas não levará à perda do navio nem por efeito da sobreimersão e caimento, nem por falta de estabilidade estática.

23 Métodos de Subdivisão (4) Um navio pode no entanto sofrer um abalroamento que produza um rombo que atinja dois compartimentos contíguos. O factor de subdivisão, quando menor que 1, permite ter em conta esta possibilidade. Assim, o comprimento alagável é assim simplesmente uma forma de garantir ao navio alguma capacidade para resistir a uma avaria abaixo da linha de água. É usual calcular-se a curva dos comprimentos alagáveis e estimar então a posição admissível das anteparas transversais.

24 Critérios Determinísticos de Estabilidade em Avaria (1) Até à conferência SOLAS de 1948 não existiam requisitos sobre estabilidade em avaria, somente sobre flutuabilidade. Em 1948, a Convenção SOLAS passou a integrar uma regra que exigia altura metacêntrica positiva após avaria. Em 1960, a Convenção SOLAS passou a exigir uma altura metacêntrica de pelo menos 0.05 [m] após avaria. Em 1974, a Convenção SOLAS adoptou um regulamento probabilístico que continha implícito o requisito de um braço mínimo após avaria de 0.03 [m].

25 Critérios Determinísticos de Estabilidade em Avaria (2) Em 1990, foi introduzido na SOLAS um critério de estabilidade em avaria completo (conhecido como SOLAS90), que especifica os seguintes requisitos para alagamentos envolvendo 2 ou 3 compartimentos: Domínio de estabilidade de pelo menos 15º a apartir do ângulo de equilíbrio. Reserva de estabilidade mínima de [m.rad]. Altura metacêntrica de pelo menos 0.05 [m]. Braço mínimo de 0.10 [m], incluindo o efeito do momento inclinante máximo (passageiros a um bordo, lançamento de salva-vidas, pressão do vento). Ângulo máximo de adornamento de 15º antes da equalização. Braço de estabilidade superior a 0.05 [m] e domínio de estabilidade superior a 7º nas fases intermédias do alagamento. O número de compartimentos (2 ou 3) consecutivos a alagar depende do factor de subdivisão. Em 1995, o critério acima foi tornado aplicável a navios já existentes, o que é um facto inédito na história da IMO.

26 Critérios Determinísticos de Estabilidade em Avaria (3) Em 1995 foi aberta a possiblidade de os países celebrarem acordos regionais, tendo já surgido o Acordo de Estocolmo. Este acordo aplica-se a navios ro-ro de passageiros e consiste em cumprir a SOLAS90 com uma determinada quantidade de água na coberta. Em áreas geográficas definidas:

27 Critérios Determinísticos de Estabilidade em Avaria (4) Os estados de mar representativos de cada área de mar são:

28 Critérios Determinísticos de Estabilidade em Avaria (5) Existem ainda vários outros regulamentos internacionais baseados no sistema determinístico, o quais se mostram na Tabela seguinte:

29 Métodos Probabilísticos de Subdivisão (1) Nos anos 50, reconheceu-se que a segurança de um navio só pode ser medida pela sua probabilidade de sobrevivência. Acidentes como o do Andrea Doria demonstraram que os critérios determinísticos de estabilidade em avaria continuavam a não proporcionar um nível de segurança satisfatório. Em 1961, uma análise destes revelou falhas: A fórmula para o critério de serviço, entre outras, encontrava-se desactualizada. Omitia-se o facto de a posição e a extensão da avaria serem variáveis aleatórias. Não se tomava em consideração as proporções dos navios da época, bem como a imersão, as permeabilidades e a estabilidade em avaria. Iniciou-se o estudo de um método probabilístico de subdivisão.

30 Métodos Probabilísticos de Subdivisão (2) Em 1973, foi adoptada a Resolução A.265(VIII) pela assembleia da IMO, o primeiro regulamento probabilístico de subdivisão e estabilidade em avaria de navios de passageiros. Em 1974, na conferência SOLAS, esta resolução foi tornada equivalente ao método determinístico habitual. Em 1990, foi adoptada a Resolução MSC.19(58) pelo Comité de Segurança Marítima (MSC) da IMO, que introduziu um regulamento probabilístico para navios de carga com mais de 100 [m]. A Resolução MSC.47(66) extendeu a aplicação deste regulamento a navios com mais de 80 [m]. Posteriormente, o sub-commité de Estabilidade, Linhas de Carga e Navios de Pesca (SLF) esteve a estudar a harmonização de ambos os regulamentos.

31 Fundamentos Teóricos (1) O efeito final de uma avaria num navio com uma determinada subdivisão depende de numerosos factores: Compartimento ou grupos de compartimentos afectados. Imersão e estabilidade intacta do navio. Permeabilidade dos espaços afectados. Estado-de-mar no local do acidente. Adorno inicial do navio ou alagamentos assimétricos transientes. Estes factores são complexos, interdependentes e os seus efeitos variam consoante os casos. A avaliação rigorosa da probabilidade de sobrevivência de um navio é difícil, mas passível de estimativa mediante a aplicação de um tratamento lógico.

32 Fundamentos Teóricos (2) A avaliação da probabilidade de sobrevivência de um navio inclui as seguintes probabilidades: Probabilidade de alagamento de um ou mais compartimentos contíguos. Probabilidade de que a flutuabilidade e estabilidade do navio após avaria seja suficiente para evitar o sossobramento ou adornamento excessivo do navio. A teoria das probabilidades indica que a probabilidade de sobrevivência é: ( Probabilidade de avaria Probabilidadede sobrevivên ) A = cia

33 Fundamentos Teóricos (3) Tendo calculado o Índice de Subdivisão Atingido, é necessário comparálo com o Índice de Subdivisão Requerido, R. A = i I p i s i O índice de subdivisão atingido deve ser superior ao índice de subdivisão requirido. O índice de subdivisão requerido é calculado de acordo com fórmulas empíricas relativamente simples que dependem do número de pessoas transportadas a bordo e do comprimento do navio: R = 1 L s 250 N

34 Fundamentos Teóricos (4) A probabilidade de ocorrência de avaria com uma determinada localização, extensão, penetração é calculada de acordo com o seguinte fluxograma (A.265(VIII)):

35 Fundamentos Teóricos (5) A probabilidade de sobrevivência à avaria é calculada de acordo com o seguinte fluxograma (A.265(VIII)):

36 Fundamentos Teóricos (6) O método de cálculo recorre a: Relatórios de acidentes contendo características da avaria. Relatórios de viagem contendo as condições de carga e estabilidade. Relatórios de ensaios com modelos sobre a capacidade de sobrevivência de navios em ondas. Estes dados são utilizados para determinar distribuições probabilísticas, tais como a distribuição longitudinal de avaria:

37 Resolução A.265(VIII) - Navios de Passageiros A estrutura geral é a seguinte: R e g r a R e g r a 1 R e g r a 2 R e g r a 3 R e g r a 4 R e g r a 5 R e g r a 6 R e g r a 7 R e g r a 8 T í t u l o D e f i n i ç õ e s Í n d i c e d e S u b d i v i s ã o R e q u e r i d o R e g r a s E s p e c i a i s n o q u e d i z r e s p e i t o à S u b d i v i s ã o P e r m e a b i l i d a d e s S u b d i v i s ã o e E s t a b i l i d a d e e m A v a r i a Í n d i c e d e S u b d i v i s ã o A t i n g i d o S u b d i v i s ã o L o n g i t u d i n a l e T r a n s v e r s a l C o m b i n a d a I n f o r m a ç ã o s o b r e E s t a b i l i d a d e O índice de subdivisão requerido é dado por: R = 1 L N + 4 A probabilidade de ocorrer uma determinada avaria é dada por: l p = W λ e de outro modo p = W. 1, 072 l. λ 2 0, 086 6, l. para λ A probabilidade de sobrevivência à avaria é dada por: s i l λ igual F 1 tan θ = R S B ( GM MM ) A probabilidade de os espaços interiores a uma antepara longitudinal não serem alagados é dada por: r b [ /( l / L ) ] = s B 1 a 0,24 1 / 2 ou menor

38 Resolução MSC.19(58) - Navios de Carga Seca A estrutura geral é a seguinte: R e g r a R e g r a R e g r a R e g r a R e g r a R e g r a R e g r a R e g r a R e g r a T í t u l o A p l i c a ç ã o D e f i n i ç õ e s Í n d i c e d e S u b d i v i s ã o R e q u e r i d o Í n d i c e d e S u b d i v i s ã o A t i n g i d o C á l c u l o d o F a c t o r p i C á l c u l o d o f a c t o r s i P e r m e a b i l i d a d e I n f o r m a ç ã o d e E s t a b i l i d a d e O índice de subdivisão requerído é dado por: R = ( L s A probabilidade de ocorrer uma determinada avaria é dada por: p p p p i i i i = = = = 1 F 1 ap + F ap 0. 5 A probabilidade de sobrevivência à avaria é dada por: s = C + ap q 1 ) 0. 5 ( GZ max )( range A probabilidade de os espaços acima de uma subdivisão horizontal não serem alagados é dada por: v i = H H max d d / 3 ) s e H < H m a x

39 Cálculo do Índice A segundo MSC.19(58) C Á L C U L O D O Í N D I C E D E S U B D I V I S Ã O A T I N G I D O A E x t e n s ã o L o n g i t u d i n a l d e A v a r i a ( Z o n a s ) 1 t o 1 2 t o t o 1 7 Z o n a A v a r i a d a E x t e n s ã o T r a n s v e r s a l d e A v a r i a ( Z o n a s ) I m e r s ã o P a r c i a l E x t e n s ã o p i * r i v i V e r t i c a l d e s i A i Σ A i A v a r i a p i * ( 1 - r i ) 1 - v i C o b e r t a P r i n c i p a l A n t e p a r a L o n g i t u d i n a l C o b e r t a S u p e r i o r L i n h a C e n t r o C o b e r t a P r i n c i p a l C o b e r t a S u p e r i o r A n t e p a r a C o b e r t a P r i n c i p a l L o n g i t u d i n a l C o b e r t a S u p e r i o r L i n h a C e n t r o C o b e r t a P r i n c i p a l C o b e r t a S u p e r i o r A n t e p a r a C o b e r t a P r i n c i p a l L o n g i t u d i n a l C o b e r t a S u p e r i o r L i n h a C e n t r o C o b e r t a P r i n c i p a l C o b e r t a S u p e r i o r Í n d i c e S u b d i v i s ã o A p a r a A v a r i a s d e 1 Z o n a Σ A i = t o 5 5 t o 6 A n t e p a r a C o b e r t a P r i n c i p a l L o n g i t u d i n a l C o b e r t a S u p e r i o r L i n h a C e n t r o C o b e r t a P r i n c i p a l C o b e r t a S u p e r i o r A n t e p a r a C o b e r t a P r i n c i p a l L o n g i t u d i n a l C o b e r t a S u p e r i o r L i n h a C e n t r o C o b e r t a P r i n c i p a l C o b e r t a S u p e r i o r Í n d i c e S u b d i v i s ã o A p a r a A v a r i a s d e 2 Z o n a s Σ A i = Í n d i c e S u b d i v i s ã o A p a r a A v a r i a s d e 5 Z o n a s Σ A i = Í n d i c e S u b d i v i s ã o A T o t a l Σ A i =

40 Regulamento Probabilístico Harmonizado O Sub-comité de Estabilidade, Linhas de Carga e Navios de Pescas (SLF) procedeu à harmonização dos regulamentos probabilísticos num único regulamento, dito "harmonizado". Serão removidas do texto da convenção SOLAS as referências a métodos determinísticos de cálculo da subdivisão e estabilidade em avaria de navios (método dos comprimentos alagáveis e método determinístico). Resultará assim numa nova redacção para todo o capítulo II-1 (partes A, B e B-1) da convenção SOLAS. O regulamento probabilístico harmonizado foi aprovado na 47ª sessão do SLF e, posteriormente, durante a 80ª sessão do MSC, em Maio de 2005, entrando em vigor a 1 de Janeiro de O regulamento probabilístico harmonizado é aplicável a navios de carga e passageiros com mais de 80 [m] de comprimento.