1 arquitetura naval, Notas de aula de Análise Estrutural. Universidade Federal de Pernambuco (UFPE)
gabriel_moraes
gabriel_moraes30 de Junho de 2016

1 arquitetura naval, Notas de aula de Análise Estrutural. Universidade Federal de Pernambuco (UFPE)

PDF (3.7 MB)
128 páginas
1Números de download
81Número de visitas
Descrição
Apostila de arquitetura naval da usp
20pontos
Pontos de download necessários para baixar
este documento
baixar o documento
Pré-visualização3 páginas / 128
Esta é apenas uma pré-visualização
Consulte e baixe o documento completo
Esta é apenas uma pré-visualização
Consulte e baixe o documento completo
Pré-visualização finalizada
Consulte e baixe o documento completo
Esta é apenas uma pré-visualização
Consulte e baixe o documento completo
Esta é apenas uma pré-visualização
Consulte e baixe o documento completo
Pré-visualização finalizada
Consulte e baixe o documento completo
Especialização em Engenharia Naval

ESCOLA POLITÉCNICA DA UNIVERSIDADE DE SÃO PAULO Departamento de Engenharia Naval e Oceânica

ESPECIALIZAÇÃO EM ENGENHARIA NAVAL Módulo 1: Arquitetura Naval PROF. DR. ANDRÉ LUIS CONDINO FUJARRA Material de apoio ao curso oferecido na Universidade de Pernambuco – UPE 2006

Especialização em Engenharia Naval

Módulo 1 – Arquitetura Naval

1

2 14/12/2006 Texto completo 1 28/11/2006 Texto ainda incompleto

Versão Data Observações

Apostila: ESPECIALIZAÇÃO EM ENGENHARIA NAVAL

Módulo 1: Arquitetura Naval Dept./Unidade Data Autor PNV/EPUSP 2006 Prof. Dr. André Luís Condino Fujarra

Curso oferecido pela Escola Politécnica da Universidade de São Paulo na Escola Politécnica da Universidade de Pernambuco

Especialização em Engenharia Naval

Módulo 1 – Arquitetura Naval

2

ÍNDICE

1.Introdução............................................................................................... 6

1.1 Estrutura do Curso de Especialização em Engenharia Naval........... 6

1.2 Programação do Módulo 1: Arquitetura Naval .................................. 6

2.Nomenclatura ......................................................................................... 9

3.Usos do Mar.......................................................................................... 10

3.1 Navios: sistemas para transporte no mar........................................ 10

3.1.1 Navios de carga geral .............................................................. 13

3.1.2 Navios porta containeres ......................................................... 15

3.1.3 Navios tanque.......................................................................... 19

3.1.4 Navios para Transporte de Gás Liquefeito .............................. 22

3.1.5 Navios de passageiros: cruzeiro e transporte rápido ............... 23

3.1.6 Rebocadores............................................................................ 25

3.2 Plataformas: sistemas para produção de óleo e gás no mar .......... 27

4.Geometria do Navio ............................................................................. 31

4.1 As Linhas do Casco ........................................................................ 31

4.2 Definições quanto às Formas do Casco ......................................... 35

4.2.1 Medidas Lineares..................................................................... 35

4.2.2 Coeficientes de Forma............................................................. 39

4.2.3 Velocidade Relativa ................................................................. 47

4.2.4 Proporções do Casco .............................................................. 48

4.3 Curvas Hidrostáticas ....................................................................... 50

5.Estabilidade Estática ........................................................................... 52

5.1 Altura Metacêntrica e Braço de Endireitamento.............................. 54

5.2 Ensaio de Inclinação ....................................................................... 56

Especialização em Engenharia Naval

Módulo 1 – Arquitetura Naval

3

5.3 Curva de Estabilidade Estática ....................................................... 57

5.4 Alagamento e subdivisão ................................................................ 58

6.Estabilidade Dinâmica ......................................................................... 59

6.1 Curva de Estabilidade Estática e Energia do Movimento................ 59

6.2 Sistemas para Redução do Movimento de “Roll” ............................ 61

7.Resistência ao Avanço e Potência Requerida................................... 63

7.1 Ensaios em Tanques de Provas ..................................................... 65

7.2 Séries Sistemáticas......................................................................... 68

7.3 Determinação da Potência Requerida ............................................ 69

8.Propulsão e Sistemas Auxiliares........................................................ 71

9.A Estrutura do Navio............................................................................ 75

9.1 Requisitos para a Resistência do Casco......................................... 75

9.2 Arranjos Estruturais Típicos ............................................................ 80

9.3 As Sociedades Classificadoras....................................................... 85

9.4 Modelagem Numérica ..................................................................... 85

10.Materiais para a Construção Naval..................................................... 87

10.1 Propriedades Importantes para o Processo de Seleção do Material88

10.1.1 Maleabilidade e Disponibilidade à Junções ............................. 88

10.1.2 Resistência à Tração, Compressão, Flexão e

Cisalhamento........................................................................... 88

10.1.3 Densidade................................................................................ 88

10.1.4 Resistência à Corrosão............................................................ 88

10.1.5 Outras Propriedades de Acordo com a Especificidade da

Embarcação............................................................................. 89

10.2 Materiais Não Metálicos.................................................................. 89

10.2.1 Madeiras .................................................................................. 89

10.2.2 Compósitos.............................................................................. 90

Especialização em Engenharia Naval

Módulo 1 – Arquitetura Naval

4

10.2.3 Concreto .................................................................................. 93

10.3 Materiais Metálicos ......................................................................... 94

10.3.1 Aço........................................................................................... 94

10.3.2 Ligas de Alumínio .................................................................... 95

11.Amarração e Linhas de Produção ...................................................... 97

11.1 Amarração ...................................................................................... 97

11.1.1 Máquina de supender .............................................................. 97

11.1.2 Tipos de âncoras ..................................................................... 98

11.2 Linhas de Produção (“risers” e umbilicais) ...................................... 99

12.Convenções, Normas e Regulamentos Marítimos .......................... 104

12.1 “IMO – International Maritime Organization” ................................. 104

12.2 Principais Convenções.................................................................. 105

12.2.1 Convenção de Linhas de Carga – “Load Lines”..................... 105

12.2.2 “SOLAS – International Convention for the Safety of Life at

Sea” ....................................................................................... 107

12.2.3 “MARPOL – International Convention for the Prevention of

Pollution from Ships”.............................................................. 108

12.2.4 “COLREGS – Convention on the International Regulation

for Preventing Colisions at Sea”............................................. 108

12.2.5 “STCW – International Convention on Standards of

Training, Certification and Watchkeeping for Seafarers”........ 108

12.2.6 Outras Convenções para casos mais específicos: ................ 109

12.3 Sociedades Classificadoras .......................................................... 109

12.4 Autoridade Marítima Brasileira...................................................... 110

13.Referências Bibliográficas ................................................................ 113

14.Glossário............................................................................................. 114

Especialização em Engenharia Naval

Módulo 1 – Arquitetura Naval

5

Especialização em Engenharia Naval

Módulo 1 – Arquitetura Naval

6

1. INTRODUÇÃO

1.1 Estrutura do Curso de Especialização em Engenharia Naval

O curso está organizado em 13 (treze) módulos.

Os 12 (doze) primeiros módulos são disciplinas de formação, a saber:

• Módulo 1: Arquitetura Naval;

• Módulo 2: Hidrostática;

• Módulo 3: Hidrodinâmica;

• Módulo 4: Análise Estrutural de Navios;

• Módulo 5: Sistemas de Propulsão e Auxiliares;

• Módulo 6: Análise de Projetos de Navios;

• Módulo 7: Tecnologia de Construção Naval;

• Módulo 8: Tecnologia de Fabricação, Inspeção e Controle de Corrosão;

• Módulo 9: Gestão e Planejamento do Projeto e Construção Navais;

• Módulo 10: Logística Aplicada à Construção de Navios;

• Módulo 11: Metodologia de Pesquisa;

• Módulo 12: Tecn. e Inspeção de Soldagem e END em Constr. Naval.

Após a finalização dos módulos de disciplinas, haverá um período de 30 (trinta)

dias sem atividades. Após este período será iniciado o Módulo de Orientação,

onde será desenvolvida uma monografia de conclusão de curso.

1.2 Programação do Módulo 1: Arquitetura Naval

Neste contexto, a presente apostila refere-se ao Módulo 1 – Arquitetura Naval,

cujo objetivo é familiarizar o aluno com o navio, assumindo-o como um sistema de

engenharia.

Para tanto, as atividades se iniciarão com a introdução da nomenclatura

usualmente aplicada no meio naval (e oceânico). Nesta etapa algumas

Especialização em Engenharia Naval

Módulo 1 – Arquitetura Naval

7

informações serão passadas aos alunos na forma de exposição áudio visual de

projetos, desenvolvimentos e atividades importantes no segmento. Isto facilitará a

compreensão e fixação dessas informações.

Em seguida serão introduzidas as duas utilizações mais importantes do mar,

aproveitando a oportunidade para apresentar os principais tipos de navio e

plataformas de petróleo. Aqui cabe um comentário. Embora o foco do curso seja o

navio, a título de enriquecimento do conhecimento, sempre que possível também

serão apresentadas informações acerca da engenharia oceânica.

Faz-se, então, uma apresentação da geometria do navio, discutindo elementos

que facilitem sua representação e compreensão de maneira inequívoca. Esta

etapa é fundamental para o desenvolvimento de muitos dos tópicos seguintes.

Tendo sido apresentados aspectos quanto às formas do navio, discutir-se-ão

outros relacionados com: estabilidade estática e dinâmica; resistência ao avanço;

potência requerida; sistema propulsor; sistemas auxiliares; projeto estrutural;

materiais para construção naval; sistema de amarração e fundeio; sistemas de

“offloading” e, finalmente, regulamentações impostas por órgãos oficiais e

sociedades classificadoras.

Tratando-se de um módulo introdutório, os temas aqui abordados não serão

desenvolvidos em sua plenitude, sendo reservada aos módulos subseqüentes

esta função. Isto significa que o presente texto tem a opção por uma abordagem

simples e clara, que facilite o primeiro contato do engenheiro que não tenha a

formação naval com esse novo sistema de engenharia – o navio – sobretudo de

uma forma que o motive e auxilie no aproveitamento dos conceitos e informações

a serem fornecidos nos próximos módulos.

A função do presente texto é, portanto, servir de material de apoio, indicando

tópicos e assuntos que deverão ser complementados com textos indicados na

bibliografia. Neste sentido, é importantíssima a participação ativa do aluno,

agregando por conta própria um espectro maior de informações ao seu arcabouço

de conhecimento.

Especialização em Engenharia Naval

Módulo 1 – Arquitetura Naval

8

A carga horária deste primeiro módulo será de 30 (trinta) horas-aula, de acordo

com a seguinte programação:

Data Período Horários Assunto

18:30h – 19:20h Apresentação: Professor, alunos, curso e módulo 1

19:20h – 20:10h Nomenclatura

20:10h – 21:00h Nomenclatura

30 /1

1/ 20

06

Q ui

nt a-

fe ira

N oi

te

21:00h – 21:50h Filme de Motivação

18:30h – 19:20h Usos do Mar: Navios Típicos e Plataformas

19:20h – 20:10h Geometria do Navio

20:10h – 21:00h Coeficientes de Forma

01 /1

2/ 20

06

S ex

ta -fe

ira

N oi

te

21:00h – 21:50h Curvas Hidrostáticas

08:00h – 08:50h

08:50h – 09:40h

09:40h – 10:10h M an

10:10h – 11:00h

Visita ao Navio

13:00h – 13:50h Estabilidade Estática

13:50h – 14:40h Estabilidade Dinâmica

02 /1

2/ 20

06

S áb

ad o

Ta rd

e

14:40h – 15:30h Resistência ao Avanço

Data Período Horários Assunto

18:30h – 19:20h Revisão dos Tópicos Anteriores

19:20h – 20:10h Potência Requerida

20:10h – 21:00h Propulsão do Navio

14 /1

2/ 20

06

Q ui

nt a-

fe ira

N oi

te

21:00h – 21:50h Sistemas Auxiliares

18:30h – 19:20h A Estrutura do Navio

19:20h – 20:10h Arranjo Estrutural Típico

20:10h – 21:00h Materiais de Construção Naval

15 /1

2/ 20

06

S ex

ta -fe

ira

N oi

te

21:00h – 21:50h Materiais de Construção Naval

08:00h – 08:50h Amarração e Fundeio

08:50h – 09:40h Linhas de Produção

09:40h – 10:10h Introdução ao Projeto de Navios M an

10:10h – 11:00h Exemplo de Projeto

13:00h – 13:50h Convenções, Normas e Regulamentos Marítimos

13:50h – 14:40h Autoridade Marítima Brasileira

16 /1

2/ 20

06

S áb

ad o

Ta rd

e

14:40h – 15:30h Sociedades Classificadoras

Especialização em Engenharia Naval

Módulo 1 – Arquitetura Naval

9

2. NOMENCLATURA

Como premissa para a compreensão dos temas abordados neste e em outros

textos deste curso de especialização, faz-se necessária a apresentação dos

principais termos e definições usuais no segmento de engenharia naval. Desta

forma, é estabelecido um vocabulário mínimo e preciso que proporcione aos

alunos condições de compreender os vários aspectos teóricos que serão

oferecidos e discutidos.

Neste módulo introdutório de Arquitetura Naval, esta apresentação de termos e

definições se faz com base em um conjunto mínimo disponível no glossário desta

apostila.

Obviamente, este glossário não contempla a totalidade da nomenclatura, podendo

constantemente ser aprimorado pelos professores e os próprios alunos.

Além desse glossário, outro, desenvolvido pelo Instituto Pan Americano de

Engenharia Naval, é disponibilizado na forma digital. Se por um lado esse

segundo glossário não traz descritivos e definições, de outro, apresenta uma

tabela importante de equivalência entre termos nos idiomas português, inglês e

espanhol. É importante deixar claro que em muitos casos, termos em inglês são

mais empregados que seus equivalentes em língua portuguesa e / ou espanhola.

Daí a valiosa disponibilidade deste material.

Buscando sedimentar a nomenclatura, e concomitantemente complementá-la,

parte das informações também é transferida através da apresentação de material

áudio visual contendo alguns bons exemplos de atividades e tecnologias

desenvolvidas no contexto da engenharia naval e / ou oceânica. Além deste

objetivo, conforme adiantado na introdução, este material também contribui para a

motivação dos alunos quanto aos principais tópicos a serem ministrados neste e

nos demais módulos.

Tratando-se de uma atividade menos expositiva e mais participativa, espera-se

um aproveitamento melhor por parte dos alunos, logicamente pressupondo uma

participação ativa dos mesmos.

Especialização em Engenharia Naval

Módulo 1 – Arquitetura Naval

10

3. USOS DO MAR

Com 70% da superfície da Terra coberta por águas, seguramente os oceanos

representam uma imensidão de oportunidades à produção de alimentos e

energia; à exploração de recursos minerais, principalmente hidrocarbonetos em

reservatório submarinos; e à promoção de transporte de cargas e passageiros

entre as regiões mais distantes do globo. Além dessas, há que se lembrar da

oportunidade à crescente exploração náutica esportiva e recreativa.

Portanto, tem-se também uma imensa demanda por veículos e sistemas que

permitam o aproveitamento racional dessas oportunidades. A Figura 1 ilustra as

oportunidades e alguns desses principais veículos e sistemas.

Figura 1: Oportunidades oferecidas pelos oceanos. Fonte: Moan, 2004.

A função desta seção é apresentar os diferentes sistemas desenvolvidos para a

utilização do mar, em particular navios e plataformas, identificando tecnologias e

preocupações durante o processo de pesquisa e desenvolvimento dos mesmos.

3.1 Navios: sistemas para transporte no mar

A economia moderna está intrinsecamente ligada ao transporte no mar. Cerca de

70% do comercio mundial, e 95% do transporte internacional, faz uso de navios,

visto que nenhum país é suficientemente independente a ponto de não necessitar

aporte de produtos como: combustíveis, matérias-primas, alimentos ou bens

manufaturados.

Especialização em Engenharia Naval

Módulo 1 – Arquitetura Naval

11

Obviamente, os portos são parte importante do sistema de transporte, provendo

um ponto de encontro entre os meios terrestre e aquático de movimentação de

cargas e pessoas. Além disso, equipamentos especializados para a manipulação

são altamente necessários, face à enorme quantidade de carga a ser

movimentada e a imperativa eficiência neste processo. Regiões portuárias,

portanto, têm se tornado foco de convergência para indústrias dedicadas, o que

demanda mão-de-obra especializada e, por conseqüência, acaba promovendo o

desenvolvimento de grandes cidades portuárias.

Por sua vez, o navio representa outra parte crucial do sistema de transporte no

mar, configurando-se cada vez mais como um veículo altamente especializado e

de certa forma complexo, face às grandes dimensões que vem sendo exigidas.

De uma maneira geral, os custos

de um navio dependem de sua

complexidade e do número de

unidades a serem construídas. A

Figura 2, de acordo com os níveis

europeus de construção naval,

compara o custo por massa de:

• Um navio porta containeres, de

0,2 a 0,6 Euro/kg;

• Um navio para transporte de

gás natural liquefeito, de 0,5 a

1,0 Euro/kg;

• Com os de navios para

transporte de passageiros:

rápidos ou de cruzeiro, de 1,0 a

1,5 Euro/kg, que juntamente

com os militares são os mais

caros.

Figura 2: Comparação entre os custos de alguns tipos de navios. Fonte: Moan, 2004.

Especialização em Engenharia Naval

Módulo 1 – Arquitetura Naval

12

De uma maneira geral, embarcações podem ser classificadas quanto ao tipo de

sustentação responsável por sua operação na superfície: aerostática,

hidrodinâmica e hidrostática. No primeiro grupo encontram-se as embarcações

que se sustentam sobre a superfície da água através de colchões de ar e por

essa razão são as mais velozes. O segundo grupo, por sua vez, é composto por

embarcações que se valem de efeitos hidrodinâmicos em fólios (asas) ou na

própria geometria do fundo do casco (cascos de planeio) para promover

sustentação. Também são embarcações bastante rápidas e seus representantes

mais conhecidos são as lanchas de recreio. O terceiro, e último, é o grupo no qual

se encontram as embarcações que se valem do efeito hidrostático para a

manutenção da sustentação na superfície (embarcações de deslocamento) e

seus maiores representantes são os navios. Estas embarcações exibem menores

velocidades, quando comparadas com aquelas dos demais grupos, no entanto,

permitem maiores capacidades de carga transportada.

Figura 3: Classificação das embarcações.

É neste grupo de embarcações de deslocamento que as discussões do curso

estarão concentradas, utilizando-se como elemento de estudo os navios. Para

Especialização em Engenharia Naval

Módulo 1 – Arquitetura Naval

13

tanto, antes de qualquer estudo, faz-se necessária uma classificação dos navios

quanto às várias finalidades para as quais podem ser projetados. Obviamente,

nem todos os tipos são apresentados neste texto, apenas os principais, para os

quais são discutidos aspectos da geometria e um breve histórico da evolução.

3.1.1 Navios de carga geral

Os navios de carga geral surgiram naturalmente da demanda por transporte de

cargas fracionadas. Têm como tônica a auto-suficiência, na medida em que não

demandam (ou demandam pouco) sistemas portuários para a movimentação de

carga e descarga.

No início, Figura 4 (a) e (b), tratavam-se de embarcações de pequeno porte,

caracterizadas por linhas de casco que não privilegiavam grandes capacidades de

porão e com conveses dotadas de sistemas de carga e descarga sem muita

especialização.

Nas décadas de 50 e 60 os navios de carga geral iniciaram um processo de

desenvolvimento. Passaram a contar com formas mais apropriadas para os

cascos, em alguns casos dotados de superestrutura a meia nau, e sistemas mais

eficientes e de maior capacidade para o transbordo da carga, Figura 4 (c).

(a)

(b)

Especialização em Engenharia Naval

Módulo 1 – Arquitetura Naval

14

(c)

(d)

Com o passar dos anos, Figura 4 (d) os navios de carga geral passaram a

privilegiar uma superestrutura a ré e sistemas de carga e descarga ainda mais

potentes (70-80ton); em alguns casos, bastante especializados.

(e)

Atualmente, Figura 4 (e), esse tipo de navio tem sofrido um processo de

especialização ainda maior, com grandes capacidades de carga nos guindastes

(320ton), superestruturas mais altas e menos longa de maneira a ampliar a

capacidade de convés e, portanto, proporcionar o transporte de grandes sistemas.

Obviamente, este aumento de capacidade exigiu projetos estruturais melhores.

Existem, ainda, Figura 4 (f) e (g), navios especializados no transporte de grandes

cargas de convés, por exemplo outros navios e até plataformas. Nestes casos,

Especialização em Engenharia Naval

Módulo 1 – Arquitetura Naval

15

esses navios são dotados de sistemas eficientes de compartimentagem e controle

de lastro, que permite imersões bastante grandes para facilitar o embarque da

carga.

(f)

(g)

Figura 4: Evolução dos navios de carga geral. Fonte: www.solentwaters.co.uk.

3.1.2 Navios porta containeres

Conforme comentado, a demanda por eficiência no transporte de grandes

quantidades de carga geral exigiu a especialização dos navios e dos elementos

facilitadores dos seus processos de carga e descarga.

Neste sentido, surgiram os navios porta containeres, caracterizados pelo

transporte de carga na forma de unidades padronizadas, os containeres, com

dimensões de ou ftftft 2088 ×× ftftft 4088 ×× . O TEU, do inglês “Twenty-foot

Equivalent Unit”, é a unidade de mediada da capacidade em containeres de um

navio.

Especialização em Engenharia Naval

Módulo 1 – Arquitetura Naval

16

Figura 5: Evolução dos navios porta containeres. Fonte: www.solentwaters.co.uk.

A Figura 5 ilustra a evolução da capacidade em TEU dos navios porta

containeres. Em sua primeira geração, de 1956 a 1970, essas embarcações

tinham uma capacidade de no máximo 800TEUs. Aproximadamente quarenta

anos mais tarde, já na quinta geração, esta capacidade aumentou 10 vezes e os

navios porta containeres passaram a contar com maiores velocidades (20-

25Knots) e sistemas especiais para o transporte de cargas perecíveis através de

containeres refrigerados.

Figura 6: Evolução dos navios porta containeres em termos de TEUs – Twenty-foot equivalent units. Fonte: www.solentwaters.co.uk.

Especialização em Engenharia Naval

Módulo 1 – Arquitetura Naval

17

A Figura 6 mostra graficamente a evolução da capacidade em TEU ao longo dos

anos e permite uma projeção de embarcações ainda maiores. De fato, já se

encontram em construção embarcações com capacidade de 9200TEUs e outras

em projeto para uma capacidade de 12000TEUs.

Figura 7: Classificação dos navios porta containeres em função da capacidade em TEUs e canal por onde opera (Panamá ou Suez). Fonte:

www.solentwaters.co.uk.

Uma possível classificação para os navios porta containeres é apresentada na

Figura 7 de acordo com o canal por onde opera (Panamá ou Suez) e, portanto, a

máxima capacidade. Desta forma, no limite inferior se tem os “small feeders”, com

capacidade de até 1000TEUs e boca máxima de aproximadamente 23m,

Especialização em Engenharia Naval

Módulo 1 – Arquitetura Naval

18

passando pelos “feeders” (1000 – 2500TEUs), “Panmax” (2500 – 5000TEUs),

“Post-Panamx” (5000 – 10000TEUs), até os “Suezmax” com capacidade de até

12000TEUs o que demanda uma boca de 70m e um comprimento de 500m.

Projeta-se, ainda, a criação de uma sexta classificação, os “Post-Suezmax”, com

capacidade acima dos 12000TEUs.

(a)

(b)

(c)

(d) Figura 8: Exemplos de navios porta containeres: (a) Feeder com

equipamento de carga e descarga próprio, (b) Médio porte, (c) Grande porte. Fonte: www.solentwaters.co.uk.

Especialização em Engenharia Naval

Módulo 1 – Arquitetura Naval

19

Com o passar dos anos, elementos como guindastes foram sendo retirados do

convés, como forma de aumentar a capacidade em TEUs do navio.

A Figura 8 ilustra alguns exemplos de navios porta containeres (“feeder”, médio

porte e grande porte), onde se pode perceber a evolução da capacidade de

convés, fruto da eliminação do guindastes.

Muitos operadores atuais vêm usando navios MPP, “Multi Purpose Container

Ship”. Estes navios são capazes de transportar carga geral, granéis e

containeres. Neste caso, geralmente faz-se necessária a utilização de guindastes

de convés, Figura 8(d).

3.1.3 Navios tanque

Esses navios são especializados no transporte de líquidos. Aqueles

especializados no transporte de óleo cru e / ou derivados de petróleo podem ser

virtualmente gigantescos, normalmente denominados de VLCCs, “Very Large

Crude Carriers”, e ULCCs “Ultra Large Crude Carriers”. Atualmente, o maior

casco deste tipo em operação (como plataforma, FPSO – “Floating, Production,

Storage and Offloading”) é o Knock Nevis (ex Jahre Viking), com 564000

toneladas (dwt). A Figura 9 traz seu arranjo de tanque, algumas fotos e uma

comparação com algumas embarcações conhecidas.

Os navios tanque (também chamados de “tankers”) são tipicamente

caracterizados por amplos conveses contínuos, sem a presença de sistemas de

carga e descarga, bem como longas pontes de comando. Possuem pequena

borda livre, quando completamente carregados, e somente grandes terminais

podem recebê-los, sendo muitas vezes necessário um transbordo de parte da

carga antes da atracação (através de um outro navio de menor porte, o aliviador).

Além disso, seus tanques são bastante compartimentados por anteparas, tanto

longitudinais quanto transversais, com o objetivo de diminuir o efeito de superfície

livre dentro dos tanques e, com isso, garantir uma boa estabilidade dinâmica.

Especialização em Engenharia Naval

Módulo 1 – Arquitetura Naval

20

Figura 9: O maior ULCC: Knock Nevis (ex Jahre Viking).

Especialização em Engenharia Naval

Módulo 1 – Arquitetura Naval

21

Estruturalmente são bastante reforçados e, atualmente, faz-se a exigência que

apresentem duplo fundo. A Figura 10 ilustra a construção da estrutura de um

VLCC. Notar a grande compartimentagem dos tanques, a enorme presença de

dutos que proporcionam a manobra de carga entre esses tanques e o duplo

fundo.

Figura 10: Foto de um VLCC em construção: arranjo estrutural.

Os navios tanque para transporte de derivados são ligeiramente menores que os

de transporte de óleo cru. Seus tanques são em geral totalmente independentes,

de tal forma que se possibilite a simultânea carga (ou descarga). O convés

principal é mais equipado, com uma quantidade maior de dutos para as

transferências de carga.

Dadas as grandes dimensões, não são raros casos de “tankers” dotados de

sistemas auxiliares de propulsão na proa. Estes são os chamados “shuttle

tankers”. A Figura 11 ilustra um exemplo deste tipo de navio.

Os “tankers” configuram uma classe rica em detalhes a serem discutidos. Desta

forma, maiores detalhes quanto a esse tipo de navio serão apresentados e

discutidos no transcorrer desse e outros módulos do curso.

Especialização em Engenharia Naval

Módulo 1 – Arquitetura Naval

22

Figura 11: Exemplo de “shuttle tanker”. Fonte: www.abb.de.

3.1.4 Navios para Transporte de Gás Liquefeito

Gás liquefeito é uma substância gasosa em temperatura e pressão ambientes,

mas liquefeita por pressurização e / ou refrigeração. Virtualmente, todos os gases

liquefeitos são hidrocarbonetos naturalmente inflamáveis.

Basicamente, existem dois grandes

grupos de navios especializados no

transporte de gás liquefeito (LNG –

“Liquefied Natural Gas” e LPG –

“Liquefied Petroleum Gas”).

Figura 12: Exemplos de navios para transporte de gás liquefeito.

Especialização em Engenharia Naval

Módulo 1 – Arquitetura Naval

23

Devido às altas pressões e o caráter inflamável, esses navios são caracterizados

por um casco totalmente independente dos tanques que acondicionam a carga.

Entre outros aspectos, vem daí, portanto, a grande diferença entre estes navios e

os “tankers”. Ainda com relação aos tanques, estes podem ser independentes e

auto-suportados (geralmente esféricos ou cilíndricos) ou separados por

membranas, Figura 12.

3.1.5 Navios de passageiros: cruzeiro e transporte rápido

Os navios para transporte de passageiros podem ser subdivididos em dois

grandes grupos: o primeiro caracterizado pela atividade de recreio (navios de

cruzeiro), em geral com velocidades moderadas, porém superiores àquelas

desenvolvidas pelos navios até aqui apresentados, e o segundo grupo

caracterizado por embarcações de transporte rápido (“ferries”).

Figura 13: Evolução recente dos navios de cruzeiro. Fonte: www.solentwaters.co.uk.

Especialização em Engenharia Naval

Módulo 1 – Arquitetura Naval

24

Independente desta subdivisão são embarcações que privilegiam o conforto e

segurança dos passageiros, portanto, implicando em consideráveis custos de

construção, operação e manutenção.

Trata-se de uma classe de navios em rápida e constante evolução o que se pode

notar através da Figura 13, onde são comparadas diferentes gerações de navios

de cruzeiro.

(a) (b)

Figura 14: Exemplo de navio para transporte rápido de passageiros.

(a)

(b)

(c) Figura 15: Desenvolvimentos futuros no transporte de passageiros: (a)

Techno Superliner – TSL, (b) Navios residenciais e (c) Monocascos de alta velocidade. Fonte: www.solentwaters.co.uk.

Especialização em Engenharia Naval

Módulo 1 – Arquitetura Naval

25

A Figura 14, por sua vez, ilustra exemplos de embarcações rápidas utilizadas no

transporte de passageiros no norte da Europa. Eventualmente, esta categoria de

embarcações pode, também, disponibilizar o transporte simultâneo de veículos

rodoviários.

Exemplos de desenvolvimentos de ponta são apresentados na Figura 15. Em (a)

tem-se uma ilustração do TSL, “Techno Superliner”, que é uma embarcação

desenvolvida por indústrias japonesas para atingir velocidades de até 40Knots

através do princípio aerostático, rever Figura 3. Em (b) é ilustrado um luxuoso

navio residencial operado e gerenciado pelo grupo “Four Seasons Hotels and

Resorts”. Finalmente, em (c) apresenta-se o projeto denominado “M/S Four

Seasons”, embarcação de aproximadamente 200m de comprimento, 100 cabines

e velocidades superiores aos 40Knots.

3.1.6 Rebocadores

Rebocadores são embarcações de menor porte (rever, por exemplo a Figura 9),

porém não menos importantes, já que são especializados na operação de

manobra dos grandes navios. Possuem grande potência instalada e,

eventualmente, sistemas de apoio como, por exemplo, o de combate a incêndio.

Em termos de propulsão podem ser caracterizados como convencional, azimutal,

do tipo Voith Schneider e duplo azimutal. Assim ordenados de acordo com o grau

de manobrabilidade que estes sistemas proporcionam. Alguns rebocadores

também podem ser dotados de um propulsor de proa, em uma configuração

semelhante àquela apresentada pelos “shuttle tankers”.

Uma característica importante dos rebocadores é o seu “bollard pull” – medida da

tração estática longitudinal disponibilizada ao reboque de um navio. Esta

capacidade dos rebocadores define o número de embarcações deste tipo

necessárias para a atracação ou desatracação de um navio de porte muitas vezes

maior.

Especialização em Engenharia Naval

Módulo 1 – Arquitetura Naval

26

(a)

(b)

(c)

(d) Figura 16: Exemplos de rebocadores com diferenças quanto à propulsão: (a)

convencional, (b) azimutal, (c) do tipo Voith Schneider, (d) duplo azimutal. Fonte: www.solentwaters.co.uk.

Especialização em Engenharia Naval

Módulo 1 – Arquitetura Naval

27

3.2 Plataformas: sistemas para produção de óleo e gás no mar

Embora não seja o foco deste curso, as plataformas oceânicas representam um

importante segmento de atuação correlata do engenheiro naval. Em geral, são

grandes sistemas de produção de óleo e gás no mar, podendo apresentar grande

diversidade de geometria, dependendo da capacidade, posicionamento (fixas ou

flutuantes), operação (perfuração ou produção), local e profundidade de

operação, entre outros aspectos.

Figura 17: Principais tipos de plataforma. Fonte: Moan, 2004.

A Figura 17 ilustra os principais tipos de plataforma. De acordo com essa figura,

tais unidades podem ser assim caracterizadas (Fonte: www.petrobras.com.br):

a) Plataformas fixas: Geralmente constituídas de estruturas modulares em

aço, instaladas no local de operação com estacas cravadas no fundo do

mar (profundidades de até 200m). São plataformas projetadas para receber

todos os equipamentos de perfuração, estoque de materiais, alojamento de

pessoal, bem como todas as instalações necessárias para a produção dos

poços.

Especialização em Engenharia Naval

Módulo 1 – Arquitetura Naval

28

b) Plataformas fixas por gravidade: como o próprio nome diz, apóiam-se ao

leito por gravidade. Em geral, são fabricadas em concreto ou aço, tendo

como finalidade principal a produção de petróleo em lâminas d’água de até

400m. Podem operar sozinhas, e desta forma necessitam ligação direta

com a costa, ou com o auxílio de um navio aliviador.

c) Plataformas semi-submersíveis: são compostas por um ou mais conveses

e se apoiando em flutuadores submersos. Por se tratarem de unidades

flutuantes, sofrem movimentos devido à ação das ondas, correntezas e

ventos, portanto com impacto direto sobre os equipamentos que as

conectam ao leito do oceano. Desta forma, faz-se necessário um sistema

de posicionamento para garantir a manutenção da localização na superfície

do mar (dentro de um círculo com raio de tolerância ditado pelos

equipamentos de sub-superfície). Dois tipos de sistema são responsáveis

pelo posicionamento deste tipo de unidade: o sistema de ancoragem e o

sistema de posicionamento dinâmico. O sistema de ancoragem é

constituído de 8 a 12 âncoras e cabos (e / ou correntes), atuando como

molas que produzem esforços capazes de restaurar a posição quando esta

é modificada pela ação das ondas, ventos e correntezas. Por sua vez, o

sistema de posicionamento dinâmico não necessita uma ligação física da

plataforma com o fundo do mar (exceto aquela dos equipamentos de

perfuração). Neste caso, sensores acústicos determinam a deriva com

relação a um referencial e propulsores no casco, acionados por

computador, restauram a posição da plataforma. As plataformas semi-

submersíveis dispõem de uma grande capacidade de mobilidade, podendo

ou não apresentar propulsão própria, sendo assim as mais indicadas para

processos de perfuração de poços.

d) TLP – “Tension Leg Platform”: trata-se de unidade flutuante utilizada para a

produção de petróleo, cuja estrutura é muito semelhante à da plataforma

semi-submersível. Sua ancoragem ao leito do oceano, no entanto,

caracteriza-se por estruturas tubulares (como tendões fixos ao leito por

Especialização em Engenharia Naval

Módulo 1 – Arquitetura Naval

29

estacas) mantidas esticadas pelo excesso de flutuação da plataforma, o

que reduz severamente os movimentos da mesma.

e) Plataformas do tipo FPSO – “Floating, Production, Storage and Offloading”:

são navios com capacidade para processar e armazenar o petróleo, além

de prover sua transferência, de tempos em tempos, para um navio

aliviador. No convés desse tipo de plataforma é instalada um planta de

processo para separar e tratar os fluidos produzidos pelos poços. Desta

forma, são unidades com grande capacidade de produção diária (petróleo

e gás).

Além destes sistemas, existem pelo menos mais dois igualmente importantes.

A plataforma auto-elevatória – PA, ver Figura 18: basicamente semelhante a uma

balsa equipada com estrutura treliçada de apoio (pernas passíveis de

acionamento, mecânico ou hidráulico, que se movimentam para baixo até

atingirem o leito. Após atingir o fundo, a plataforma se eleva acima do nível do

mar a uma altura segura, onde esteja fora da ação das ondas. Essas plataformas

são móveis, sendo transportadas por rebocadores ou por propulsão própria.

Destinam-se à perfuração de poços exploratórios na plataforma continental, em

lâmina d’água que variam de 5 a 130m.

Figura 18: Plataforma alto-elevatória, PA.

Especialização em Engenharia Naval

Módulo 1 – Arquitetura Naval

30

O navio-sonda, ou “drilling ship”: é um navio projetado para a perfuração de poços

submarinos. Sua torre de perfuração localiza-se no centro do navio, onde uma

abertura no casco permite a passagem da coluna de perfuração. O sistema de

posicionamento do navio-sonda, composto por sensores acústicos, propulsores e

computadores, anula os efeitos do vento, ondas e correntezas que tendem a

deslocar o navio de sua posição. A Figura 19 mostra uma ilustração deste tipo de

unidade flutuante.

Figura 19: Ilustração de um navio-sonda.

Especialização em Engenharia Naval

Módulo 1 – Arquitetura Naval

31

4. GEOMETRIA DO NAVIO

Após terem sido apresentados os principais sistemas que permitem o uso do mar

segundo suas várias possibilidades econômicas, energéticas e de lazer, pretende-

se, agora, focar atenção sobre o principal destes sistemas: o navio.

Como primeira abordagem, tem-se, portanto, a intenção de introduzir as principais

definições a cerca da geometria do navio, bem como seus impactos sobre o

desempenho e as próprias formas do casco.

Há que se destacar que no meio naval é importantíssimo um entendimento

comum e claro dos termos que dão significado as principais dimensões e

características do navio, de tal forma que se possa estabelecer uma comunicação

eficiente e precisa durante os seus processos de projeto, construção e operação,

quer seja em contexto factual, qualitativo, quer no contexto quantitativo.

Inevitavelmente, há alguma divergência lingüística entre os três principais setores

do segmento naval: o militar, o mercante e o de recreio. No entanto, o jargão

oriundo do segmento mercante é o que se mostra mais difundido, pela própria

característica intrínseca de considerar uma variedade maior de tipos de

embarcações. Desta forma, será o adotado neste curso. Obviamente, sempre que

se mostrar interessante comentar alguma definição estabelecida com base nos

demais segmentos (militar e de recreio), esta será apresentada de forma

conveniente.

4.1 As Linhas do Casco

Antes da definição quanto às dimensões e características do casco, é importante

se esclarecer como os engenheiros navais definem a geometria tridimensional

complexa do casco através de uma representação bidimensional mais simples,

porém não menos precisa e clara.

Basicamente, a solução adotada consiste no uso de inúmeros planos imaginários

de corte, cujas intersecções com a forma tridimensional do casco definem

Especialização em Engenharia Naval

Módulo 1 – Arquitetura Naval

32

contornos que podem ser representados na forma bidimensional, conhecido como

plano de linhas. Ver Figura 20.

Figura 20: Planos imaginários de corte para a construção do plano de linhas.

Portanto, trata-se de um procedimento semelhante ao adotado por cartógrafos

quando adotam curvas de nível na representação de um relevo, cada qual em

uma elevação devidamente identificada com relação a um referencial.

Efetuando-se cortes transversais no casco através de planos verticais

imaginários, é possível se obter o que se conhece comumente como plano de

balizas. Já que geralmente as embarcações exibem uma simetria em relação à

sua linha de centro longitudinal, essa representação necessita apresentar apenas

um dos seus bordos. Por convenção, o plano de balizas apresenta

representações bidimensionais avante (AV) da seção mestra em seu lado direito

e, por conseguinte, representações de intersecções a ré (AR) da seção mestra

em seu lado esquerdo. Desta forma, as curvas obtidas pela intersecção dos

Especialização em Engenharia Naval

Módulo 1 – Arquitetura Naval

33

planos verticais e transversais de corte, as balizas, com a superfície do casco são

então sobrepostas e numeradas de proa a popa. A baliza mais avante, proa, é

sempre identificada como baliza zero. Ver Figura 21.

Com isso, tem-se a completa definição bidimensional do casco tridimensional da

embarcação, suficiente para a maioria dos cálculos comentados de uma maneira

qualitativa nas seções seguintes desta apostila e aprofundados em módulos

futuros do presente curso de especialização.

Analogamente, se forem realizados cortes longitudinais no casco através de

planos verticais e horizontais imaginários, são obtidos respectivamente os planos

de linhas de alto e de linhas d’água. Novamente, devido à simetria, apenas linhas

d’água referentes a um bordo são representadas.

Além dessas, é comum a representação auxiliar da intersecção entre linhas

inclinadas, WZ – diagonais de bojo, no plano de balizas. Desta forma, a curva

ilustrada na porção inferior do plano de linhas d’água, diagonal de bojo expandida,

representa as formas do casco na intersecção se sua superfície com o plano

imaginário de corte, inclinado e longitudinal (representado no plano de balizas

pelas linhas WZ).

Tem-se, portanto, o plano de linhas completo do casco, através do qual pode-se

notar a seguinte idéia geral: a localização dos planos de corte sempre é

apresentada em duas das três vistas. Concomitantemente, a representação das

intersecções definidas por estes planos aparece apenas na vista onde eles

respectivamente comparecem. Naturalmente, a transformação da representação

bidimensional, plano de linhas, em uma representação espacial tridimensional não

é trivial e demanda uma habilidade por parte do engenheiro naval; dificilmente

traduzida de uma forma simples através de um texto. A esse respeito, basta

concluir dizendo que ferramentas (ambientes) computacionais, como por

exemplo: AutoCAD®, Rhinoceros® e AutoShip®, têm tornado essa tarefa mais ágil

e menos trabalhosa, inclusive com a disponibilidade de pacotes complementares

especificamente voltados para a arquitetura naval, que disponibilizam cálculos

automáticos de muitos dos parâmetros mais adiante apresentados e discutidos.

Especialização em Engenharia Naval

Módulo 1 – Arquitetura Naval

34

Figura 21: Exemplo de um plano de linhas. Note que os plano de baliza, de linhas de alto e de linhas d’água não necessariamente na mesma escala.

Fonte: PNA, Lewis 1988.

Especialização em Engenharia Naval

Módulo 1 – Arquitetura Naval

35

4.2 Definições quanto às Formas do Casco

Uma das mais importantes definições quanto às formas do casco diz respeito ao

plano de linha d’água de projeto, ou mais especificamente à linha d’água de

projeto, DWL – do inglês “designed waterline”, ou seja a linha d’água na qual o

navio é projetado para flutuar segundo uma carga predeterminada.

4.2.1 Medidas Lineares

No que tange à longitudinal do navio, são três os comprimentos principais:

O comprimento total, LOA– do inglês “length overall”, importante para, por

exemplo, os aspectos relacionados com as obras civis do dique onde o

navio será construído, ou do porto onde pretende atracar.

O comprimento na linha d’água, LWL – do inglês “length at waterline”,

especialmente importante para os cálculos hidrostáticos e hidrodinâmicos

do navio. Definido como o comprimento entre o ponto mais a ré e o ponto

mais avante do casco, ambos na linha d’água.

O comprimento entre perpendiculares de proa (FP, “fore perpendicular”) e

de popa (AP, “aft perpendicular”), denominado por LBP – do inglês “length

between perpendiculars” é usado como referência pela maioria das

sociedades classificadoras.

Em muitos casos, o LBP é arbitrariamente definido como sendo igual ao LWL. No

entanto, pode haver uma sutil diferença relacionada com a característica da popa

do navio, fazendo com que nesta região a perpendicular AP não passe pelo ponto

mais a ré do casco na linha d’água. Neste caso, se o navio possuir uma estrutura

de popa bem definida (paralela à madre do leme), esta definirá a posição da

perpendicular AP. Por outro lado, se o navio não apresentar uma geometria bem

definida de encerramento das obras vivas do casco, então a posição da

perpendicular AP será igual à posição da madre do leme. Uma melhor

visualização desta distinção é apresentada na Figura 22.

Especialização em Engenharia Naval

Módulo 1 – Arquitetura Naval

36

Figura 22: Definição dos principais comprimentos do navio. Fonte: Benford, 1991.

A Figura 23 traz uma série de outras características e dimensões importantes

relacionadas com a seção transversal moldada do navio.

A expressão moldada, neste caso, diz respeito à forma interna ao forro do casco,

mais conhecido como chapeamento. Adotam-se dimensões e características com

relação à geometria moldada, visto que a partir dela tem-se a definição

simultânea tanto do próprio chapeamento como da estrutura interna de reforço, ou

cavername.

Identificam-se duas linhas principais de referência. A primeira, geralmente

marcada por BL – do inglês “baseline”, refere-se à linha de base, enquanto a

segunda, CL – do inglês “centerline”, informa a linha de centro da seção

transversal.

De acordo com essas linhas de referência, definem-se, então, as seguintes

dimensões:

Especialização em Engenharia Naval

Módulo 1 – Arquitetura Naval

37

Meia boca moldada, 2B – do inglês “molded half beam”, que se trata da

metade máxima largura moldada do navio.

Pontal, D – do inglês “depth”, é a altura da seção transversal, medida da

linha de base até a intersecção entre costado e convés (o glossário traz

maiores esclarecimentos quanto aos termos). O pontal é um limitante para

a operação de navios em portos e canais. Desta forma, com o objetivo de

maximizar a capacidade de transporte de carga, geralmente os navios são

projetados para operar sem trim, ou seja, com a quilha paralela à linha

d’água. Embarcações de pequeno porte, no entanto, são projetadas para

operar com trim de popa, ou seja, popa mais imersa que proa. Nestes

casos, a linha de base será estabelecida no ponto mais baixo das formas

moldadas do casco, ver Figura 24.

Figura 23: Características do navio, relacionadas com a sua seção transversal. Fonte: Benford, 1991.

Especialização em Engenharia Naval

Módulo 1 – Arquitetura Naval

38

Figura 24: Localização da linha de base em situações de embarcação com trim. Fonte: Benford, 1991.

Calado, T – em inglês denominado de “draft”, é a profundidade de imersão

do navio, também medida com relação à linha de base, levando-se em

conta o balanço entre o peso abordo e o peso do volume deslocado de

água necessária para garantir sua flutuação (Princípio de Arquimedes). Em

algumas situações, podem existir apêndices mais baixos que a quilha, por

exemplo: bolinas, o que aumenta substancialmente o calado moldado.

Ainda com relação à Figura 24, definem-se alguns termos importantes para a

seção transversal moldada:

“Deadrise”, inclinação do fundo do navio. Juntamente com a usual região

plana no entorno da linha de centro do navio, “half siding”, tem a função de

evitar danos à região da quilha durante um eventual procedimento de

docagem seca. Além dessa função, o “deadrise” facilita o processo de

retirada de líquidos dos tanques do navio.

Raio do bojo, ou “bilge radius”, tem a função de minimizar os efeitos da

dinâmica de fluidos contidos nos tanques durante os movimentos de jogo

do navio.

“Tumblehome”, inclinação do casco com relação à vertical do costado na

região do trincaniz. Tem a função de minimizar danos por ocasião de

contatos com o cais ou defensas durante o procedimento de atracação.

“Flare”, concavidade de proa com a dupla função de aumentar a área

nessa região, portanto melhorar o espaço para os equipamentos e

manobra de amarração, e agir como elemento defletor de ondas, evitando

água no convés do navio, em inglês “greenwater”.

Especialização em Engenharia Naval

Módulo 1 – Arquitetura Naval

39

“Camber”, concavidade transversal do convés, com posição mais baixa nos

bordos do navio, que auxilia no processo de drenagem de águas

provenientes da chuva, ou da própria ação das ondas.

“Sheer”, função análoga ao “camber”, porém na direção longitudinal da

embarcação. Em geral, essa curvatura é parabólica com a posição mais

baixa a meia nau.

Uma última consideração quanto à seção transversal moldada. É possível que

essa seção transversal apresente quinas, ao contrário das formas carenadas

através de raios de concordância, o que facilita em muito sua construção. Como

se trata de situação não usual em navios, esta geometria não será discutida no

presente texto, permanecendo apenas como informação complementar.

4.2.2 Coeficientes de Forma

Nesta seção é apresentada uma família de coeficientes adimensionais que

complementam informações acerca das obras vivas do casco.

O primeiro adimensional é o coeficiente de bloco, , que dá idéia de quão cheia

são as formas do casco abaixo da linha d’água. Numericamente, refere-se à

razão entre o volume moldado das obras vivas (considerando a linha d’água de

projeto) e o volume do sólido imaginário de seção retangular determinado pelo

comprimento, boca e calado do navio (ver

BC

Figura 25):

TBL VCB ⋅⋅

= , onde:

V é o volume de deslocamento moldado;

L é o comprimento (LWL ou LBP);

B é a boca moldada;

T é o calado de projeto.

Especialização em Engenharia Naval

Módulo 1 – Arquitetura Naval

40

Figura 25: Esquema para o cálculo do coeficiente de bloco. Fonte: Benford, 1991.

A Tabela 2, complementada pela Tabela 3, traz a comparação entre as principais

características dimensionais e de coeficientes adimensionais para dezesseis

embarcações típicas, sendo elas:

Tabela 1: Tipo de embarcações consideradas nas comparações da Tabela 2 e também da Tabela 3.

Embarcações 1 Transatlântico 9 Petroleiro: Óleo Cru 2 Passageiros e Cargas 10 Derivados de Petróleo 3 Porta Container I 11 LNG 4 Porta Container II 12 Offshore Supply 5 Carga Geral 13 Pesqueiro 6 Barcaça 14 Quebra-gelo 7 Roll on / Roll off 15 Fragata 8 Granéis Sólidos 16 Dique Flutuante

Com relação aos coeficientes de bloco pode-se afirmar que estão intimamente

relacionados com a velocidade das embarcações. De uma maneira geral, quanto

maior o coeficiente de bloco (um petroleiro apresenta valor típico de ), 850,0=BC

Especialização em Engenharia Naval

Módulo 1 – Arquitetura Naval

41

maior a capacidade de carga. Concomitantemente, menores valores de , que

portanto estejam associados a formas de casco mais afiladas, implicam em menor

resistência ao avanço e, desta forma, estarão associados a embarcações com

maiores velocidades, ver por exemplo o caso da Fragata, embarcação 15, cujo

, muito menor que o do petroleiro, mas que permite uma velocidade de

até .

BC

449,0=BC

Knots30

Especialização em Engenharia Naval

Módulo 1 – Arquitetura Naval

42

Tabela 2: Comparação entre as características principais de algumas embarcações típicas.

8

27 2,

03

26 0,

60

26 0,

60

19 ,0

5

32 ,2

3

13 ,9

6

10 05

00

0, 83

6

0, 99

6

0, 83

9

0, 89

8

0, 93

1

+2 ,5

10 ,7

5, 54

8, 09

2, 31

24 00

0

16 ,5

0, 16

8

1/ 1

7

20 8,

48

19 5,

07

19 5,

07

21 ,1

8

31 ,0

9

9, 75

34 43

0

0, 56

8

0, 97

2

0, 58

4

0, 67

1

0, 84

6

-2 ,4

9, 7

5, 18

6, 27

3, 19

37 00

0

23

0, 27

0

1/ 1

6

27 2,

29

24 3,

03

24 7,

90

18 ,2

9

30 ,4

8

8, 53

38 40

0

0, 58

2

0, 92

2

0, 63

1

0, 76

5

0, 76

2

-1 ,6

5, 6

2, 46

8, 13

3, 57

32 06

0

22

0, 22

9

1/ 1

5

17 1,

80

17 1,

80

15 8,

50

13 ,5

6

23 ,1

6

8, 23

18 97

0

0, 61

2

0, 98

1

0, 62

4

0, 72

4

0, 84

5

-1 ,5

4, 0

4, 65

6, 84

2, 81

17 50

0

20

0, 26

1

1/ 1

4

18 5,

93

17 7,

09

17 6,

78

16 ,6

1

23 ,7

7

8, 23

22 38

0

0, 63

0

0, 97

5

0, 64

6

0, 74

0

0, 85

1

-1 ,2

4, 0

3, 95

7, 44

2, 89

19 25

0

20

0, 42

7

1/ 1

3

26 2,

13

24 6,

89

24 6,

89

20 ,1

2

32 ,2

3

10 ,6

7

50 37

0

0, 57

9

0, 96

5

0, 60

0

0, 74

8

0, 77

4

-1 ,1

8, 3

3, 26

7, 94

2, 91

43 20

0

25

0, 26

1

1/ 1

2

16 6,

60

15 4,

99

15 4,

05

14 ,6

6

24 ,0

8

8, 23

18 25

0

0, 58

3

0, 96

7

0, 60

3

0, 72

5

0, 80

7

0.

2, 5

4, 87

6, 40

2, 93

18 00

0

20

0, 26

5

1/ 1

Em ba

rc aç

õe s

1

30 1,

75

27 5,

92

28 6,

99

22 ,6

3

30 ,9

4

9, 65

46 72

0

0, 53

2

0, 95

3

0, 55

8

0, 68

7

0, 77

4

0 2, 0

1, 93

9, 28

3, 21

15 80

00

33

0, 32

0

4/ 1

C ar

ac te

rís tic

as

LO A

[m ]

LB P

[m ]

C om

pr im

en to

p ar

a os

C oe

fic ie

nt es

[m ]

Po nt

al M

ol da

do [m

]

B oc

a M

ol da

da [m

]

C al

ad o

M ol

da do

p ar

a os

C oe

fic ie

nt es

[m ]

D es

lo ca

m en

to M

ol da

do [t

on ]

C oe

fic ie

nt e

de B

lo co

C oe

fic ie

nt e

de S

eç ão

M es

tr a

C oe

fic ie

nt e

Pr is

m át

ic o

C oe

fic ie

nt e

de L

in ha

D ’á

gu a

C oe

fic ie

nt e

Pr is

m át

ic o

Ve rt

ic al

C en

tr o

Lo ng

itu di

na l d

e Fl

ut ua

çã o,

% d

e L

a pa

rt ir

da M

ei a

N au

Á re

a de

B ul

bo , %

d a

Á re

a de

M ei

a N

au

C oe

fic ie

nt e

Vo lu

m ét

ric o

L/ B

B /T

Po tê

nc ia

N or

m al

n o

Ei xo

Ve lo

ci da

de [k

no ts

]

N úm

er o

de F

ro ud

e

N úm

er o

de p

ro pu

ls or

es /

le m

es

Especialização em Engenharia Naval

Módulo 1 – Arquitetura Naval

43

Tabela 3: Continuação da comparação entre as características principais de embarcações típicas.

16

17 0,

99

16 4,

59

16 4,

59

13 ,4

1

24 ,9

9

5, 41

12 85

0

0, 56

3

0, 93

3

0, 60

3

0, 72

0

0, 78

2

-1 ,4

2, 0

2, 8

6, 59

4, 62

22 90

0

21 ,5

0, 27

5

2/ 2

15

13 5,

64

12 4,

36

12 4,

36

9, 14

13 ,7

4

4, 37

33 90

0, 44

9

0, 74

1

0, 60

5

0, 72

7

0, 61

8

-1 ,4

0 1, 7

9, 05

3, 14

40 00

0

30

0, 44

2

1/ 1

14

12 1,

62

10 6,

98

10 7,

29

13 ,1

8

23 ,7

7

8, 53

10 90

0

0, 48

8

0, 85

3

0, 57

2

0, 74

0

0, 66

0

+1 ,3

0 8, 97

4, 51

2, 79

18 00

0

18

0, 28

5

3/ 1

13

25 ,6

5

23 ,0

4

23 ,7

5

3, 33

6, 71

2, 53

22 2

0, 53

8

0, 83

3

0, 64

6

0, 87

2

0, 61

7

-1 ,7

0

16 ,2

3, 54

2, 65

50 0

10 ,7

0, 36

1

1/ 1

12

56 ,4

6

53 ,1

9

53 ,1

9

4, 27

12 ,1

9

3, 35

14 72

0, 66

0

0, 90

6

0, 72

9

0, 89

2

0, 74

0

-0 ,3

0

9, 53

4, 35

3, 33

37 40

12

0, 27

0

2/ 2

11

28 5,

29

27 3,

41

27 3,

41

24 ,9

9

43 ,7

4

10 ,9

7

97 20

0

0, 72

2

0, 99

5

0, 72

6

0, 79

7

0, 90

6

0 9, 7

4, 64

6, 25

3, 99

34 40

0

20 ,4

0, 20

3

1/ 1

10

20 1,

47

19 2,

02

19 2,

02

13 ,7

9

27 ,4

3

10 ,4

0

43 40

0

0, 77

2

0, 98

6

0, 78

4

0, 85

4

0, 90

4

+1 ,9

0 5, 98

7, 00

2, 64

15 00

0

16 ,5

0, 19

6

1/ 1

Em ba

rc aç

õe s

9

33 5,

28

32 3,

09

32 3,

09

26 ,3

1

54 ,2

5

20 ,3

9

30 87

00

0, 84

2

0, 99

6

0, 84

5

0, 91

6

0, 91

9

+2 ,7

0 8, 9

5, 96

2, 66

35 00

0

15 ,2

0, 13

9

1/ 1

C ar

ac te

rís tic

as

LO A

[m ]

LB P

[m ]

C om

pr im

en to

p ar

a os

C oe

fic ie

nt es

[m ]

Po nt

al M

ol da

do [m

]

B oc

a M

ol da

da [m

]

C al

ad o

M ol

da do

p ar

a os

C oe

fic ie

nt es

[m ]

D es

lo ca

m en

to M

ol da

do [t

on ]

C oe

fic ie

nt e

de B

lo co

C oe

fic ie

nt e

de S

eç ão

M es

tr a

C oe

fic ie

nt e

Pr is

m át

ic o

C oe

fic ie

nt e

de L

in ha

D ’á

gu a

C oe

fic ie

nt e

Pr is

m át

ic o

Ve rt

ic al

C en

tr o

Lo ng

itu di

na l d

e Fl

ut ua

çã o,

% d

e L

a pa

rt ir

da M

ei a

N au

Á re

a de

B ul

bo , %

d a

Á re

a de

M ei

a N

au

C oe

fic ie

nt e

Vo lu

m ét

ric o

L/ B

B /T

Po tê

nc ia

N or

m al

n o

Ei xo

Ve lo

ci da

de [k

no ts

]

N úm

er o

de F

ro ud

e

N úm

er o

de p

ro pu

ls or

es , l

em es

Especialização em Engenharia Naval

Módulo 1 – Arquitetura Naval

44

O coeficiente de seção mestra, , dá uma relação entre a área da seção mestra

(apenas a parte imersa), , e a área do retângulo com largura igual a boca, B ,

moldada e altura equivalente ao calado, T , na condição de projeto. Desta forma:

MC

MA

TB AC MM

= .

Na maioria dos navios, há muito pouca diferença entre a área da seção mestra e

a área da seção à meia nau, não havendo impacto significativo no valor de .

Em geral o coeficiente de seção mestra assumirá valores entre 0,750 e 0,995,

exceto no caso de navios muito esbeltos, cujos costados a meia nau praticamente

partem da quilha, onde o coeficiente de seção mestra pode atingir valores baixos,

da ordem de 0,620. Há, ainda, embarcações que podem apresentar apêndices do

tipo “blisters” e que, portanto, podem apresentar valores de superiores à

unidade.

MC

MC

Um adimensional de particular interesse para os hidrodinâmicos é o coeficiente de

prismático longitudinal, , ou simplesmente coeficiente prismático, que

estabelece uma razão entre o volume de deslocamento e o volume de um prisma

imaginário dado pelo produto entre a área da seção mestra, , pelo

comprimento da embarcação (LWL ou LBP), ver

PC

MA

Figura 26. Numericamente:

M P AL

VC

=

O coeficiente prismático dá uma idéia da distribuição longitudinal da flutuação do

navio. Se dois navios com iguais comprimentos e volumes de deslocamento

apresentarem valores diferentes do coeficiente prismático, aquele com menor

valor de terá uma maior área de seção mestra (PC MCTB ⋅⋅ ) e, portanto, uma

maior concentração de volume de deslocamento à meia nau.

Através de um trabalho algébrico simples, é possível mostrar que existe uma

relação direta entre os três coeficientes até aqui apresentados, qual seja:

M

B P C

CC = .

Especialização em Engenharia Naval

Módulo 1 – Arquitetura Naval

45

Figura 26: Esquema para o cálculo do coeficiente prismático. Fonte: Benford, 1991.

O quarto adimensional importante é o coeficiente de linha d’água, , definido

como a razão entre a área de flutuação (na calado de projeto) e a área do

retângulo imaginário dado pelo produto do comprimento pela boca, ver

WPC

Figura 27:

BL AC WPWP

= .

Figura 27: Esquema para o cálculo do coeficiente de linha d’água. Fonte: Benford, 1991.

Especialização em Engenharia Naval

Módulo 1 – Arquitetura Naval

46

Os coeficientes adimensionais até aqui apresentados dão uma boa idéia da

distribuição longitudinal das formas do casco, no entanto, disponibilizam pouca

informação a respeito de sua distribuição transversal, importante para a estimativa

da velocidade e da potência requerida na propulsão.

Uma tentativa no sentido de caracterizar essa distribuição transversal pode

considerar uma das seguintes razões:

3

3

3 V L ou ou

V L

L V , onde L é o comprimento característico e V o volume de

deslocamento na condição de projeto.

Mediante estes argumentos, engenheiros navais que trabalham com o sistema

britânico de unidades preferem o que se chama de razão deslocamento-

comprimento, ou seja:

3

100 ⎟ ⎠ ⎞

⎜ ⎝ ⎛

Δ

L , onde o deslocamento Δ é medido em toneladas e o comprimento L em

pés. Obviamente esta relação é dependente do sistema de unidades adotado,

merecendo correções para o Sistema Internacional – SI, ou mesmo quando se

tratar de uma embarcação operando em água doce. A Tabela 4 mostra uma

comparação dessa relação para três embarcações distintas.

Uma definição mais moderna, intimamente relacionada com a razão

deslocamento-comprimento, é a do coeficiente volumétrico, . Trata-se da

razão entre o volume de deslocamento e o cubo de um décimo do comprimento

característico da embarcação, ou seja:

VC

3

10 ⎟ ⎠ ⎞

⎜ ⎝ ⎛

∇ =

L CV .

Desta forma, prescinde-se de considerações acerca do sistema de unidades

adotado e o coeficiente volumétrico acaba expressando o deslocamento da

embarcação em termos do seu comprimento. Portanto, um navio esbelto (por

exemplo, um destróier) apresentará coeficiente volumétrico baixo,

Especialização em Engenharia Naval

Módulo 1 – Arquitetura Naval

47

aproximadamente unitário, enquanto outro, de formas cheias (por exemplo, uma

traineira), será caracterizado por um alto valor desse coeficiente,

aproximadamente 15.

Tabela 4: Comparação entre as razões deslocamento-comprimento para três exemplos de embarcações distintas.

Embarcações

Navio

Oceanográfico de Pesquisa

Lancha Navio Cargueiro

para Operação nos Grandes Lagos

Características Largo e arredondado Esbelto e linhas

afiladas

Esbelto e linhas cheias (como uma

caixa) BC 0,580 0,560 0,870

3L V 0,01520 0,00566 0,00281

3

100 ⎟ ⎠ ⎞

⎜ ⎝ ⎛

Δ

L

433 162 80

4.2.3 Velocidade Relativa

Um outro coeficiente importante relaciona a velocidade de deslocamento da

embarcação com o seu comprimento, através do número de Froude, Fn. Esse

adimensional foi definido por William Froude, 1868, como elemento importante da

teoria1 sobre as formas do casco e sua velocidade de avanço e potência

requerida. Reflete um balanço entre forças inerciais e forças gravitacionais

associadas à superfície da água (ação das ondas na superfície livre).

Lg UFn

⋅ = , onde:

U é a velocidade da embarcação, em ][ sm ;

1 Baseada em estudos experimentais com modelos em escala reduzida. Mais adiante, em seção

subseqüente deste primeiro módulo, esta teoria será melhor apresentada.

Especialização em Engenharia Naval

Módulo 1 – Arquitetura Naval

48

g é a aceleração da gravidade, em ][ 2sm ;

L é o comprimento característico, em ][m .

Desta forma, altos valores do número de Froude geralmente são indicativos de

altas velocidades. Por exemplo, uma embarcação militar de navegando a

(aproximadamente

m4,152

Knots35 sm18 ) tem um número de Froude de

aproximadamente . Por outro lado, se sua velocidade baixar para ,

então . Comparativamente, uma navio oceanográfico de pesquisa

navegando aos mesmos apresentará

45,0 Knots10

13,0≅Fn

Knots10 24,0≅Fn , visto que caracteriza-se

por um comprimento menor.

4.2.4 Proporções do Casco

Há muitos outros coeficientes que quantificam as características da forma do

casco, entre eles:

A relação comprimento-pontal, DL , útil para o dimensionamento

estrutural;

A relação comprimento-boca, BL , relacionada com a esbeltez e que

impacta sobre a manobrabilidade da embarcação;

A relação comprimento-calado, TL , indicativo importante para os estudos

acerca do “slamming” durante condições severas de mar;

A relação boca-calado, TB , com implicações sobre a estabilidade

transversal e de geração de ondas.

Além desse, no entendimento do mecanismo pelo qual a embarcação se mantém

flutuando, balanço entre peso próprio e peso do volume de fluido deslocado, os

engenheiros navais necessitam localizar o centro de carena, ou centróide do

volume de fluido deslocado (posição vertical e longitudinal, análoga ao centro de

gravidade). É em torno dos eixos transversal e longitudinal que passam pelo

centro de carena que a embarcação realizará seus movimentos de rotação.

O VCB – do inglês “vertical center of buoyancy”, é medido com relação à linha de

base. Por sua vez, o LCB – “longitudinal center of buoyancy” pode ser medido

Especialização em Engenharia Naval

Módulo 1 – Arquitetura Naval

49

com relação a uma das perpendiculares, AP ou FP, mas é comumente

apresentado com relação à seção de meia nau.

É importante que não se confunda o LCB com o LCF – “longitudinal center of

flotation”, que é o baricentro da área de flutuação, rever Figura 27.

Finalmente, define-se ainda o número cúbico, , que dá uma estimativa das

dimensões globais do casco. Em estágios preliminares do projeto, este número é

utilizado para se estimar a capacidade volumétrica interna do casco, bem como

seu peso em aço, por exemplo, e seu custo aproximado.

CN

100 DBLWLCN ⋅⋅= .

Especialização em Engenharia Naval

Módulo 1 – Arquitetura Naval

50

4.3 Curvas Hidrostáticas

Durante sua operação o navio pode assumir diferentes condições de calado e

trim. Desta forma, tem-se a constante necessidade de se conhecer as formas

imersas do casco, mediante o intervalo de condições possíveis de carregamento.

Isto se faz através do cálculo de cada um dos parâmetros até aqui discutidos em

diferentes condições de calado, portanto, diferentes linhas d’água. Em geral,

essas linhas d’água são tomadas paralelas à linha de base, mas parâmetros de

ajuste podem ser incorporados de tal forma que se possam efetuar correções

para as condições de carregamento com trim de proa ou popa. Os resultados dos

cálculos podem, então, ser apresentados em uma forma gráfica, cuja coletividade

dá origem ao conjunto conhecido como curvas hidrostáticas. Na Figura 28 tem-se

um exemplo dessas curvas. Note que o eixo das ordenadas corresponde aos

diferentes calados para os quais inúmeros parâmetros foram calculados.

Por conveniência, em muitos casos as curvas hidrostáticas também são

acompanhadas de tabelas, o que facilita a utilização.

Entre outras aplicações, extensamente exploradas no próximo módulo do curso,

as curvas hidrostáticas podem, por exemplo, serem incorporadas a computadores

de bordo, permitindo o acompanhamento do processo de carga e descarga do

navio.

Especialização em Engenharia Naval

Módulo 1 – Arquitetura Naval

51

Figura 28: Exemplo de curvas hidrostáticas. Fonte: PNA, 1988.

Especialização em Engenharia Naval

Módulo 1 – Arquitetura Naval

52

5. ESTABILIDADE ESTÁTICA

O conceito de estabilidade estática é fundamental na engenharia naval. Por

estabilidade entende-se a capacidade que a embarcação tem de retornar à

condição de equilíbrio inicial quando lhe é imposto um pequeno deslocamento.

Diz-se, então, que a embarcação é estável (ou dotada de estabilidade estática

positiva) quando, dado este pequeno deslocamento, surge uma força hidrostática

restauradora que tende a levá-la de volta à situação de equilíbrio original. Caso

contrário, a embarcação é dita instável (ou dotada de estabilidade estática

negativa).

Nesta seção serão discutidos, de forma breve, os principais parâmetros que

controlam as características de estabilidade estática de uma embarcação. Como

será visto, tais parâmetros se relacionam basicamente à geometria do casco e à

distribuição de massa da embarcação. Tratar-se-á da chamada “estabilidade

transversal”, relacionada a inclinações em torno do eixo longitudinal. Todos os

conceitos apresentados, todavia, se aplicarão igualmente ao problema de

estabilidade longitudinal”, relacionada a inclinações em torno de um eixo

transversal.

É importante ressaltar que toda a discussão a seguir se refere a situações

“estáticas”, ou seja, não serão considerados efeitos dinâmicos (acelerações)

sobre a embarcação. Ao estudo de estabilidade sob movimentos induzidos, por

exemplo, por ondas, dá-se o nome de “estabilidade dinâmica”, e o mesmo será

abordado na próxima seção.

Considere-se então, um navio2 cujo deslocamento em massa seja dado por

Δ (lembremos que o deslocamento indica simplesmente a massa do navio). Pelo

Princípio de Arquimedes, este navio flutuará em uma condição de equilíbrio na

qual o volume de água deslocado (correspondente ao volume imerso do casco,

2 Por simplicidade, na apresentação dos conceitos de estabilidade as referências serão sempre

feitas a um “navio”, mas os mesmos princípios são válidos para qualquer tipo de embarcação de

superfície, seja ela um navio, um veleiro ou uma plataforma de petróleo.

Especialização em Engenharia Naval

Módulo 1 – Arquitetura Naval

53

∇ ) apresente massa equivalente à massa do navio, ou seja, ∇=Δ ρ , onde ρ

representa a densidade da água. Essa é a condição que definirá o calado no qual

o navio flutuará.

A força peso do navio tem módulo dado por gW .Δ= , onde g é a aceleração da

gravidade, e se encontrará aplicada no ponto conhecido por Centro de Gravidade

ou Centro de Massa (G). A força de empuxo (ou, em inglês, “buoyancy”) tem

módulo dado por gE ∇= ρ e seu centro de aplicação é conhecido como Centro de

Carena (B), o qual, por sua vez, corresponde ao centro do volume imerso do

casco.

Com conseqüência do Princípio de Arquimedes, é fácil perceber que a força de

empuxo terá módulo igual à força peso (E = W), e sentido contrário à mesma.

Todas as características de estabilidade estática do navio serão ditadas pela

posição relativa entre o centro de massa (G) e o centro de carena (B) do navio. A

Figura 29, abaixo, ilustra as condições de estabilidade estática positiva (a) ou

negativa (b) de um navio.

Figura 29: Navio com estabilidade estática positiva (a) e negativa (b). Fonte: PNA, 1988.

Quando o navio é inclinado, o seu centro de volume se desloca, como também

ilustrado na Figura 29. É fácil então perceber que, na condição (a), surgirá um

momento restaurador (em inglês “righting moment”)que atuará no sentido de

Especialização em Engenharia Naval

Módulo 1 – Arquitetura Naval

54

levar o navio de volta à condição inicial (G e B na mesma linha vertical). Já na

situação (b), o momento resultante atuará no sentido de aumentar a inclinação do

navio e, por esta razão, é chamado de momento de emborcamento (ou, em

inglês, “heeling moment”). Assim, embora nas duas situações o navio flutue com o

mesmo calado (e, portanto, mesma posição de B), na situação (a) o navio se

encontrará em uma situação estável, enquanto na (b) ele será dito instável.

5.1 Altura Metacêntrica e Braço de Endireitamento

Para quantificar as características de estabilidade de um navio, os engenheiros

navais utilizam dois parâmetros importantes: o braço de endireitamento (GZ) e a

chamada altura metacêntrica (GM). A definição destes dois parâmetros pode ser

entendida graficamente através da Figura 30.

Figura 30: Altura metacêntrica (GM) e braço de endireitamento (GZ). Fonte: PNA, 1988.

O braço de endireitamento (GZ) corresponde ao braço do momento já discutido.

Ele é dado, simplesmente, pela distância horizontal entre G e B para um

determinado ângulo de inclinação.

Por sua vez, o ponto M indicado na Figura 30 é denominado metacentro.

Graficamente, ele corresponde ao ponto no qual a linha de ação da força de

empuxo na situação inclinada cruza a linha de ação da força peso quando não há

inclinação (usualmente a linha de centro do navio, em virtude da simetria de

Especialização em Engenharia Naval

Módulo 1 – Arquitetura Naval

55

massa da embarcação). A altura metacêntrica GM é definida pela distância entre

o centro de gravidade e o metacentro (GM > 0 para M acima de G e GM < 0 caso

contrário).

Comparando a Figura 29 e a Figura 30, é fácil verificar que a condição de

estabilidade positiva implica em GM > 0. Obviamente, a posição do metacentro

depende do calado da embarcação (e, portanto, do seu deslocamento). No

entanto, para uma determinada condição de calado, pode-se mostrar que, para as

formas usuais de cascos, a posição do metacentro permanece praticamente

constante para ângulos de inclinação pequenos (tipicamente até 7o). Nesta faixa

de ângulos, tudo se passa como se, ao inclinar a embarcação, o centro de carena

descrevesse um arco de círculo com centro no ponto M, fixo.

Os valores de GM e GZ estão claramente associados. De fato, para um

determinado ângulo de inclinação (chamemos de θ), pode-se escrever:

θsenGMGZ .= . A magnitude do momento restaurador será dada, então, pelo

produto entre o braço GZ e a força peso, ou seja:

θsengGMGZgRM .. Δ=Δ= .

A altura metacêntrica é um parâmetro fundamental no projeto de qualquer

embarcação flutuante e a posição do metacentro dependerá do calado e das

propriedades geométricas do casco3. Ao longo do projeto, o engenheiro naval

deve garantir uma boa relação entre a geometria do casco e a distribuição de

massa prevista para o navio, de forma a garantir boas características de

estabilidade.

Aqui vale um comentário: não se deve entender “boas características de

estabilidade” como uma tentativa de garantir simplesmente valores elevados de

GM. Na realidade, existe uma interdependência entre estabilidade estática e

conforto. Podemos adiantar que, quanto maior o valor de GM, maiores serão as

acelerações da embarcação em ondas. Acelerações muito elevadas podem

3 No Módulo 2 deste curso será visto como relacionar a posição do metacentro com a geometria

da embarcação.

Especialização em Engenharia Naval

Módulo 1 – Arquitetura Naval

56

causar sérios desconfortos à tripulação e até mesmo comprometer a segurança

dos tripulantes. Alguns tipos de embarcações tendem a ser muito estáveis devido

a suas finalidades particulares. Como exemplos podemos citar navios que

carregam cargas muito densas (por exemplo, minério de ferro) e embarcações à

vela. No que se refere aos primeiros, a carga acomodada nos porões tende a

abaixar muito o centro de gravidade e, no caso dos veleiros, um centro de

gravidade baixo é requisito para poder “carregar” maior área de velas. Outros

tipos de embarcações, no entanto, sofrem com problemas de baixa estabilidade.

Entre eles encontramos as plataformas flutuantes de produção de petróleo (semi-

submersíveis). Para este tipo de embarcação interessa manter os mínimos

valores possíveis de GM (definidos por critérios de segurança internacionais)

como forma de viabilizar maiores pesos sobre o convés (maior planta de

produção).

5.2 Ensaio de Inclinação

Figura 31: Ensaio de inclinação. Fonte: Benford, 1991.

Uma vez na água, o valor de GM de uma embarcação pode ser inferido através

do chamado ensaio de inclinação. O princípio deste ensaio é muito simples,

consistindo em mover um corpo de peso conhecido (w) sobre o convés e, uma

vez estabelecido o novo equilíbrio, medir o ângulo de inclinação, ver Figura 31.

Especialização em Engenharia Naval

Módulo 1 – Arquitetura Naval

57

Na situação de equilíbrio, o momento causado pelo deslocamento do peso (w.d)

será igual ao momento restaurador (RM, equacionado no item anterior) e, dessa

forma: θgsen

dwGM Δ

= . .

5.3 Curva de Estabilidade Estática

A chamada Curva de Estabilidade Estática (CEE) corresponde à curva que

representa o braço de endireitamento em função do ângulo de inclinação (GZ x θ),

ou, de forma equivalente, a curva de momento de restauração em função do

ângulo (RM x θ). A Figura 32 ilustra uma CEE típica.

Figura 32: Curva Estática de Estabilidade. Fonte: PNA, 1988.

Deve-se observar que a CEE de uma embarcação está intrinsecamente

relacionada ao deslocamento e à posição de G. Mudanças nestes parâmetros

implicam mudanças na CEE.

A CEE traz informações importantes sobre estabilidade e segurança da

embarcação. Indica, por exemplo, o chamado ângulo de perda de estabilidade

estática θvs (em inglês, “angle of vanishing stability”). Esse ângulo corresponde

àquele para no qual o momento de restauração é nulo. Para θ > θvs, o momento,

antes restaurador, passa a ser emborcador e o navio não mais retornará à

posição inicial. Em outras palavras, se o navio for levado a ângulos de inclinação

superiores a θ vs, o mesmo sofrerá emborcamento.

Especialização em Engenharia Naval

Módulo 1 – Arquitetura Naval

58

Outra informação importante diz respeito à área sob a região positiva da curva. A

importância deste parâmetro está relacionada ao conceito de estabilidade

dinâmica, discutido mais adiante.

É interessante observar que, como ilustrado na Figura 32, pode-se obter o valor

de GM a partir da CEE. De fato, o valor de GM corresponde à inclinação da CEE

para pequenos ângulos de inclinação. Isto pode ser facilmente depreendido a

partir da equação para o momento restaurador, lembrando que θθ ≅sen para

valores pequenos de θ. Dessa forma, a reta tangente à CEE em seu início

corresponde à reta cuja equação é dada por θ.GMGZ = e, portanto, o valor de

GM pode ser obtido sobre esta reta para um ângulo equivalente a 1 radiano

(57,3o).

5.4 Alagamento e subdivisão

Se o casco de uma embarcação sofrer uma avaria que implique no alagamento

de um de seus compartimentos, uma parte da flutuação (empuxo) será perdida. O

calado aumentará e haverá mudança de posição do centro de carena (que pode

ser no sentido transversal e / ou longitudinal, dependendo da posição do

alagamento). Nessa situação, portanto, as características de estabilidade da

embarcação mudarão, podendo levar ao risco de um emborcamento.

Para controlar esse risco, os navios são subdivididos em compartimentos

estanques, de forma a confinar um eventual alagamento a um determinado

volume interno do casco. Tal subdivisão deve ser feita com base no chamado

estudo de estabilidade em condição de avaria.

Para alguns tipos de embarcações, há normas internacionais rígidas que impõem

regras para a sua compartimentagem, caso dos navios de passageiros.

Logicamente, a incorporação de anteparas estanques normalmente conflita com a

facilidade de movimentação de carga no interior de uma embarcação. Navios para

os quais esse conflito é bastante sério são, por exemplo, os chamados navios ro-

ro (“roll-on, roll-off”) que transportam veículos automotores em seu interior.

Maiores detalhes sobre estudos de compartimentagem serão apresentados em

módulos futuros do curso.

Especialização em Engenharia Naval

Módulo 1 – Arquitetura Naval

59

6. ESTABILIDADE DINÂMICA

Uma embarcação está sujeita a ação de diferentes fatores que impõem cargas

dinâmicas e excitam seus movimentos. As ondas do mar, mudanças na

velocidade e direção dos ventos e até mesmo a ação do leme durante manobras

resultam em movimentos cíclicos (oscilatórios) da embarcação.

O estudo do comportamento no mar (em inglês, “seakeeping”) de uma

embarcação sujeita aos agentes ambientais de ondas, ventos e correnteza será

estudado em maiores detalhes no módulo de hidrodinâmica. No momento, tem-se

interesse apenas em discutir os efeitos desses movimentos sobre a segurança da

embarcação. Particularmente com relação ao movimento de “jogo” (“roll”), que

corresponde à rotação do casco em torno de seu eixo longitudinal, e em como

garantir que esse movimento não implique em risco de emborcamento.

Para tanto, algumas características particulares do movimento de “roll” devem ser

destacadas. Em primeiro lugar, como discutida na seção anterior, a restauração

do movimento em “roll” é diretamente proporcional à altura metacêntrica da

embarcação (GM). Uma vez que valores moderados de GM devem ser adotados

para evitar acelerações muito elevadas, uma embarcação convencional é, via de

regra, susceptível a ângulos de “roll” relativamente altos. Além disso, em função

da geometria usual dos cascos, esse movimento é pouco amortecido, o que

também contribui para oscilações maiores. Por fim, os períodos de oscilação das

ondas do mar podem coincidir, em algumas situações, com o período natural

deste movimento, induzindo a ressonância e implicando em grandes movimentos.

Pelas razões acima descritas, o movimento de “roll” é aquele que normalmente

causa maiores preocupações em termos de estabilidade e segurança.

A seguir serão discutidos os principais conceitos envolvidos no estudo de

estabilidade dinâmica de uma embarcação.

6.1 Curva de Estabilidade Estática e Energia do Movimento

Embora a CEE seja uma representação do momento restaurador para um ângulo

de inclinação fixo (problema estático), ela pode ser usada como medida do

Especialização em Engenharia Naval

Módulo 1 – Arquitetura Naval

60

trabalho (ou energia) envolvida ao se variar o ângulo de inclinação do navio. De

fato, suponha que um corpo rígido, sujeito à ação de um momento M, constante,

sofra uma rotação de um ângulo Δθ. Sabe-se que o trabalho realizado sobre o

corpo para essa rotação será, então, dado por:

θΔ⋅= MW .

No caso do movimento de “roll” de um navio, no entanto, o momento de

restauração não é constante, mas depende do ângulo de inclinação. Assim,

escreve-se o trabalho envolvido para levar o navio de uma situação A para uma

situação B como:

∫= B

A dMW θθ )( .

Por exemplo, o trabalho necessário para inclinar um navio de 30o a partir da

situação de equilíbrio original é dada por4:

∫∫ Δ== 6/

0

6/

0 )()(

ππ

θθθθ dGZdMW .

E, portanto, corresponde à própria área sob a CEE na faixa de ângulos entre 0 o e

30o, conforme ilustrado na Figura 33.

Quando o navio sofre a ação das ondas do mar, o que determinará os ângulos

máximos de movimento será o balanço entre a energia imposta pelas ondas

sobre o casco e a energia gasta para girar o navio de um certo ângulo5. O estudo

do trabalho baseado na CEE, embora simplificado, fornece assim estimativas

quantitativas que permitem prever os ângulos máximos em situações críticas de

ondas. Esse estudo é comumente chamado de estudo de estabilidade dinâmica.

4 Para a integração, o ângulo deve ser medido em radianos. 5 Lembrar que o trabalho está diretamente relacionado à variação de energia cinética.

Especialização em Engenharia Naval

Módulo 1 – Arquitetura Naval

61

Figura 33: CEE e sua relação com Trabalho/Energia. Fonte: PNA, 1988.

Diz se tratar de uma análise simplificada porque, embora esteja relacionada com

a dinâmica da embarcação, ela se baseia apenas em resultados estáticos de

estabilidade (por exemplo, efeitos hidrodinâmicos relacionados ao movimento de

rotação do navio não são considerados, assim como a influência das ondas sobre

a CEE).

Esse balanço de energia serve como base para diferentes normas internacionais

relativas à estabilidade dinâmica de uma embarcação. Estas normas utilizam

estimativas do momento de emborcamento proporcionado por ondas e vento e as

informações da CEE para impor critérios que limitam os ângulos máximos que

podem ser alcançados pelo navio em situações ambientais extremas e, dessa

forma, eliminar o risco de um emborcamento induzido pelo movimento de “roll”.

6.2 Sistemas para Redução do Movimento de “Roll”

Por fim, vale mencionar algumas medidas de projeto que são usualmente

adotadas para reduzir o jogo de navios. Vários mecanismos são empregados para

este fim e podem ser categorizados em passivos ou ativos. Dentre os sistemas

passivos, muitos navios empregam, por exemplo, as chamadas bolinas fixas

(“bilge keels”) como forma de aumentar o deslocamento de água quando o navio

joga e, dessa forma, aumentar o amortecimento. Quanto maior o amortecimento,

maior a dissipação de energia com o movimento e, assim, menor será sua

amplitude. Outro sistema passivo consiste nos chamados tanques “anti-roll”. O

Especialização em Engenharia Naval

Módulo 1 – Arquitetura Naval

62

princípio deste sistema consiste em tanques internos interligados de forma que,

quando o navio joga, há movimento de água de um tanque para o outro,

dissipando, assim, parte da energia do movimento. Por outro lado, dentre os

sistemas baseados em mecanismos ativos, destacam-se os chamados

estabilizadores de “roll” (“fin stabilizers”), ilustrados na Figura 34.

(a)

(b)

Figura 34: Estabilizadores: (a) tanques “anti-roll”; (b) “fin stabilizers”. Fonte: Benford, 1991.

Este sistema é capaz de identificar o ângulo de inclinação do navio e a velocidade

de rotação do mesmo e, através desta monitoração, ajustar o ângulo de ataque

dos estabilizadores. Estes estabilizadores funcionam como asas, gerando uma

força de sustentação (“lift”) que se opõe ao giro do navio. Muitos navios de

passageiros modernos utilizam sistemas deste tipo para minimizar o desconforto

dos passageiros em mares agitados.

Especialização em Engenharia Naval

Módulo 1 – Arquitetura Naval

63

7. RESISTÊNCIA AO AVANÇO E POTÊNCIA REQUERIDA

Mesmo com o avanço da capacidade de processamento computacional e das

técnicas numéricas que constituem a chamada mecânica dos fluidos

computacional (“computational fluid dynamics, CFD”), ainda hoje não existem

meios consolidados e validados para uma estimativa teórica confiável da força de

resistência experimentada por um navio ao se deslocar sobre a superfície da

água. Assim, o problema de determinação da resistência ao avanço de uma

embarcação de superfície ainda depende fortemente de ensaios em tanque de

provas e de modelos semi-empíricos.

Dada a intrincada natureza do fenômeno, até meados do século XIX não havia

formas de se estimar a resistência que um determinado casco sofreria ao se

deslocar com uma certa velocidade, ou, o que é equivalente, não havia meios

científicos capazes de prever a força necessária para mover um determinado

casco com uma certa velocidade de avanço.

A razão para as dificuldades apontadas acima reside na própria natureza do

fenômeno, com sua forte dependência de efeitos de viscosidade no fluido e da

interação destes com efeitos ondulatórios na superfície-livre. De fato, quando um

navio de formas usuais se movimenta com velocidade de avanço, U, constante

em águas calmas (na ausência de ondas), ele sofre a ação de duas componentes

principais de resistência:

Resistência Friccional: corresponde à força de atrito exercida pelo fluido

sobre a superfície molhada do casco. É devida à viscosidade da água e

diretamente proporcional à área de superfície molhada do casco (SW). Em

razão da origem viscosa do fenômeno, a magnitude das forças de atrito

depende também de um adimensional denominado número de Reynolds

(Rn), dado por:

μρ /WLULRn = , onde μ representa o coeficiente de viscosidade dinâmica

do fluido. Fisicamente, o parâmetro Rn relaciona a magnitude das forças

inerciais e viscosas de um escoamento.

Especialização em Engenharia Naval

Módulo 1 – Arquitetura Naval

64

Resistência de Ondas: corresponde à força de resistência que surge sobre

o casco devido à geração do trem de ondas que se forma à ré da

embarcação conforme ela se desloca. De fato, essas ondas carregam com

si uma quantidade de energia, energia essa que advém do deslocamento

do corpo e, portanto, a geração destas ondas está associada a uma força,

a qual se opõe ao movimento do corpo.

(a) (b)

Figura 35: Vista do campo de ondas gerado pelo deslocamento de um navio: (a) diagrama esquemático; (b) vista aérea. Fonte: PNA, 1988.

A resistência de ondas depende da geometria do corpo e o parâmetro

físico que a controla é o chamado número de Froude (Fn), conforme já

apresentado na seção 4.2.3:

Lg UFn

⋅ = .

Fisicamente, a geração de ondas está associada a variações do campo de

pressões do fluido quando o navio se desloca, especialmente na proa e na

popa, que são as regiões onde a pressão varia de forma mais abrupta. No

módulo de Hidrodinâmica será visto que a interação entre os trens de

ondas gerados à proa e à popa influencia fortemente essa componente de

resistência.

Especialização em Engenharia Naval

Módulo 1 – Arquitetura Naval

65

Para embarcações de formas usuais, as duas componentes acima respondem

pela maior parte da resistência ao avanço de uma embarcação. No entanto,

outras componentes existem e contribuem com uma parcela de força. Dentre

essas componentes pode-se destacar a chamada resistência de separação

(resultante da separação da camada-limite sobre o casco, associada ao chamado

arrasto de forma) e a resistência que surge devido à “quebra” da onda de proa

(em geral importante para cascos rombudos, como os de navios petroleiros). A

mostra uma relação aproximada entre essas componentes da resistência ao

avanço para duas condições de velocidade.

Figura 36: Relação entre as componentes da resistência em duas condições de velocidade de avanço.

7.1 Ensaios em Tanques de Provas

Como mencionado anteriormente, a determinação da resistência ao avanço de

uma embarcação ainda depende de resultados experimentais. Esses resultados

são obtidos através do reboque de um modelo do casco em um tanque de provas,

Especialização em Engenharia Naval

Módulo 1 – Arquitetura Naval

66

Figura 37: Ensaio de reboque em tanque de provas: (a) o carro de reboque (dinamométrico), (b) modelo em escala reduzida.

A

escala real fo lta de 1870.

ver Figura 37. Esse modelo, construído em escala-reduzida mantendo

semelhança geométrica com o casco real, é rebocado com diferentes velocidades

e as forças sobre o mesmo são medidas através de células de carga.

(a)

(b)

metodologia que permite extrapolar os resultados obtidos com o modelo para a

i proposta originalmente por William Froude, por vo

Froude, trabalhando em tanque de provas, percebeu que as duas principais

componentes de resistência (friccional e de ondas) são controladas por

parâmetros físicos distintos e que ao reduzir a escala do problema não é possível

manter os dois parâmetros inalterados simultaneamente. Dessa forma, não seria

possível garantir semelhança dinâmica completa. Froude, no entanto, contornou

esse problema supondo que as duas componentes pudessem ser medidas de

forma independente.

Especialização em Engenharia Naval

Módulo 1 – Arquitetura Naval

67

de-se a resistência total sobre o modelo (chamada de RTm),

O chamado Método de Froude consiste no seguinte procedimento: através de um

ensaio de reboque me

mantendo-se apenas o número de Froude do modelo igual ao da escala real (Fnm

= Fnr). Pode-se, então, adimensionalizar essa força de resistência total, obtendo-

se o chamado coeficiente de resistência total do modelo (CTm):

2)(2/1 ),( mm

W

m Tm

T VS RFnRnC

ρ =

Obviamente, o coeficiente CT depende dos dois parâmetros (Rn e Fn).

O insight de Froude foi admitir que as duas componentes de resistência

um único

F

de uma placa plana. Naquela oportunidade, já havia uma série de resultados

tional Towing Tank Conference”, 1957, que relaciona o coeficiente de

pudessem ser separadas e que cada uma delas dependesse de

parâmetro de controle. Assim, sendo CFm o coeficiente de resistência friccional do

modelo e CWm o coeficiente de resistência de ondas, pode-se escrever:

)()(),( FnCRnCFnRnC mW m

F m

T += .

Froude, à época, sugeriu aproximar o coeficiente C m por aquele obtido no ensaio

experimentais de arrasto em placas planas e que relacionavam a força de atrito

ao Rn.

Atualmente, o modelo comumente empregado é o sugerido pela ITTC –

“Interna

fricção ao Rn na forma:

( )210 2)(log 075.0)(

− =

Rn RnCF .

Dessa forma, a partir da força total sobre o modelo, pode-se estimar o coeficiente

de resistência de ondas do modelo:

stência total do navio em escala real,

soma-se o coeficiente friccional calculado com o Rn da escala real ao coeficiente

de ondas acima (uma vez que Fnm = Fnr), obtendo:

m F

m T

m w CCC −= .

Por fim, para estimar o coeficiente de resi

Especialização em Engenharia Naval

Módulo 1 – Arquitetura Naval

68

velocidade real (U ) será

.

ão. Um dos problemas reside no fato de que, ao se descontar a

resistência friccional, , restam ainda outras componentes de

de, algumas modificações foram

ques de provas envolvem processos demorados e custosos.

Assim, com o passar do tempo foram realizados trabalhos experimentais de

s tipos de cascos. Tais trabalhos consistiam em

m w

r F

r T CCC += .

E, assim, a resistência total do navio navegando com r

dada por:

r TW

r T CVSR

22/1 ρ=

É importante ressaltar que o método de Froude, exposto acima, representa uma

aproximaç

mF m

T m

w CCC −=

força além daquela associada à geração de ondas. Por exemplo, há a

componente oriunda da separação da camada-limite, a qual acaba incorporada ao

coeficiente CWm, mas depende basicamente do número de Reynolds, Rn.

Assim, por se tratar de uma simplificação, algumas discrepâncias aparecem entre

a resistência prevista de acordo com o modelo acima e a força efetivamente

medida em ensaios de reboque na escala real.

Em geral, essas discrepâncias são de pequena monta para a grande maioria dos

cascos e, por essa razão, o método é empregado em sua essência até os dias

atuais. Todavia, desde os trabalhos de Frou

propostas para reduzir as eventuais discrepâncias e serão discutidas com

maiores detalhes no transcorrer do curso, em especial no módulo de

Hidrodinâmica.

7.2 Séries Sistemáticas

Ensaios em tan

parametrização para diferente

definir um modelo-base para um determinado casco (por exemplo, um navio

petroleiro) e, então, uma série de outros modelos com parâmetros geométricos

distintos (por exemplo, L/B, B/T, Cb, Cp, etc...). Com isso, tentava-se varrer as

faixas usuais para estes diferentes parâmetros, procedendo-se a ensaios de

Especialização em Engenharia Naval

Módulo 1 – Arquitetura Naval

69

ência ao avanço de um determinado

de projeto básico, evitando que um grande número de ensaios

ações, desde navios mercantes (as clássicas séries de Taylor e série

Os estudos de resistência ao avanço fornecem os resultados necessários para se

ue um determinado navio possa

(R), sabe-se a potência necessária para manter o

Obviamente, devido a perdas de potência associadas ao propulsor, à transmissão

que a efetiva. Dessa

resistência para diferentes modelos e, desta forma, gerando o que se

convencionou chamar de série sistemática.

Uma série sistemática nada mais é, portanto, que uma compilação de resultados

experimentais que permite estimar a resist

casco com base em interpolações de resultados experimentais. De forma

equivalente, permite estimar os parâmetros geométricos principais de um casco

que garantam boas características de resistência para uma faixa de velocidades

pré-estabelecida.

O emprego de séries sistemáticas facilita bastante o projeto de um casco, em

especial as etapas

tenha que ser realizado para se avaliar a influência de modificações na geometria

do casco.

Atualmente, existem séries sistemáticas apropriadas para os mais diferentes tipos

de embarc

60) até veleiros, catamarãs e lanchas de planeio.

7.3 Determinação da Potência Requerida

determinar a potência de motor necessária para q

atingir uma certa velocidade.

Uma vez definida a velocidade máxima de projeto (U) e a resistência ao avanço

associada a esta velocidade

movimento (dada simplesmente pelo produto da força pela velocidade):

URP ⋅= .

Essa potência é normalmente chamada de potência efetiva.

e ao próprio motor, a potência instalada deverá ser maior do

forma, para a determinação desta potência, devem ser consideradas as diferentes

eficiências mecânicas (do propulsor, da transmissão, do motor) além de se

proceder ao chamado estudo de interação casco-hélice-motor.

Especialização em Engenharia Naval

Módulo 1 – Arquitetura Naval

70

características são

Este estudo, fundamental para o estudo de potência, se destina a quantificar as

interações hidrodinâmicas entre o casco e o propulsor (cujas

usualmente obtidas na ausência de um casco, ou em “águas abertas”) e o reflexo

destas sobre a potência requerida.

Maiores detalhes serão fornecidos no Módulo 5, que trata de sistemas de

propulsão.

Especialização em Engenharia Naval

Módulo 1 – Arquitetura Naval

71

8. PROPULSÃO E SISTEMAS AUXILIARES

A operação de qualquer navio demanda energia, quer seja mecânica, elétrica ou

térmica. A demanda principal é, em geral, para o sistema propulsor, mas outros

sistemas, ditos auxiliares, também requerem energia.

Existem diversas alternativas de geração de energia, dependendo do tipo de

navio e requisitos de operação. Nos navios comerciais convencionais, tais com

petroleiros e “graneleiros”, normalmente tem-se: o motor diesel acionando o

hélice; um conjunto de geradores a diesel fornecendo energia elétrica para os

outros sistemas e uma caldeira para a geração de vapor. Nesta configuração o

motor diesel que aciona o hélice é denominado de Motor de Combustão Principal

(MCP) e os motores diesel que acionam os geradores elétricos de Motores de

Combustão Auxiliar (MCA).

No que se refere aos principais sistemas auxiliares, que também estão alocados

no interior da praça de máquinas, normalmente se tem:

a) Geração de energia elétrica: este sistema gera energia para todos os

equipamentos e aparelhos que demandam eletricidade, além de

garantir a iluminação de todo o navio;

b) Geração de vapor: necessária para a parte de hotelaria e também para

o aquecimento do óleo combustível.

c) Transferência e tratamento de óleo combustível: o óleo combustível que

geralmente se utiliza nos navios é do tipo Bunker C (óleo pesado),

sendo armazenado nos duplos fundos, abaixo do compartimento de

cargas. Este sistema transfere o óleo combustível até a praça de

máquinas e também permite a manobra entre os tanques para evitar o

adernamento do navio. Além disso, também faz o tratamento do óleo

combustível, uma vez que este não é apropriado para a utilização direta

nos motores diesel.

Especialização em Engenharia Naval

Módulo 1 – Arquitetura Naval

72

d) Arrefecimento: este sistema faz circular a água salgada responsável

pelo resfriamento do óleo lubrificante e, por conseqüência, dos próprios

motores.

e) Combate a incêndio: um dos sistemas de combate a incêndio é

baseado no lançamento de água salgada, captada e bombeada para as

várias partes do navio, a partir da praça de máquinas.

f) De esgoto e de lastro: o sistema de esgoto, que normalmente atende os

volumes localizados na praça de máquinas, elimina os detritos líquidos

provenientes de vazamento de óleo ou de água. Já o sistema de lastro

esgota a água dos tanques de lastro.

g) Geração de água doce: este sistema gera água potável a partir da água

salgada, pois embora todo navio possua tanques de água doce, e estes

sejam abastecidos nos portos, seus volumes muitas vezes não

condizem com as necessidades da tripulação, principalmente em

viagens longas.

h) Ar comprimido: a principal função do sistema de ar comprimido é

auxiliar na partida nos motores diesel, sendo também utilizado nas

operações rotineiras na oficina do navio.

Desta forma, o sistema propulsor e seus sistemas auxiliares garantem a

locomoção autônoma do navio no mar, promovendo conforto e segurança à

tripulação e passageiros.

A Figura 38 ilustra alguns arranjos de sistema propulsor de acordo com o tipo de

MCP e propulsor (de passo fixo – “fixed pitch propeller” ou passo variável –

“controllable and reversible pitch propeller”).

Especialização em Engenharia Naval

Módulo 1 – Arquitetura Naval

73

Figura 38: Arranjo geral de alguns sistemas propulsores. Fonte: Benford, 1991.

Todos esses elementos que ocupam espaço na praça de máquinas serão

detalhados em profundidade no módulo específico sobre propulsão, cabendo por

enquanto apenas uma breve discussão quanto ao seu arranjo e, principalmente

localização ao longo do navio.

Como primeiro aspecto, convém destacar que em navios comerciais as regiões

habitáveis e de navegação do navio normalmente se situam acima da praça de

máquinas.

Especialização em Engenharia Naval

Módulo 1 – Arquitetura Naval

74

Nos navios porta containeres, petroleiros e graneleiros, a praça de máquinas em

geral se situa à popa, o que não acontece com os navios roll-on / roll-off e ferries

onde esta se apresenta à meia nau.

Cada um desses arranjos mostra vantagens e desvantagens. No caso da

instalação à meia nau, é possível efetuar o carregamento do navio com menores

problemas de trim e, eventualmente, com uma estrutura de casco ligeiramente

menor que aquela definida por uma praça de máquinas a ré. Conforme

mencionado, como em geral o passadiço fica acima da praça de máquinas, a

visão do comandante tanto a ré como avante é melhor no arranjo à meia nau,

além de aumentar o conforto para os tripulantes, pois nesta condição sofrem

menos a influência do caturro. No entanto, arranjos de meia nau representam

grande dificuldade à transmissão de potência do MCP para o hélice (propulsor),

ocupando um espaço que poderia ser destinado às cargas, além de representar

peso adicional devido às longas linhas de eixo propulsor. Tal problema pode ser

eliminado se for(em) utilizado(s) motor(es) elétrico(s) para o acionamento.

Por outro lado, praças de máquinas a ré têm a vantagem de facilitar a

movimentação da carga nos portos e terem eixos propulsores de comprimento

reduzido. No entanto, aumentam o desconforto da tripulação, pois o movimento

vertical provocado pelo caturro é maior nesta região, além do eventual

desconforto promovido por uma maior vibração provocada pelo conjunto: motor

diesel mais hélice.

Independente da localização, não se deve esquecer que as praças de máquinas

prescindem de um sistema forçado de ar, graças à grande vazão demandada

pelos motores. Além disso, um sistema de exaustão dos gases de combustão

também é importante, cujos dutos geralmente saem verticalmente da praça de

máquinas, terminando em alturas superiores àquela do tijupá do navio.

Especialização em Engenharia Naval

Módulo 1 – Arquitetura Naval

75

9. A ESTRUTURA DO NAVIO

9.1 Requisitos para a Resistência do Casco

Nesta seção são apresentados e discutidos os tipos de carregamentos aos quais

o navio estará sujeito em serviço, bem como as características mínimas

necessárias para garantir que seja suficientemente resistente para suportá-los.

Obviamente, pressupõe-se que não haja uma resistência exagerada e,

conseqüentemente, um excesso de peso da estrutura.

Uma das primeiras funções da estrutura é prover resistência aos carregamentos

distribuídos ao longo do comprimento do navio, que podem literalmente levá-lo a

se quebrar em dois.

Solicitações desta natureza não representam preocupação para pequenas

embarcações, mas são de fundamental importância para navios, onde a

dimensão longitudinal é apreciável.

Em primeira análise, o navio pode ser considerado como uma grande estrutura

“em forma de caixa”, formada pelas estruturas de fundo, constado e convés

principal.

Através de uma boa estimativa, a melhor possível, os projetistas buscam suprir

resistência suficiente para que esta estrutura simplificada além de suportar todos

os carregamentos dispostos ao longo do seu comprimento, também apresente

uma vida útil mínima, inclusive considerando efeitos corrosivos que podem

atenuá-la.

A Figura 39 ilustra cinco situações possíveis as quais esta estrutura em forma de

caixa pode estar sujeita, considerando carga no convés e a ação de ondas com

comprimento da ordem de grandeza do comprimento do navio.

Nas três primeiras situações (A, B e C) a estrutura encontra-se em águas calmas

(sem a ação de ondas) e suporta distribuições diferentes de carga no convés.

Em A essa carga é distribuída ao longo do comprimento, ou seja, em uma

condição onde a solicitação encontra-se perfeitamente alinhada e uniformemente

Especialização em Engenharia Naval

Módulo 1 – Arquitetura Naval

76

sustentada pela força hidrostática (empuxo). Nesta situação há solicitações

localizadas, porém não há uma tendência de solicitar o navio na condição de

quebrá-lo em duas partes.

Figura 39: Cinco condições de carregamento longitudinal.

Já em B, com partes iguais da carga dispostas na proa e na popa do navio, há

uma tendência de afundamento das extremidades e a possibilidade de se quebrar

a estrutura ao meio (dependendo dos níveis de solicitação). Esta é a conhecida

condição de alquebramento, em inglês “hogging”.

Situação semelhante é ilustrada em C, onde a carga é concentrada a meia nau e,

portanto, a força de sustentação hidrostática (não mais uniforme) tende a solicitar

a embarcação em uma situação onde se verifica a compressão da estrutura de

convés e a tração da estrutura de fundo. Esta situação é conhecida como

tosamento, ou em inglês por “sagging”.

Situações análogas a B e C acontecem respectivamente em D e E. Nestas

últimas, porém, a distribuição de carga no convés volta a ser uniforme ao longo do

comprimento e é a variação no empuxo, promovida pela diferença de elevação da

Especialização em Engenharia Naval

Módulo 1 – Arquitetura Naval

77

onda, que promove as condições de alquebramento e tosamento, também

ilustradas em Figura 40.

Figura 40: Solicitações primárias: (1) Tosamento e (2) Alquebramento. Fonte: http://www.answers.com.

Estágios seguintes do dimensionamento estrutural dizem respeito às análises das

denominadas estruturas secundária e terciária.

Como parte integrante da viga navio, a estrutura secundária também contribui

para sua resistência. No entanto, juntamente com a estrutura terciária (mais

adiante descrita) tem fundamental importância na resistência às cargas

localizadas do tipo:

• Cargas dispostas sobre os conveses;

• Pressões hidrostáticas e hidrodinâmicas.

A estrutura secundária é composta pelos reforçadores pesados (formando uma

grelha) e reforçadores leves (delimitando as unidades de chapeamento). A

respeito dos perfis de reforço, cumpre destacar que estes se defletirão e

deformarão carregando consigo porções do chapeamento e que, portanto,

também resistirão à deformação secundária.

Para o dimensionamento secundário os perfis são divididos quanto:

• Ao tamanho: leves e pesados;

Especialização em Engenharia Naval

Módulo 1 – Arquitetura Naval

78

• À direção em que se dispõem: longitudinal e transversal.

A Figura 41 ilustra todos os elementos de enrijecimento (leves e pesados)

solicitados por cargas laterais no chapeamento e que, da forma como

construídos, formam um conjunto resistente único.

Figura 41: Detalhe de um painel do fundo do navio: (1) quilha; (2) chapeamento; (3) hastilha; (4) longitudinal leve; (5) antepara transversal e (6)

antepara longitudinal. Fonte: Oscar Brito Augusto, 1996.

Neste ponto, vale lembrar algumas definições (segundo Oscar A. Brito, 1996):

• Unidade de chapeamento: é a porção de chapa limitada por dois perfis

adjacentes na direção longitudinal e outros dois na direção transversal;

• Painel: no caso mais geral tomado para estudo, é a porção da estrutura

secundária formada por chapeamento, perfis leves e perfis pesados.

Contém, portanto, pelo menos duas unidades de chapeamento.

• Grelha: é um conjunto de vigas que se interceptam. Caso elas sejam

ortogonais diz-se que a grelha é ortogonal.

• Grelha chapeada: quando se tem um conjunto de perfis que se

interceptam, soldados a chapeamento em um lado (caso do convés) ou em

dois lados (caso do duplo fundo), diz-se que se tem uma grelha chapeada.

Nesse caso supõe-se que o chapeamento, em lugar de ser contínuo, como

Especialização em Engenharia Naval

Módulo 1 – Arquitetura Naval

79

realmente é, constitui-se de tiras de chapa que se soldam aos perfis,

servindo-lhes de flanges. Desta forma em lugar de um chapeamento

reforçado, supõe-se que se tem uma verdadeira grelha, na qual cada viga

é formada por um perfil com a tira de chapa que se lhe supõe soldada.

Essa tira é chamada chapa colaborante e essa grelha fictícia é designada

por grelha chapeada, ver Figura 42.

Figura 42: Chapa colaborante mais perfil de reforço. Fonte: Oscar Brito Augusto, 1996.

Por sua vez, a estrutura terciária tem a função dupla de contribuir para a

resistência primária e na resistência à pressão lateral sobre o casco. Sua

continuidade estrutural garante a estanqueidade do casco e sua área transversal

contribui significativamente para a inércia da Viga Navio.

A Figura 43 faz uma síntese esquemática desta distinção estrutural. Nesta figura:

1) Representa a estrutura primária:

2) Representa a estrutura secundária;

3) Representa a estrutura terciária.

a. Anteparas

b. Reforços no nível secundário;

c. Reforços transversais;

d. Reforços longitudinais;

e. Chapeamento;

Especialização em Engenharia Naval

Módulo 1 – Arquitetura Naval

80

Maiores detalhes, conceitos e procedimentos do dimensionamento estrutural

serão explorados com propriedade no Módulo 4.

Figura 43: Estruturas primária, secundária e terciária. Fonte: http://www.answers.com.

Adiante, serão apresentados alguns aspectos do arranjo estrutural do navio.

9.2 Arranjos Estruturais Típicos

Com base nas solicitações agindo sobre as estruturas primária, secundária e

terciária, faz-se necessária uma breve discussão quanto aos aspectos mais

importantes que caracterizam os arranjos estruturais típicos.

A garantia de integridade do navio suscita a necessidade de reforços do casco,

como visto, elementos estruturais internos (cavername ou cavernamento).

Obviamente, embarcações miúdas, por exemplo: canoas, podem se valer de suas

formas para garantir a resistência e rigidez necessária às solicitações impostas.

Assim, estas embarcações prescindem da maioria dos reforços apresentados.

Especialização em Engenharia Naval

Módulo 1 – Arquitetura Naval

81

A grande maioria das embarcações, no entanto, têm seu chapeamento reforçado

por perfis, como mostra a Figura 44.

Figura 44: Perfis de reforço. Fonte: Benford, 1991.

A inversão típica dos perfis permite condições mais favoráveis de reforço

estrutural, já que, desta forma, promovem um aumento da inércia da seção

transversal (chapa colaborante mais reforçador).

Em linhas gerais, esse cavernamento pode se apresentar das seguintes formas:

• Transversal: se os reforçadores mais pesados se encontram dispostos

transversalmente ao casco. É comum em embarcações de menor porte e

nos projetos antigos de embarcações construídas em madeira. Ver Figura

45.

• Longitudinal: se nesta configuração os reforçadores mais pesados se

dispõem ao longo da embarcação, o que, naturalmente, oferece vantagens

na integridade da viga navio. Além disso, em geral, cavernamentos

longitudinais são mais leves, se comparados com a mesma embarcação

construída segundo um cavername transversal.

Especialização em Engenharia Naval

Módulo 1 – Arquitetura Naval

82

• Diagonal: em algumas embarcações aparecem na proa (denominado de

“chevron frame”) e na popa (denominado de “cant frame”).

Figura 45: Cavernamentos: transversal e longitudinal. Fonte: Oscar Brito Augusto, 1996.

Podem existir cavernamentos combinados (longitudinal no fundo e transversal nos

costados), dependendo da especificidade da embarcação. Existem, ainda,

embarcações com cavername transversal na proa e popa, bem como um

cavername longitudinal entre estas regiões.

Independente do tipo de cavernamento, é importante deixar claro que existem

distâncias ótimas entre os reforçadores do casco, que minimizam o peso,

contudo, sem comprometer a integridade da estrutura. Há que se lembrar, ainda,

que maiores distâncias entre reforçadores proporcionam condições mais

favoráveis para a instalação e operação de equipamentos de bordo, bem como a

manipulação da carga.

No que concerne à seção transversal do navio, são três as configurações típicas.

De acordo com a Figura 46(a), tem-se um primeira configuração convencional

Especialização em Engenharia Naval

Módulo 1 – Arquitetura Naval

83

caracterizada por um único forro estanque (chapeamento em verde), reforçado

por estruturas longitudinais pesadas e transversais mais leves (em preto). A

Figura 46(b), por sua vez, ilustra uma seção transversal de navio caracterizada

pela presença de um duplo-fundo. Finalmente, na Figura 46(c), tem-se uma

configuração de duplo casco, ou seja, fundo e costado são caracterizados por um

forro estanque duplo. Nesta última configuração o forro externo refere-se ao

casco propriamente dito e o forro interno a uma barreira redundante que confere

estanqueidade ao navio mesmo em condições de avaria. Em alguns casos, o

espaço entre estes dois forros é usado como: reserva de flutuabilidade (lembrar

dos navios roll-on / roll-off) e / ou tanques de lastro, inclusive para a

implementação de sistemas de estabilização, rever Figura 34a).

Figura 46: Seções transversais típicas: (a) casco simples; (b) casco com duplo-fundo e (c) casco duplo (costado e fundo). Fonte:

http://www.answers.com.

Cascos duplos são virtualmente mais seguros que cascos simples, daí sua

exigência em navios de passageiros. Após o acidente com o navio Exxon Valdez,

quando milhares de metros cúbicos de óleo vazaram após uma colisão na baía de

Valdez – Alasca, a “International Convention for the Prevention of Pollution from

Ships”, ou mais conhecida com “MARPOL Convention” determinou que todos os

navios petroleiros e de transporte de derivados fossem pelo menos dotados de

duplo-fundo, rever Figura 10.

Obviamente, a adoção do duplo-costado tem implicações diretas na maior

resistência da viga navio, o que é bom, porém traz dificuldades à estabilidade

Especialização em Engenharia Naval

Módulo 1 – Arquitetura Naval

84

transversal, visto que promove uma elevação no centro de gravidade do navio.

Além disso, dependendo da avaria, a distância entre os forros externo e interno

pode não ser suficiente para garantir sua maior vantagem.

Outros arranjos estruturais de seção transversal são apresentados na Figura 47.

Nela se identificam seções típicas de:

• Graneleiros (convencional e com fundo dotado de geometria para a auto-

descarga);

• Navios para transporte de minério;

• Roll-on / Roll-off;

• Carga Geral

Figura 47: Outras seções transversais típicas. Fonte: Benford, 1991.

Especialização em Engenharia Naval

Módulo 1 – Arquitetura Naval

85

9.3 As Sociedades Classificadoras

Sociedades Classificadoras, tais como DNV – Det Norske Veritas e a ABS –

American Bureau of Shipping, têm procedimentos estabelecidos para o cálculo

dos esforços solicitantes, requisitos de resistência, dimensões de chapeamento e

reforçadores, entre outros.

Estes procedimentos agilizam o processo preliminar de dimensionamento

estrutural. No entanto, sevem apenas como ponto de partida, visto que, em geral,

são conservadores, fornecendo resultados sobre-dimensionados, que necessitam

posterior análise racional.

9.4 Modelagem Numérica

Contrapondo-se à possibilidade de se desenvolverem análises precisas e

confiáveis sem a necessidade de ferramentas matemáticas (ou com a mínima

necessidade), atualmente existem poderosas e modernas ferramentas

computacionais capazes de gerar modelos digitais da estrutura com muito mais

detalhes, “CAD – Computer Aided Design”.

Estas ferramentas, aliadas ao Método dos Elementos Finitos, permitem aos

projetistas obter resultados mais rápidos e precisos, mesmo para geometrias e

condições de carregamentos complexos.

No entanto, isto não significa que o projetista possa abrir mão de dominar a teoria

de dimensionamento estrutural, visto que caberá a ele avaliar os resultados e,

além disso, etapas preliminares de projeto nem sempre contam com informação

suficiente para uma solução computacional. Nestas etapas é comum uma

abordagem sem o uso dessas ferramentas.

A título de ilustração as Figuras seguintes mostram dois exemplos de falhas

estruturais com navios.

Especialização em Engenharia Naval

Módulo 1 – Arquitetura Naval

86

Figura 48: Dois exemplos de falhas estruturais com navios.

Especialização em Engenharia Naval

Módulo 1 – Arquitetura Naval

87

10. MATERIAIS PARA A CONSTRUÇÃO NAVAL

Indiscutivelmente os grandes avanços da construção naval estão intimamente

ligados aos avanços da ciência dos materiais. Por exemplo, embarcações com

sustentação por hidrofólios, rever Figura 3, já haviam sido propostos por

Alexander Graham Bell, no início do século passado. No entanto, só vieram a se

tornar possíveis com a disponibilidade de materiais mais leves, e tecnologias de

construção adequadas aos mesmos. Desta forma, engenheiros navais procuram

estar constantemente informados a respeito das inovações na ciência dos

materiais, como forma de, eventualmente, suscitar novas possibilidades e

soluções.

A seleção do material para a construção naval não é tarefa fácil por inúmeros

motivos, principalmente devido à grande variedade: aço, ligas de alumínio,

madeira, compósitos, concreto, entre outros.

Além desse fator, outros podem determinar a seleção:

• Preferência e experiência do projetista / construtor em trabalhar com

determinado material;

• O tipo de projeto naval;

• O custo desse material e da tecnologia de construção a partir de sua

utilização;

• Sua disponibilidade e escala de produção;

• Local e condições nas quais será realizada a construção da embarcação;

• Freqüência de operação da embarcação, com reflexos na fadiga do

material a ser utilizado.

No entanto, são as propriedades físicas, mecânicas e químicas que têm maior

impacto no processo de escolha e aplicação de um determinado material. Neste

sentido, faz-se necessária uma breve descrição acerca de cada uma das

principais propriedades importantes para o processo de seleção do material a ser

empregado na construção naval.

Especialização em Engenharia Naval

Módulo 1 – Arquitetura Naval

88

10.1 Propriedades Importantes para o Processo de Seleção do Material

10.1.1 Maleabilidade e Disponibilidade à Junções

Contando com formas tridimensionais complexas, a embarcação exige que o

material a ser selecionado permita uma boa maleabilidade. Não havendo essa

possibilidade, que ao menos sejam possíveis junções (soldadas, encaixadas ou

através de elementos de conexão); solução que exige uma modificação das

formas, no sentido de substituir a superfície carenada por uma multifacetada.

Mesmo para aqueles materiais facilitadores das formas arredondadas, na maioria

das vezes sua geometria faz necessária a aplicação das referidas junções. Por

exemplo, chapas de aço soldadas, compondo o casco de um navio.

10.1.2 Resistência à Tração, Compressão, Flexão e Cisalhamento

Conforme discutido, estruturas primárias, secundárias e terciárias exigem que o

material apresente resistência suficiente face às varias condições de solicitação

às quais a embarcação poderá estar sujeita.

Espera-se que nestas condições esse material se mantenha integro e com as

propriedades inalteradas (ou minimamente alteradas) ao longo de toda vida útil da

embarcação. Logicamente, face aos longos períodos de operação das

embarcações, espera-se informação suficiente quanto ao comportamento desse

material em longo prazo, de tal forma que eventuais alterações nas suas

propriedades sejam considerandos no projeto.

10.1.3 Densidade

Economia de massa é uma tônica na grande maioria dos tipos de embarcações,

quer seja para aumentar sua performance (velocidade), quer para disponibilizar

maior capacidade de carga. Desta forma, a densidade desempenha papel

fundamental no processo de seleção do material a ser utilizado.

10.1.4 Resistência à Corrosão

Geralmente, corrosão é a causa de interrupção da operação de uma embarcação,

especialmente para aquelas que operam em água salgada. Alguns materiais são

Especialização em Engenharia Naval

Módulo 1 – Arquitetura Naval

89

mais resistentes ao ataque deste meio extremamente corrosivo, no entanto, o

continuado desenvolvimento no segmento de materiais de revestimento tem

prolongado o uso de materiais com maior suscetibilidade a este tipo de ataque.

10.1.5 Outras Propriedades de Acordo com a Especificidade da Embarcação

Dependendo do tipo de embarcação e das condições de operação, outras

propriedades podem se fazer necessárias. Dentre elas:

• Resistência e manutenção das propriedades mecânicas do material em

altas e baixas temperaturas;

• Capacidade de isolamento térmico;

• Capacidade de isolamento acústico;

• Homogeneidade das propriedades ao longo de grandes extensões do

material (aço versus madeira);

• Propriedades eletroquímicas quando em contato com outros tipos de

materiais;

• Resistência à abrasão;

• Propriedades eletromagnéticas;

• Havendo necessidade de reparo, qual é a disponibilidade desse material

em qualquer parte do mundo.

A partir da apresentação desses aspectos mais importantes à seleção, cabe

agora uma descrição dos principais materiais passíveis de utilização na

construção naval.

10.2 Materiais Não Metálicos

10.2.1 Madeiras

Indiscutivelmente, em se tratando de apelo visual, nenhum outro material faz

frente à madeira. Por séculos, em sua forma maciça, foi o material que imperou

na construção naval. Atualmente, ainda vem se mantendo popular na construção

de embarcações pequenas, graças à disponibilidade de madeiras na forma de

Especialização em Engenharia Naval

Módulo 1 – Arquitetura Naval

90

compensados (muitas vezes combinados com resinas e outros materiais de

reforço interlaminares).

Historicamente uma das primeiras limitações ao tamanho das embarcações

construídas em madeira maciça foi a dificuldade de se prover junções para este

tipo de material. Desta forma, o comprimento dos cascos restringiam-se aos

comprimentos de madeira maciça disponíveis. Grandes comprimentos eram

possíveis, mas a grandes custos e enorme complexidade construtiva.

Modernos elementos de fixação e adesão (resina epóxi e resorcinol) aumentaram

bastante a eficiência das junções e permitiram que a limitação do passado fosse

superada. Mesmo assim, não são comuns embarcações muito grandes, face aos

custos associados, já que se trata de um material de escassa disponibilidade, e

ao peso estrutural obtido.

Outras restrições oferecidas pela madeira maciça são:

• Grande suscetibilidade à deterioração (salvo algumas espécies);

• Vulnerabilidade ao ataque de pragas;

• Heterogeneidade nas propriedades ao longo do material;

• Apesar de ótimo isolante térmico e acústico, é virtualmente vulnerável ao

fogo.

Conforme mencionado, os compensados se mostram populares na construção de

pequenas embarcações. No entanto, sua aplicação impõe restrições às

curvaturas exibidas pela geometria. Cascos com múltiplas quinas são comuns

neste tipo de construção.

10.2.2 Compósitos

A aceitação acentuada dos materiais compósitos na construção náutica, e em

componentes de embarcações de grande porte, se deve aos seguintes fatores:

• Flexibilidade quanto às propriedades mecânicas, conseguida com a

diversidade de combinações entre fibras (de vidro, aramidas e de carborno)

e resinas (poliéster, estervinílica e epóxi); valendo-se, inclusive, da

ortotropia das combinações obtidas.

Especialização em Engenharia Naval

Módulo 1 – Arquitetura Naval

91

• Excelente relação resistência / peso, conforme ilustrado nas comparações

da Figura 49.

Figura 49: Comparação entre relações resistência / peso para diferentes matérias de construção naval. Fonte: www.barracudatec.com.br.

• Excelente relação rigidez / peso, conforme ilustrado nas comparações da

Figura 50. Materiais compósitos podem apresentar resistência e rigidez

muito menores que as do aço e do alumínio. No entanto, relacionando-se

estas propriedades com as respectivas densidades, percebe-se que os

materiais compósitos chegam a valores muitas vezes maiores que os dos

metais. Daí sua larga aplicação em embarcações de alta performance,

como os dotados de sustentação hidrodinâmica, bem como nas indústrias

automobilística, aeronáutica e aeroespacial. Há que destacar, ainda, que

materiais compósitos apresentam perda de resistência e rigidez com a

gradual falha de cada camada que compõe a estrutura, ao contrário dos

materiais metálicos, que apresentam passagem uniforme do regime

elástico para o plástico, até o colapso completo.

Propagação de trincas, comuns em materiais metálicos, é muito menos

freqüentes nos compósitos. Em contrapartida, falhas interlaminares, quase

inexistentes em metais, são comuns em compósitos.

Especialização em Engenharia Naval

Módulo 1 – Arquitetura Naval

92

Figura 50: Comparação entre relações rigidez / peso para diferentes matérias de construção naval. Fonte: www.barracudatec.com.br.

• Facilidade de construção inclusive sem grandes restrições quanto às

formas geométricas do casco. No entanto, em grande parte dos casos,

exigem a utilização de moldes ou outras tecnologias que garantam a

geometria pretendida.

• A facilidade de estocagem, prescindindo da grande variedade de formas e

dimensões, imperativa quando na utilização de metais e madeira.

Apesar destes aspectos, de certa forma favoráveis, apresentam as seguintes

desvantagens:

• Dificuldade na predição do modo de falha;

• Incertezas quanto à corrosão em meios combustíveis, lubrificantes e ricos

em produtos químicos;

• Processos manuais imperam, o que implica em embarcações mais caras e

de construção mais lenta.

• Relutância à larga utilização, implicando em menor quantidade de

conhecimento acerca dos comportamentos e propriedades.

• Baixa resistência em altas temperaturas, quando comparado como os

materiais metálicos;

Especialização em Engenharia Naval

Módulo 1 – Arquitetura Naval

93

• Baixa resistência à abrasão, dificultando sua aplicação em condições

severas de trabalho.

10.2.3 Concreto

O concreto não deixa de ser um material compósito. Caracteriza-se pela presença

de um reforço metálico (responsável pela resistência á tração e flexão),

preenchido por uma argamassa (em geral cimento Portland mais areia e / ou brita

de baixa gramatura) responsável pela estanqueidade e pela resistência á

compressão. É altamente resistente à corrosão e a moderadas condições de

temperatura.

Navios de pequeno porte têm sido construídos em cimento, mas sua aplicação

em navios de carga pesada tem se mostrado economicamente inviável face à

grande massa estrutural envolvida para garantir a integridade estrutural. Na

República Popular da China, devido ao baixo custo, é possível encontrar uma

grande quantidade de barcaças fluviais construídas com este material.

Uma variação especial de material desta natureza e o denominado ferro-cimento.

Com o ferro-cimento, barcos apresentam cascos com espessuras relativamente

pequenas, em cimento reforçado por telas de aço. A surpreendente combinação

de flexibilidade, tenacidade, isolamento térmico e acústico, tem feito desta

variação uma ótima opção para embarcações pesqueiras de pequeno e médio

porte.

O procedimento básico de uma construção em ferro-cimento se constitui de uma

etapa inicial onde as formas do casco são edificadas através de barras ou tubos

de aço (soldadas ou fixadas com arame). Em seguida, este cavernamento

(cavernas e longitudinais) é recoberto por uma ou mais camadas de tela metálica,

configurando o que se costuma denominar de armadura. Finalmente, em um

processo ininterrupto, a armadura é preenchida com argamassa em composição

previamente estudada. Essa operação de preenchimento de acontecer pelas duas

faces do casco simultaneamente (interna e externa), o que exige o trabalho de

pelo menos dois homens. Eventualmente, podem ser agregados componentes à

argamassa para lhe conferir propriedades mecânicas melhores (por exemplo:

Especialização em Engenharia Naval

Módulo 1 – Arquitetura Naval

94

fibra de vidro picotada). Após o preenchimento vem o processo de cura que deve

acontecer em condições propriamente controladas de temperatura e umidade.

10.3 Materiais Metálicos

10.3.1 Aço

Sem sombra de dúvida, este é o material mais aplicado na construção naval

moderna de navios de pequeno, médio e grande porte.

O processo de construção naval em aço é caracterizado por um grande número

de elementos estruturais, que podem ser obtidos pelo corte e soldagem a partir de

chapas normalizadas. No caso de estruturais leves, pode-se ainda contar com a

disponibilidade de perfis pré-fabricados e também normalizados.

Em geral esses aos são cortados através do processo de oxi-corte, plasma ou

mesmo laser, de acordo com o tipo e da preparação necessária para a posterior

soldagem.

Com relação ao processo de soldagem, a ligação entre elementos estruturais

pode se dar através de arco elétrico (TIG, MIG, MAG ou plasma) ou por oxigás,

também dependente do tipo de aço e das condições de soldagem.

Apesar da indústria naval relacionar-se a uma construção pesada, procedimentos

mais elaborados (por exemplo, a laser ou automatizados) têm cada vez mais se

tornado comum neste segmento, principalmente na edificação de perfis e

conveses. A Figura 51 mostra um exemplo de automatização na soldagem de

uma antepara estruturada.

Outro processo comum na construção naval em aço é o de desempeno, já que 40

a 50% do tempo é gasto com esse tipo de operação. Neste caso, o processo de

desempeno por chama é o mais difundido e, se realizado com propriedade, pode

reduzir significativamente o custo de construção, já que o ato de desempenar

pode ser muitas vezes mais barato do que promover a substituição do elemento

estrutural.

Em se tratando das ligas disponíveis, existem aquelas reconhecidamente

indicadas para a construção naval, com composições químicas e tratamentos

Especialização em Engenharia Naval

Módulo 1 – Arquitetura Naval

95

térmicos específicos para essa aplicação. Padronização para os aços pode ser

encontrada, por exemplo, nas publicações da “ASTM – American Society for

Testing and Materials” ou da ABS – “American Bureau of Shipping”.

Figura 51: Processo automatizado de soldagem de uma antepara reforçada. Fonte: http://www.linde.pt.

De acordo com a ABS, os aços podem ser classificados em:

• Uso comum – oferecidos em 6 classes de acordo com a composição

química e o tratamento térmico. São elas: A, B, D, E, CS e DS, com tensão

de escoamento média da ordem de 34000psi.

• Aços de alta resistência – para os quais a alta resistência deve estar

associada a um baixo peso. Nesta classe, a tensão de escoamento

encontra-se na faixa de 45500 a 51000psi.

• Aços especiais – indicados para embarcações com alta exigência de

confiabilidade, por exemplo: navios para o transporte de gás liquefeito.

Alguns materiais desta classe são concebidos para trabalhar em baixas

temperaturas e em ambientes altamente corrosivos e / ou abrasivos.

10.3.2 Ligas de Alumínio

A grande maleabilidade e resistência à corrosão em ambiente marinho fazem das

ligas de alumínio um material de grande aplicação na construção naval. São

Especialização em Engenharia Naval

Módulo 1 – Arquitetura Naval

96

utilizadas em cascos, superestruturas, coberturas de porões, bem como em

equipamentos, tais como: escadas, trilhos, janelas, portas, entre outros.

O principal incentivo para a aplicação de ligas de alumínio na construção naval

refere-se à economia de massa (cerca de 55 a 67% menos, quando comparado

com o aço). Entretanto, há que lembrar que estas ligas apresentam módulo de

elasticidade e tensões limites substancialmente inferiores às do aço, o que deve

ser profundamente ponderado no projeto estrutural.

De qualquer forma, a redução de peso estrutural tem impacto direto no aumento

da capacidade de carga e na diminuição da potência requerida. Além disso,

facilita a distribuição dos pesos abordo, criando subsídios para a melhoria da

estabilidade.

Por outro lado, duas grandes desvantagens do alumínio são o alto custo de

construção e a necessidade de um controle rigoroso nos processo de soldagem.

As ligas mais usadas para aplicações navais são a 5052, 5454, 5083, 5086, 6061,

6063 e 6082.5. Em geral, essas ligas são ricas em magnésio, o que confere maior

resistência à corrosão em água salgada.

Especialização em Engenharia Naval

Módulo 1 – Arquitetura Naval

97

11. AMARRAÇÃO E LINHAS DE PRODUÇÃO

11.1 Amarração

11.1.1 Máquina de supender

O texto a seguir é uma transcrição do livro “Arte Naval – Capítulo 10” de Fonseca,

M. M.

O aparelho de fundear é constituído pelo conjunto de âncoras, amarras, máquinas

de suspender e todos os acessórios das amarras, como manilhas, escovéns,

gateiras, mordentes, bocas, etc.

As âncoras são comumente chamadas de ferros do navio. Servem para agüentar

o navio no fundeadouro, evitando que ele seja arrastado por forças externas,

como ventos, correntezas ou ondas.

A âncora é ligada por manilha à amarra, que é uma cadeia de elos especiais com

ou sem malhetes. A amarra sobe ao convés do navio através do escovém, que,

no caso da âncora tipo patente, aloja a haste enquanto a âncora não estiver em

uso e a prende ao paiol da amarra.

A máquina de suspender consta de um motor elétrico ou um sistema eletro-

hidráulico acionando um cabrestante ou um molinete. No cabrestante há uma

coroa de Barbotin, que é uma gola tendo em torno de si diversas cavidades iguais

que prendem a amarra, elo por elo. Do convés a amarra desce ao paiol através

de um conduto chamado gateira. No convés, entre o escovém e o cabrestante, há

uma ou mais boças da amarra, cujo fim é agüentar a amarra tirando o esforço de

sobre o freio do cabrestante quando a âncora estiver alojada no escovém ou

quando a âncora estiver fundeada e o navio portando pela amarra. Para o mesmo

fim há ainda um mordente na gateira ou, mais comumente, um mordente

colocado no convés por ante-a-vante do cabrestante. A âncora pode ser largada

pelo freio do cabrestante ou por uma das boças, conforme seja o que estiver

agüentando a amarra. Ver Figura 52.

Especialização em Engenharia Naval

Módulo 1 – Arquitetura Naval

98

Figura 52: Máquina de suspender eletro-hidráulica.

11.1.2 Tipos de âncoras

Os principais tipos de âncoras (ferros) são:

Figura 53: Âncora tipo Patente.

Figura 54: Âncora Danforth.

Especialização em Engenharia Naval

Módulo 1 – Arquitetura Naval

99

Figura 55: Âncoras especiais: (a) Fateixa; (b) Busca-vida; (c) Gata – Almirantado e (d) Cogumelo.

11.2 Linhas de Produção (“risers” e umbilicais)

O texto a seguir é uma transcrição de trechos da Tese de Livre Docência do Prof.

Dr. Celso Pupo Pesce (Departamento de Engenharia Mecânica da EPUSP).

A introdução de tubos flexíveis, do tipo "unbounded", na função de risers, tem sido

cada vez mais freqüente, iniciando-se na década de 70 e sedimentando-se como

alternativa usual e segura na década de 80. A configuração de "catenária direta"

("free-hanging") tem sido então adotada de forma crescente, à medida que a

exploração se desloca para águas mais profundas. (...)

Recentemente, na exploração em águas profundas e sob a motivação de custos

substancialmente mais baixos, tem-se investido na utilização de tubos de aço em

comentários (0)
Até o momento nenhum comentário
Seja o primeiro a comentar!
Esta é apenas uma pré-visualização
Consulte e baixe o documento completo
Docsity is not optimized for the browser you're using. In order to have a better experience we suggest you to use Internet Explorer 9+, Chrome, Firefox or Safari! Download Google Chrome