Projeto Vertical Conceitual e detalhado

Transcrição

1 ESCOLA POLITÉCNICA DA USP Msc. Msc. ARGONÁUTICA ENGENHARIA E PESQUISAS AGOSTO 2014

2 Introdução Garantir que as embarcações de projeto possam entrar e deixar o porto de forma segura com relação ao toque no fundo; Definição da profundidade do canal deve considerar cenários futuros (10, 20 anos) evolução do porte das embarcações; A profundidade é uma solução de compromisso entre eficiência e custo; Estimativas muito conservadoras: altos custos de dragagem na criação e manutenção do canal. Dragagem Ex. Suape: Canal de acesso aprox. 6km Aprofundar 1m aprox m³

3 Introdução Conceitual x Detalhado -Rápida -Poucos dados de entrada -Fases iniciais de projeto -Avaliações determinísticas -Estimativas conservadoras -Grande número de alternativas avaliadas -Complexo -Específico para poucas configurações -Fases avançadas de projeto -Análises estatísticas das condições ambientais -Permite a ampliação da janela de operação com base nas condições ambientais

4 Dimensionamento O projeto do canal considera: variações do nível médio, navio de projeto e fundo. Maré: efeitos astronômicos e metereológicos, mudanças climáticas. Marés variam no tempo e espaço Nível de referência: deve ser compatibilizado para as medições de maré e batimetria. (CD, NCD, PCD, MSL, LAT etc.)

5 Fatores do navio Calado médio: calado máximo do navio de projeto Calado estático Trim e banda estáticos: 0.5 de trim produz uma elevação/afundamento na proa de 1.30m para um navio de 300m OBS: esse fatores somente envolvem toque no fundo, não consideram margens de manobra

6 Fatores do navio Incertezas do calado estático: medido no porto de partida na densidade na água local e com efeito de ondas ao redor das marcas, influência da condição de carregamento. Variações da densidade da água: mais expressivo para embarcações que navegam em rios e mar. (O aumento do calado em água doce é cerca de 2%) Folga bruta sob a quilha Squat e trim dinâmico: afundamento da embarcação causado tanto por translação quanto rotação devido à velocidade de avanço e iteração com o fundo e taludes do canal. Adernamento dinâmico (heel): inclinação da embarcação durante manobras ou sob a ação do vento Resposta em ondas: movimento em pontos da quilha, leme ou propulsor. Folga líquida: última margem de segurança, que pode variar de 0.5m a 1.0 m dependendo da severidade do toque no fundo OBS: esse fatores somente envolvem toque no fundo, não consideram margens de manobra

7 Margem de manobra De forma independente ao risco de toque de fundo a mínima margem de manobra deve ser garantida. Abrigo da região Utilização de rebocadores Folga sob a quilha Tipo de navio Dimensões do canal e alinhamento Tráfego (uma via ou duas vias) Projeto Detalhado Nível 1: Adota Valores típicos: 5% do calado ou 0.6m condição genérica 0.5m locais com atuação de rebocadores e abrigados Projeto Detalhado Nível 2: emprego de simulações computacionais (fast-time) combinadas ao real-time podem prover mais precisamente as margens.

8 Dragagem Dragagem contratada Profundidade nominal Fatores do fundo Tolerância para incertezas do fundo: incertezas devido a campanha batimétrica, incluindo a incerteza do sensor. (Valor mínimo sugerido 0.1m) Tolerância para mudança no fundo entre dragagens: consideração no transporte de sedimentos para o fundo entre 2 dragagens sucessivas, deve estar acrescida da profundidade nominal do canal. (valor mínimo sugerido de 0.2m ou 1%) Tolerância da execução da dragagem: garantir que apesar das imperfeições do fundo dragado o nível nominal seja atingido. (valor mínimo entre 0.2 e 0.5m dependendo do fundo e tipo de draga) Nível de referência Batimetria nova Precisão batimetria Tolerância execução Entre dragagens

9 Folgas superiores São folgas superiores acima da linha d água em relação a obras como pontes, cabos de alta tensão etc. Os valores de H st dependem da condição de carregamento da embarcação sendo que a folga no ar deve sempre ser positiva considerando as piores condições. Principal dificuldade: obtenção dos dados de Hkt Altura do ponto mais elevado da embarcação em relação à linha d água

10 Projeto conceitual Estimativa bastante simples utilizando poucos dados de entrada Fatores do navio (squat, movimento em ondas, trim e banda estáticos etc.) são combinados num único fator.

11 Projeto detalhado Utilização de métodos empíricos ou numéricos e/ou modelos em escala reduzida. Servem como subsídio para o projeto probabilístico. Fatores do nível d água: um modelo para previsão de maré que considere o efeito do canal podem ser necessários se a profundidade e geometria se alterar consideravelmente. Squat: Diversas fórmulas (necessário verificar a faixa de validade); Em estimativas mais refinadas utilizam-se ensaios físicos ou modelos numéricos, principalmente embarcações novas; Fatores do navio: Movimento em ondas: Adernamento dinâmico: Heave, roll e pitch Deve considerar a onda limite de operação, não o evento extremo ambiental Efeito do vento Guinadas

12 Squat - definições Tipos de canal: Fórmulas PIANC: Métodos numéricos: - Modelo de corpo esbelto - Método de elementos de contorno - CFD

13 Regressões Squat(Projeto - Comparação conceitual) Regressões: parâmetros globais da embarcação ICORELS Dados: -Deslocamento do navio -Lpp, Boca e calado -Profundidade do canal -Velocidade de navegação YOSHIMURA Dados: -Deslocamento do navio -Lpp, Boca e calado -Profundidade do canal -Velocidade de navegação

14 Regressões Squat(Projeto - Comparação conceitual) ANKUDINOV Regressões: parâmetros globais da embarcação Dados: -Deslocamento do navio -Lpp, Boca e calado -Profundidade do canal -Velocidade de navegação

15 Método de Rankine Escoamento potencial Malha do casco do navio detalhada Efeitos 3D considerados Método de painéis -150 Squat - Comparação Método 10 numérico Método das imagens Vs

16 Squat (m) Exemplo: Resultados VLCC Deslocamento: ton Lpp=333m Boca=58m Calado=23m Canal irrestrito (somente iteração com o fundo) h_t=1.2 - ICORELS h_t=1.2 - Rankine h_t=1.2 - YOSHIMURA h_t=1.2 - ANKUDINOV Velocidade (nós) h/t=1.2 Velocidade (nós) Icorels Yoshimura Rankine Ankudinov Ico % 4.19% % 30.42% % 3.75% % 30.20% % 3.56% % 30.03% % 3.34% % 29.81% % 3.10% % 29.55% % 2.83% % 29.25% % 2.20% % 28.59% % 1.85% % 28.23% % 1.47% % 27.87% % 1.07% % 27.51% % 0.63% % 27.14% % 0.17% % 26.78% 0 Métodos mais detalhados Afundamento da embarcação Calado Operacional

17 Aspectos importantes Movimento em ondas Características do navio carregamento (distribuição de cargas na embarcação) calado posição do CG e inércias formas do casco Direção da onda incidente mar de proa, popa, través, bochecha Frequência de encontro (velocidade de avanço) Período das ondas UKC Pontos críticos para avaliação no fundo

18 Método trigonométrico -Lpp é metade do comprimento da onda -Boca é metade do comprimento da onda -20% heave -50% roll -50% pitch Método espanhol Fator probabilístico de ocorrência da condição extrema Fator de amplificação do movimento em função do tamanho do navio Fator de amplificação devido às condições de navegação

19 S ( ) [m 2.s] Teoria potencial Método de elementos de contorno no domínio da frequência/tempo Espectro de mar corrigido para a frequência de encontro (efeito Doppler) Máximos estatísticos tomados a partir dos momentos espectrais Cálculo dos operadores de resposta RAOs do movimento do navio -Simplificadamente pode-se assumir um Jonswap -Espectro TMA como uma forma de considerar o efeito de águas rasas Método numérico (RAO) Tp=6s Tp=8s Tp=10s Tp=12s Período (s)

20 Roll(º/m) Heave (m/m) Direção da onda incidente Pitch (º/m) Cálculos realizados para h_t=1.3 e VLCC carregado º - mar de proa 135º - mar de bochecha 90º - mar de través Altura do movimento de heave para cada metro da altura da onda incidente Período (s) Ondas de 10s º - mar de proa 135º - mar de bochecha 90º - mar de través º - mar de bochecha 180º - mar de proa 90º - mar de través Período (s) Período (s)

21 Heave (m/m) Heave (m/m) Efeito da folga sob a quilha Roll (º/m) Roll (º/m) VLCC carregado Infinito h/t=1.1 h/t=1.2 h/t=1.3 h/t=1.4 h/t= Período (s) Infinito h/t=1.1 h/t=1.2 h/t=1.3 h/t=1.4 h/t= Periodo (s) Infinito 25.3m 27.6m 29.9m 32.2m 34.5m VLCC leve Infinito h/t=1.1 h/t=1.2 h/t=1.3 h/t=1.4 h/t= Período (s) Período (s)

22 Existem 3 circunstâncias típicas: - Head/bow quartering seas Velocidade de avanço Navio enxerga as ondas com período menor e os períodos naturais do navio são maiores pelo menor ukc - Beam seas Navio enxerga as ondas com o mesmo período mas os movimentos são amplificados pela direção de incidência. - Following seas - Pode ser uma condição bastante crítica devido tanto aos movimentos quanto governabilidade: surfing (perda de velocidade relativa no leme) quanto broaching (amplificação dinâmica da resposta em função da celeridade das ondas, velocidade do navio e direção de incidência) - Dependendo das ondas incidentes no navio pode-se ter três percepções sobre as ondas: o navio avança mais devagar que a velocidade de grupo das ondas; o navio avança entre a velocidade de grupo e a celeridade; o navio avança mais rápido que a celeridade

23 Heave (m/m) Velocidade de avanço A frequência das ondas que o navio enxerga depende da velocidade do navio, do período da onda e da incidência 180º 135º 5 nós 10 nós 5 nós 10 nós T(s) Te(s) T(s) Te(s) T(s) Te(s) T(s) Te(s) y º - mar de proa 135º - mar de bochecha 90º - mar de través Mar x Período (s) Ex: Uma onda de 15s de período que incide de proa é enxergada pelo navio a navegando a 5 nós como se tivesse 13.5s e 12.3s se a velocidade fosse 10 nós. A mesma onda incidindo de bochecha pela proa seria vista como 13.92s a 5 nós e 12.98s a 10 nós

24 VLCC carregado em profundidade infinita - 0, 5 e 10 nós - Mares de proa com Tp=10, 15 e 20s Tp=10s Tp=15s Tp=20s 0 nós 5 nós 10 nós 0 nós 5 nós 10 nós 0 nós 5 nós 10 nós HEAVE (m) PITCH (º) AFUNDAMENTO MÁXIMO (m) % % % % -2.09% -5.44% Ponto do fundo com maiores movimentos verticais - Velocidade de 7 nós Exemplo 1: Efeito do período e velocidade de avanço em mar de proa Exemplo 2: Comparação das estimativas - Mar de proa e través, Tp=10s e Hs=1.5m - h/t=1.3 Afundamento máximo (m) Trigonométrico Japonês Espanhol RAO Proa Través A utilização de um método numérico na etapa detalhada permite maior precisão no cálculo dos movimentos, evitando valores excessivamente conservadores.

25 Estudo de caso Terminal de Ubu Determinar sob os critérios da ABNT atual e PIANC qual o calado máximo de entrada e saída no porto para as condições ambientais monitoradas de onda, corrente e maré. Embarcações do tipo Capesize Registro das embarcações que entraram entre 2012 e 2014 que utilizaram a maré.

26 Estudo de caso Critério da ABNT atual Contribuição de squat, trim e movimento em ondas, adotando uma folga adicional em função do tipo do fundo (lama, arenoso, rochas) Obrigatório manter uma folga mínima de 10% independente dos agentes ambientais atuantes e/ou uso de rebocadores.

27 Estudo de caso Para cada ano foram comparados os calados praticados com os valores máximos permitidos pela PIANC e ABNT ( ) 2012 Velocidade (nós) Critério ABNT-NBR PIANC % 1 98,63% % 1 98,63% 1 - Em todos os casos a limitação ocorre devido aos 10% do calado requeridos e não pela condição ambiental Utilização dos fatores ambientais: -Maior segurança -Maior eficiência

28 Estudo de caso Medições Praticado 5 nós 7 nós ABNT-NBR PIANC ABNT-NBR PIANC Calado médio (m) 17,74 18,07 19,05 18,07 18,87 Calado máximo (m) 18,22 18,76 19,89 18,76 19,72 Calado mínimo (m) 16,48 17,11 17,41 17,11 17,24 Carga adicional (MT) Ganho médio de carga 1,94% 7,59% 1,94% 6,58%

29 Administração do Complexo Portuário de Tubarão e Praia Mole Calado dinâmico Utilização das condições ambientais monitoradas e previsões para definição de janelas de operação -Mais segurança -Mais eficiência

30 - Verificar níveis aceitáveis de risco; Calado dinâmico Consideração racional das condições ambientais - A probabilidade de toque no fundo é feita de forma estatística e não aditiva; Ex: Qual a probabilidade da navegação ocorrer com squat máximo de forma simultânea com uma onda crítica no ponto de menor profundidade do canal? DUCK -Exemplos de softwares: CADET Underkeel ReDraft