Hidrostática tica de Navios Encalhe e Docagem 1
Encalhe, Docagem e Lançamento amento à Água Existem várias situações que ocorrem, ou podem ocorrer, durante a vida operacional do navio que envolvem a aplicação de forças num ou mais pontos do fundo do navio. Estas forças têm efeitos negativos na condição geral do navio, pelo que interessa estudar essas situações de modo a acautelar eventuais perigos para o navio. A primeira situação deste tipo é o encalhe do navio, acidente este bastante vulgar. A segunda situação é a docagem, uma operação periódica que deve portanto ser estudada atentamente. A terceira situação é o lançamento à água, que marca o início da vida do navio e envolve uma série de cuidados que adiante se mencionarão. 2
Definição e Efeitos do Encalhe O Encalhe de um navio ou embarcação, geralmente acidental, consiste em tocar no fundo e ficar nele preso sem flutuar. Antigamente, procedia-se ao encalhe propositado do navio, em locais apropriados, de modo a proceder à beneficiação do fundo ou por outro motivo. O encalhe traduz-se na aplicação de uma força num determinado ponto ou área do fundo do navio. Esta força, dirigida de baixo para cima, é igual, em intensidade, à diferença entre o deslocamento do navio e a sua impulsão. Pode demonstrar-se que os efeitos dessa força poderão ser: Uma variação da imersão média. Uma variação do caimento do navio. Uma variação do ângulo de adornamento. Uma subida virtual do centro de gravidade, provocando uma variação da altura metacêntrica transversal. 3
Encalhe de Navios em Fundos Rochosos 4
Encalhe de Navios em Fundos Arenosos 5
Encalhe na Vertical do Centro de Flutuação - 1 Considere-se um navio que encalha num ponto da quilha situado na vertical do centro de flutuação. No momento em que o navio encalha a sua linha de água é L 1 A 1, o deslocamento é Δ 1, o centro de gravidade situa-se em G 1 e a impulsão actua no centro de impulsão, o ponto C 1. Se a maré começar a baixar, ao fim de algum tempo a nova linha de água do navio é L 2 A 2. O deslocamento e o centro de gravidade do navio mantém-se iguais, mas os calados diminuiram a vante e a ré a um bordo e a outro, de uma quantidade c. 6
Encalhe na Vertical do Centro de Flutuação - 2 O volume da carena é agora menor do que antes de a maré baixar, sendo a diferença representada pela fatia de carena (assinalada a tracejado) compreendida entre as linhas de água inicial, L 1 A 1, e a linha de água final, L 2 A 2. O centro de impulsão, que é função da carena do navio, mudou assim de localização, encontrando-se agora em C 2. Para que permaneça em equilíbrio, o navio a flutuar com a linha de água L 2 A 2 apoia-se sobre o ponto de encalhe. Recebe nesse ponto uma reacção do fundo (R) igual ao peso de fluido compreendido na faixa de carena perdida (entre L 1 A 1 e L 2 A 2 ). 7
Encalhe na Vertical do Centro de Flutuação - 3 Para libertar o navio do encalhe seria necessário retirar de bordo um peso igual à reacção R no ponto de encalhe. Tal deve-se a que sem o peso R a bordo o navio teria um novo deslocamento, agora reduzido, que seria igual à impulsão que actua na carena até à linha de água L 2 A 2. Ou seja, o navio poderia agora flutuar livremente e, portanto, libertarse do ponto de encalhe. A reacção pode ser calculada aproximadamente usando: R c D u A reacção poderia ainda ser calculada, mais exactamente, usando o GCD para retirar os deslocamentos do navio à imersão inicial, Δ 1, e final, Δ 2, calculando-se então R por meio de: R 1 2 8
Encalhe na Vertical do Centro de Flutuação - 4 O encalhe tem também um efeito sobre a estabilidade transversal do navio. O efeito da força de encalhe R é equivalente a desembarcar um peso com o mesmo valor de R e localizado no ponto de encalhe. Uma vez que se desembarcou um peso do ponto de encalhe, o centro de gravidade do navio sobe, passando de G 1 para G 2. O centro de gravidade sobe de uma distância dada por: G G 1 2 R KG1 R 1 9
Encalhe na Vertical do Centro de Flutuação - 5 Considere-se que um navio que se encontra encalhado num determinado ponto K se inclinou a um pequeno ângulo. Pode verificar-se que a impulsão é uma força vertical com valor de onde R é a força de encalhe. R Fazendo o equilíbrio de momentos em torno de G para determinar o momento endireitante que actua no navio: M e ( R). GZ R. KG.sin M e ( R). GM.sin R. KG. sin 10
Encalhe na Vertical do Centro de Flutuação - 6 Assim, o braço endireitante é dado por: GZ ( GM R. KG ).sin R Conclui-se que: O efeito da força de encalhe é equivalente a uma subida virtual do centro de gravidade. Essa subida é por sua vez equivalente a um desembarque de um peso de magnitude R localizado na quilha. O termo entre parêntesis pode assim ser encarado como sendo uma altura metacêntrica virtual. 11
Encalhe na Vertical do Centro de Flutuação - 7 Também a posição vertical do metacentro transversal passa do ponto M 1 para o ponto M 2. Isto deve-se a que a altura do centro de carena se altera por virtude da passagem da linha de água L 1 A 1 para a linha de água L 2 A 2. Deve-se também a que o raio metacêntrico se altera na passagem da linha de água L 1 A 1 para a linha de água L 2 A 2. A altura metacêntrica transversal do navio, na linha de água L 2 A 2 é então dada por: GM 2 KM 2 KG 2 KM 2 KG 1 R. KG 1 1 R KM 2 1. KG 1 1 R 12
Encalhe num Ponto Qualquer do Fundo do Navio - 1 Suponhamos agora que um navio encalhou no fundo a uma distância transversal d t da quilha (plano de mediania) e a uma distância longitudinal d f do centro de flutuação. Após algum tempo, o nível da maré desceu uma quantidade c. Pretende-se calcular os calados finais após a descida da maré bem como a reacção no fundo. Usar-se-á, para resolver o problema o seguinte artifício: Encalha-se o navio na vertical do centro de flutuação. Translacciona-se o ponto de encalhe longitudinalmente até ao verdadeiro ponto de encalhe. Translacciona-se o ponto de encalhe transversalmente, para o ponto de encalhe real. 13
Encalhe num Ponto Qualquer do Fundo do Navio - 2 Os efeitos do encalhe num ponto qualquer do fundo são os mesmos que a desembarque de um peso igual à reacção R no ponto de encalhe. Assim, a dita reacção R tem o efeito de provocar uma diminuição uniforme da imersão e uma variação do caimento. A diminuição uniforme da imersão corresponde à passagem da linha de água L 1 A 1 para a linha de água L 2 A 2. A variação de caimento corresponde à passagem da linha de água L 2 A 2 para a linha de água L 3 A 3. Podemos também expressar essa variação de calado no ponto de encalhe como: c c s d d f f i. L u pp R R. d f d c f ci. D M L u f pp 14
Encalhe num Ponto Qualquer do Fundo do Navio - 3 Por outro lado, a variação do calado no ponto de encalhe é exactamente igual à descida da maré nesse ponto: onde c é a descida da maré. Logo, sabendo quanto é a descida da maré, conseguimos saber o valor da reacção R. Os calados do navio, após a variação do nível da maré, à qual está associada a reacção no fundo R, são: c c AVf ARf c c AVi ARi R D u R D u R R. d f d c. D M L R. d M u R. d M u f f u L pp X 2. L pp Lpp 2. L pp X f f u f pp 15
Encalhe num Ponto Qualquer do Fundo do Navio - 4 O facto de a reacção R estar aplicada a uma distância d t do plano de mediania resulta também num adornamento. Pensando a reacção R como um desembarque de um peso à distância d t da mediania, a coordenada transversal do centro de gravidade passa a ser: R. d t yg R O adornamento é dado por: y tan GM 1 R. d GM G t 3 ( 1 R). onde a altura metacêntrica é dada por: 3 GM 3 KM 3. KG 1 1 1 R 16
Desencalhe - 1 Quando um navio encalha num determinado ponto do seu fundo, haverá que tomar medidas para libertá-lo lo pois o navio fica sujeito à acção de vagas, o que rapidamente conduz a: Abertura de rombos, sobretudo no fundo, devido ao carregamento local da estrutura do navio. Poluição marinha devido à libertação de combustível, óleo lubrificante ou cargas líquidas. Deterioração global da estrutura do navio, entendido como viga-navio, podendo levá-lo lo a partir-se. Geralmente, opta-se por aguardar uma subida da maré e recorrer então ao auxílio de rebocadores. 17
Desencalhe - 2 Alternativamente, poderá proceder-se às seguintes operações: Desembarcar um peso igual à reacção R da vertical do ponto de encalhe, anulando assim a reacção no fundo do navio, que passa a flutuar livremente. Designando FR o vector horizontal desde o centro de flutuação até à abcissa do ponto de encalhe, pode-se desembarcar um peso maior do que a reacção R para lá de FR, ou um peso menor no sentido oposto, ou ambos. Movimentar um peso P de um determinado ponto do navio para outro de modo a causar uma variação de calado no ponto de encalhe que seja igual e de sinal contrário, à variação de calado devida ao encalhe. 18
Desencalhe mal sucedido 19
Docagem Docagem é uma operação periódica, às vezes forçada devido a acidente, em que o navio é introduzido numa doca-seca que é posteriormente esgotada. O navio pode também ser alado para um plano inclinado. A docagem do navio é uma operação que tem de ser realizada durante a vida operacional do navio. Destina-se a efectuar reparações e vistoria nas obras vivas do navio, as quais não podem ser efectuadas a nado. 20
Docagem 21
Docagem 22
Motivação da docagem A docagem pode efectuar-se quando: Seja necessário efectuar as inspecções associadas à renovação dos certificados de classificação. Seja necessário remover o fouling das obras vivas e proceder à posterior pintura do casco. Seja necessário efectuar reparações nos apêndices, no leme, no hélice ou na estrutura do casco, especialmente na sequência de acidentes. 23
Cuidados na Docagem Alguns cuidados a observar antes da docagem: Fazer um plano de docagem com as posições dos picadeiros, de modo a deixar desobstruídos os pontos não pintados na última docagem, tomadas de água, apêndices e zonas a reparar. O navio deve estar direito, sem adornamento e com o menor caimento possível, de preferência menos de 1% de Lpp. Todos os apêndices retrácteis devem ser retraídos. Deve determinar-se o deslocamento e posição do centro de gravidade do navio. Deve inspeccionar-se a condição de todos os tanques (sondagens). Os espelhos líquidos devem ser minimizados (tanques totalmente cheios ou vazios). 24
Plano de picadeiros Considere-se que os picadeiros se encontram na horizontal. Aquilo que anteriormente foi estudado a propósito do encalhe tem também aplicação no caso da docagem. Frequentemente a porção da quilha que assenta primeiro nos picadeiros (ponto de encalhe) é na zona do cadaste, uma vez que os navios têm frequentemente algum caimento a ré quando entram em doca. Por isso o plano de picadeiros pode ter alguma inclinação para facilitar a docagem de navios com caimento a ré. 25
Assentamento da quilha À medida que desce o nível da água na doca, a quilha do navio entra em contacto com os picadeiros. Normalmente, a zona do cadaste é a primeira a tocar nos picadeiros. O peso suportado pelos picadeiros é, em qualquer altura da docagem, a diferença entre a impulsão no momento em causa e o deslocamento do navio. À medida que a água baixa, o declive da quilha aproxima-se do declive do plano de picadeiros. 26
Fase crítica da docagem A situação crítica atinge-se quando a força de encalhe for máxima, pois essa situação corresponde à máxima subida virtual do centro de gravidade. Essa situação ocorre: imediatamente antes de a quilha do navio assentar por inteiro no plano de picadeiros Imediatamente antes de se terem colocado os picadeiros de suporte do costado ou encolamento. Por isso se chama a este estágio a fase crítica da docagem. 27
Estabilidade Tal como no caso do encalhe, a força exercida pelos picadeiros no navio tem o mesmo efeito prático que um desembarque de um peso equivalente na posição onde essa força actua. O efeito do desembarque de um peso significativo numa zona no fundo do navio é uma subida do centro de gravidade do navio. Resulta daí uma diminuição da altura metacêntrica do navio. Se o navio a nado tiver uma pequena altura metacêntrica, no decurso da docagem poderá tornar-se instável na posição direita. 28
Eventual instabilidade A eventual instabilidade ocorre entre o assentamento do cadaste e antes da colocação dos picadeiros do encolamento. Nessa situação, para evitar um adornamento do navio motivado pela altura metacêntrica negativa, é desejável fazer docar o navio com o caimento idêntico ao declive do plano de picadeiros. Deste modo, o navio irá assentar a quilha por inteiro sobre os picadeiros, permitindo que os picadeiros do encolamento e as escoras para os lados da doca possam ser colocados em posição antes que a reacção no fundo seja muito elevada e portanto, antes de ter ocorrido uma perda apreciável no GM. 29
Cálculos de docagem Assim que haja contacto com os picadeiros, parte do peso é suportado pelos picadeiros e outra parte pela impulsão. À parte suportada pelos picadeiros chamaremos P, que como visto pode ser tratada como um desembarque de peso no ponto de contacto. Esse desembarque faz subir o centro de gravidade de: GG 1 KG P P ou seja, a altura metacêntrica do navio nessa posição é (verifique): G M 1 1 KM1 KG P 30
Primeira avaliação da força de contacto Se o navio tiver caimento d a ré, em relação ao plano dos picadeiros (que pode nem ser horizontal), a fase crítica da docagem ocorre precisamente quando o navio rodou longitudinalmente para vante um ângulo correspondente a esse caimento. Esta variação do caimento resulta do momento da reacção de contacto P. O valor de P será então dado por: onde X P é o ponto de aplicação da força P. P d X Mas X F não é necessáriamente constante para toda a longa gama de calados percorrida durante a docagem... P M u X F 31
Interpolação da força de contacto Um outro método mais exacto para calcular P consite na sua interpolação gráfica: 1. Calcula-se o deslocamento e a posição do centro de gravidade do navio a nado. Recorre-se ao conhecimento dos calados do navio. Se o navio possuir caimento significativo a ré será necessário utilizar um gráfico de carenas direitas com o correspondente caimento a ré. 2. Calcula-se o momento do peso do navio em torno do ponto de contacto inicial, mas na fase crítica da docagem. Este momento é o produto entre o deslocamento e a distância horizontal desde o ponto de contacto inicial até à vertical do centro de gravidade. 32
Gráfico de docagem 3. Consideram-se várias linhas de água paralelas, todas elas inclinadas em relação à quilha com o ângulo de inclinação dos picadeiros, representando deslocamentos menores que o deslocamento inicial. Pretende-se que duas delas compreendam entre si a linha de água crítica da docagem. 4. Para cada flutuação considerada, calcula-se a impulsão e o seu momento em torno do ponto de contacto inicial. 5. Num gráfico de forças representam-se em abcissas os sucessivos calados do navio para as várias linhas de água consideradas e uma curva com as impulsões em ordenadas. Representa-se o peso do navio como uma linha horizontal. 6. Num gráfico com as mesmas linhas de água em abcissa, representa-se uma outra curva com os momentos da impulsão em ordenadas. 33
Gráfico de docagem 9. No gráfico dos momentos, representa-se o momento do peso como uma linha horizontal de cota D.(X G -X P ), em X G e X P se medem horizontalmente. 10. A intersecção das duas linhas de momentos define o calado crítico. 11. No calado crítico é clara a magnitude da força de apoio no cadaste, P, no instante em que toda a quilha assenta no plano dos picadeiros: é a diferença entre a impulsão e o deslocamento. 12. Poderá então ser calculada a altura metacêntrica na fase crítica da docagem e esclarecida a condição de estabilidade. 34