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Projeto Vertical Conceitual e detalhado AGOSTO 2014 Msc. Felipe Ruggeri Msc. Rodrigo Lavieri ARGONÁUTICA ENGENHARIA E PESQUISAS ESCOLA POLITÉCNICA DA USP

Projeto Vertical Conceitual e detalhado - tpn.usp.br · Projeto Vertical –Conceitual e detalhado Felipe Ruggeri Rodrigo Lavieri Fatores do navio • Calado estático • Calado

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Projeto Vertical – Conceitual e detalhado

AGOSTO 2014

Msc. Felipe Ruggeri

Msc. Rodrigo LavieriARGONÁUTICA ENGENHARIA E PESQUISAS

ESCOLA POLITÉCNICA

DA USP

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Introdução

• Garantir que as embarcações de projeto possam entrar e deixar o porto de forma segura com relação ao toque no fundo;

• Definição da profundidade do canal deve considerar cenários futuros (10, 20 anos) – evolução do porte das embarcações;

• A profundidade é uma solução de compromisso entre eficiência e custo;

• Estimativas muito conservadoras: altos custos de dragagem na criação e manutenção do canal.

Projeto Vertical – Conceitual e detalhadoFelipe RuggeriRodrigo Lavieri

Ex. Suape: Canal de acesso aprox. 6km

Aprofundar 1m aprox. 1.300.000 m³

Dragagem

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Introdução

Projeto Vertical – Conceitual e detalhadoFelipe RuggeriRodrigo Lavieri

Conceitual x Detalhado

-Rápida

-Poucos dados de entrada

-Fases iniciais de projeto

-Avaliações determinísticas

-Estimativas conservadoras

-Grande número de alternativas avaliadas

-Complexo

-Específico para poucas configurações

-Fases avançadas de projeto

-Análises estatísticas das condições ambientais

-Permite a ampliação da janela de operação com base nas condições ambientais

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Dimensionamento

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O projeto do canal considera: variações do nível médio, navio de projeto e fundo.

Nível de referência: deve sercompatibilizado para as medições demaré e batimetria. (CD, NCD, PCD,MSL, LAT etc.)

Maré: efeitos astronômicos e metereológicos,mudanças climáticas. Marés variam no tempo e espaço

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Projeto Vertical – Conceitual e detalhadoFelipe RuggeriRodrigo Lavieri

Fatores do navio

• Calado estático

• Calado médio: calado máximo do navio de projeto

• Trim e banda estáticos: 0.5° de trim produz uma elevação/afundamento na proa de 1.30m para um navio de 300m

OBS: esse fatores somente envolvem toque no fundo, não consideram margens de manobra

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• Incertezas do calado estático: medido no porto de partida na densidade na água locale com efeito de ondas ao redor das marcas, influência da condição de carregamento.

• Variações da densidade da água: mais expressivo para embarcações que navegam emrios e mar. (O aumento do calado em água doce é cerca de 2%)

• Squat e trim dinâmico: afundamento da embarcação causado tanto por translaçãoquanto rotação devido à velocidade de avanço e iteração com o fundo e taludes docanal.

• Adernamento dinâmico (heel): inclinação da embarcação durante manobras ou sob aação do vento

• Resposta em ondas: movimento em pontos da quilha, leme ou propulsor.

• Folga líquida: última margem de segurança, que pode variar de 0.5m a 1.0 mdependendo da severidade do toque no fundo

Projeto Vertical – Conceitual e detalhadoFelipe RuggeriRodrigo Lavieri

Fatores do navio

Folga bruta sob

a quilha

OBS: esse fatores somente envolvem toque no fundo, não consideram margens de manobra

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• De forma independente ao risco de toque de fundo a mínima margem demanobra deve ser garantida.

Projeto Vertical – Conceitual e detalhadoFelipe RuggeriRodrigo Lavieri

Margem de manobra

Abrigo da região

Utilização de rebocadores

Folga sob a quilha

Tipo de navio

Dimensões do canal e

alinhamento

Tráfego (uma via ou duas

vias)

Projeto Detalhado Nível 1: Adota Valores típicos: 5% do calado ou 0.6m – condição genérica0.5m – locais com atuação de rebocadores e abrigados

Projeto Detalhado Nível 2: emprego de simulações computacionais (fast-time) combinadas ao real-time podem prover mais precisamente as margens.

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• Tolerância para incertezas do fundo: incertezas devido a campanha batimétrica, incluindo aincerteza do sensor. (Valor mínimo sugerido 0.1m)

• Tolerância para mudança no fundo entre dragagens: consideração no transporte desedimentos para o fundo entre 2 dragagens sucessivas, deve estar acrescida da profundidadenominal do canal. (valor mínimo sugerido de 0.2m ou 1%)

• Tolerância da execução da dragagem: garantir que apesar das imperfeições do fundo dragadoo nível nominal seja atingido. (valor mínimo entre 0.2 e 0.5m dependendo do fundo e tipo dedraga)

Projeto Vertical – Conceitual e detalhadoFelipe RuggeriRodrigo Lavieri

Fatores do fundo

Nível de referência

Batimetria nova

Precisão batimetria

Entre dragagens

Pro

fun

did

ade

no

min

al

Dra

gage

m c

on

trat

ada

Tolerância execução

Dra

gage

m

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• São folgas superiores acima da linha d’água em relação a obras como pontes, cabos de altatensão etc.

• Os valores de Hst dependem da condição de carregamento da embarcação sendo que a folga noar deve sempre ser positiva considerando as piores condições.

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Folgas superiores

Altura do ponto mais elevado da embarcação em relação à linha d’água

Principal dificuldade: obtenção dos dados de Hkt

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• Estimativa bastante simples utilizando poucos dados de entrada

• Fatores do navio (squat, movimento em ondas, trim e banda estáticos etc.) são combinadosnum único fator.

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Projeto conceitual

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• Utilização de métodos empíricos ou numéricos e/ou modelos em escala reduzida.

• Servem como subsídio para o projeto probabilístico.

• Fatores do nível d’água: um modelo para previsão de maré que considere o efeito do canalpodem ser necessários se a profundidade e geometria se alterar consideravelmente.

• Fatores do navio:

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Projeto detalhado

• Squat:

• Movimento em ondas:

• Adernamento dinâmico:

• Diversas fórmulas (necessário verificar a faixa de validade);

• Em estimativas mais refinadas utilizam-se ensaios físicos ou modelosnuméricos, principalmente embarcações novas;

• Heave, roll e pitch

• Deve considerar a onda limite de operação, não o eventoextremo ambiental

• Efeito do vento

• Guinadas

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Squat - definições• Tipos de canal:

• Fórmulas PIANC: • Métodos numéricos:

- Modelo de corpo esbelto

- Método de elementos de contorno

- CFD

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ICORELSDados:-Deslocamento do navio-Lpp, Boca e calado-Profundidade do canal-Velocidade de navegação

YOSHIMURADados:-Deslocamento do navio-Lpp, Boca e calado-Profundidade do canal-Velocidade de navegação

Regressões (Projeto conceitual)

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Squat - Comparação

Regressões: parâmetros globais da embarcação

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ANKUDINOV

Dados:-Deslocamento do navio-Lpp, Boca e calado-Profundidade do canal-Velocidade de navegação

Regressões (Projeto conceitual)

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Squat - Comparação

Regressões: parâmetros globais da embarcação

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• Método de Rankine

• Escoamento potencial

• Malha do casco do navio detalhada

• Efeitos 3D considerados

• Método de painéis-150 -100 -50 0 50 100 150

-100

-50

0

50

100

-150 -100 -50 0 50 100 150

-60

-50

-40

-30

-20

-10

0

10

20

30

40

-100 -50 0 50 100

-60

-50

-40

-30

-20

-10

0

10

20

30

40

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Squat - ComparaçãoMétodo numérico

Vs

Método das imagens

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Exemplo: Resultados

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Squ

at (m

)

Velocidade (nós)

h_T=1.2 - ICORELS

h_T=1.2 - Rankine

h_T=1.2 - YOSHIMURA

h_T=1.2 - ANKUDINOV

VLCCDeslocamento: 325.000 tonLpp=333mBoca=58mCalado=23mCanal irrestrito (somente iteração com o fundo)

Velocidade (nós) Icorels Yoshimura Rankine Ankudinov Icorels Yoshimura Rankine Ankudinov Icorels Yoshimura Rankine Ankudinov Icorels Yoshimura Rankine Ankudinov

1.95 0% 4.19% -17.99% 30.42% 0% 6.96% -9.42% 27.28% 0% 9.72% -6.84% 24.78% 0% 12.49% -29.30% 22.76%

3.50 0% 3.75% -18.33% 30.20% 0% -18.67% -31.12% -2.85% 0% -16.54% -29.14% -4.75% 0% 12.12% -29.53% 22.76%

4.00 0% 3.56% -18.48% 30.03% 0% -18.81% -31.24% -2.87% 0% -16.67% -29.25% -4.75% 0% 11.95% -29.64% 22.76%

4.50 0% 3.34% -18.65% 29.81% 0% -18.96% -31.37% -2.91% 0% -16.82% -29.38% -4.76% 0% 11.76% -29.75% 22.76%

5.00 0% 3.10% -18.84% 29.55% 0% -19.14% -31.52% -2.95% 0% -16.99% -29.52% -4.76% 0% 11.55% -29.89% 22.76%

5.50 0% 2.83% -19.06% 29.25% 0% -19.34% -31.69% -3.02% 0% -17.18% -29.68% -4.78% 0% 11.32% -30.03% 22.76%

6.50 0% 2.20% -19.55% 28.59% 0% -19.79% -32.07% -3.19% 0% -17.60% -30.04% -4.83% 0% 10.78% -30.37% 22.74%

7.00 0% 1.85% -19.82% 28.23% 0% -20.04% -32.29% -3.31% 0% -17.85% -30.25% -4.87% 0% 10.48% -30.56% 22.73%

7.50 0% 1.47% -20.12% 27.87% 0% -20.31% -32.52% -3.43% 0% -18.11% -30.47% -4.91% 0% 10.15% -30.76% 22.71%

8.00 0% 1.07% -20.44% 27.51% 0% -20.61% -32.77% -3.57% 0% -18.39% -30.70% -4.97% 0% 9.81% -30.98% 22.68%

8.50 0% 0.63% -20.78% 27.14% 0% -20.92% -33.03% -3.71% 0% -18.68% -30.96% -5.03% 0% 9.43% -31.22% 22.65%

9.00 0% 0.17% -21.15% 26.78% 0% -21.26% -33.31% -3.87% 0% -19.00% -31.23% -5.10% 0% 9.04% -31.47% 22.62%

h/T=1.2 h/T=1.5h/T=1.3 h/T=1.4

Métodos mais detalhados Afundamento da embarcaçãoCaladoOperacional

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Movimento em ondas• Aspectos importantes

•Características do navio– carregamento (distribuição de cargas na embarcação)– calado– posição do CG e inércias– formas do casco

•Direção da onda incidente– mar de proa, popa, través, bochecha

•Frequência de encontro (velocidade de avanço)

•Período das ondas

•UKC

Pontos críticos para avaliação no fundo

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-Lpp é metade do comprimento da onda-Boca é metade do comprimento da onda-20% heave-50% roll-50% pitch

Método trigonométrico

Método espanhol

Fator probabilístico de ocorrência da condição extrema

Fator de amplificação do movimento em função do tamanho do navio

Fator de amplificação devido às condições de navegação

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• Teoria potencial

• Método de elementos de contorno no domínio da frequência/tempo

• Espectro de mar corrigido para a frequência de encontro (efeito Doppler)

• Máximos estatísticos tomados a partir dos momentos espectrais

• Cálculo dos operadores de resposta “RAOs” do movimento do navio

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 200

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

0.3

0.35

Período (s)

S (

) [m

2.s

]

Tp=6s

Tp=8s

Tp=10s

Tp=12s

-Simplificadamente pode-se assumir um Jonswap

-Espectro TMA como uma forma de considerar o efeito de águas rasas

Método numérico (RAO)

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Direção da onda incidente

• Cálculos realizados para h_T=1.3 e VLCC carregado

0 5 10 15 20 25 30 35 400

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

1.6

Período (s)

He

ave

(m

/m)

180º - mar de proa

135º - mar de bochecha

90º - mar de través

0 5 10 15 20 25 30 35 400

1

2

3

4

5

6

7

8

Período (s)

Ro

ll(º/

m)

180º - mar de proa

135º - mar de bochecha

90º - mar de través

0 5 10 15 20 25 30 35 400

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

Período (s)

Pitch

(º/

m)

135º - mar de bochecha

180º - mar de proa

90º - mar de través

Ondas de 10s

Altura do movimento de heavepara cada metro da altura da onda incidente

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Efeito da folga sob a quilha

0 5 10 15 20 25 300

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

Período (s)

He

ave

(m

/m)

Infinito

25.3m

27.6m

29.9m

32.2m

34.5m

0 5 10 15 20 25 300

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

1.6

1.8

2

Período (s)

Heave (

m/m

)

Infinito

h/T=1.1

h/T=1.2

h/T=1.3

h/T=1.4

h/T=1.5

VLCC carregado

VLCC leve

0 5 10 15 20 25 30 35 400

1

2

3

4

5

6

7

8

9

Periodo (s)

Ro

ll (º

/m)

Infinito

h/T=1.1

h/T=1.2

h/T=1.3

h/T=1.4

h/T=1.5

0 5 10 15 20 25 30 35 400

1

2

3

4

5

6

Período (s)

Ro

ll (º

/m)

Infinito

h/T=1.1

h/T=1.2

h/T=1.3

h/T=1.4

h/T=1.5

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Velocidade de avanço

• Existem 3 circunstâncias típicas:- Head/bow quartering seas

- Beam seas

- Following seas

Navio “enxerga” as ondas com período menor e os períodos naturais do navio são maiores pelo menor ukc

Navio “enxerga” as ondas com o mesmo período mas os movimentos são amplificados pela direção de incidência.

- Pode ser uma condição bastante crítica devido tanto aos movimentos quanto governabilidade: surfing (perda develocidade relativa no leme) quanto broaching (amplificação dinâmica da resposta em função da celeridade dasondas, velocidade do navio e direção de incidência)

- Dependendo das ondas incidentes no navio pode-se ter três percepções sobre as ondas: o navio avança maisdevagar que a velocidade de grupo das ondas; o navio avança entre a velocidade de grupo e a celeridade; o navioavança mais rápido que a celeridade

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Projeto Vertical – Conceitual e detalhadoFelipe RuggeriRodrigo Lavieri

A frequência das ondas que o navio enxerga depende da velocidade do navio, do período da onda e da incidência

xMar

y

T(s) Te(s) T(s) Te(s) T(s) Te(s) T(s) Te(s)

5.00 3.76 5.00 3.01 5.00 4.06 5.00 3.41

10.00 8.59 10.00 7.52 10.00 8.96 10.00 8.11

15.00 13.52 15.00 12.30 15.00 13.92 15.00 12.98

20.00 18.48 20.00 17.17 20.00 18.90 20.00 17.91

25.00 23.46 25.00 22.09 25.00 23.89 25.00 22.87

180º 135º

5 nós 10 nós 5 nós 10 nós

Ex: Uma onda de 15s de período que incide de proa é enxergada pelo navio a navegando a 5 nós como se tivesse 13.5s e12.3s se a velocidade fosse 10 nós. A mesma onda incidindo de bochecha pela proa seria vista como 13.92s a 5 nós e 12.98sa 10 nós

Velocidade de avanço

0 5 10 15 20 25 30 35 400

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

1.6

Período (s)

He

ave

(m

/m)

180º - mar de proa

135º - mar de bochecha

90º - mar de través

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Projeto Vertical – Conceitual e detalhadoFelipe RuggeriRodrigo Lavieri

• VLCC carregado em profundidade infinita

- 0, 5 e 10 nós

- Mares de proa com Tp=10, 15 e 20s

0 nós 5 nós 10 nós 0 nós 5 nós 10 nós 0 nós 5 nós 10 nós

HEAVE (m) 0.129 0.069 0.038 0.369 0.304 0.254 0.597 0.530 0.470

PITCH (º) 0.109 0.053 0.029 0.413 0.338 0.264 0.458 0.453 0.435

AFUNDAMENTO MÁXIMO (m) 0.399 0.198 0.104 1.456 1.214 0.964 1.621 1.587 1.533

-50.31% -74.03% -16.62% -33.78% -2.09% -5.44%

Tp=20sTp=10s Tp=15s

Ponto do fundo com maiores movimentos verticais

Trigonométrico Japonês Espanhol RAO

Proa 3.00 0.53 0.60 0.35

Través 5.29 2.97 1.01 0.93

Afundamento máximo (m)

Exemplo 1: Efeito do período e velocidade de avanço em mar de proa

Exemplo 2: Comparação das estimativas

A utilização de um método numérico na etapa detalhada permite maior precisão no cálculo dos movimentos, evitando valores excessivamente conservadores.

- Velocidade de 7 nós

- Mar de proa e través, Tp=10s e Hs=1.5m

- h/T=1.3

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Projeto Vertical – Conceitual e detalhadoFelipe RuggeriRodrigo Lavieri

• Determinar sob os critérios da ABNT atual e PIANC -2014 qual o calado máximo de entrada e saída noporto para as condições ambientais monitoradas de onda, corrente e maré.

• Embarcações do tipo Capesize

Estudo de casoTerminal de Ubu

• Registro das embarcações que entraram entre 2012 e2014 que utilizaram a maré.

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• Contribuição de squat, trim e movimento em ondas, adotando uma folga adicional em função do tipodo fundo (lama, arenoso, rochas)

• Obrigatório manter uma folga mínima de 10% independente dos agentes ambientais atuantes e/ou usode rebocadores.

Estudo de casoCritério da ABNT atual

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Estudo de caso

Para cada ano foram comparados os calados praticados com os valores máximos permitidos pela PIANC e ABNT (2012 – 2014)

2012

Utilização dos fatores ambientais:

-Maior segurança-Maior eficiência

ABNT-NBR PIANC

5 69.86%1

98,63%

7 69.86%1

98,63%

requeridos e não pela condição ambiental

CritérioVelocidade (nós)

1 - Em todos os casos a limitação ocorre devido aos 10% do calado

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Estudo de caso

ABNT-NBR PIANC ABNT-NBR PIANC

Calado médio (m) 17,74 18,07 19,05 18,07 18,87

Calado máximo (m) 18,22 18,76 19,89 18,76 19,72

Calado mínimo (m) 16,48 17,11 17,41 17,11 17,24

Carga adicional (MT) 12.399.326 241.160 941.300 240.191 816.373

Ganho médio de carga 1,94% 7,59% 1,94% 6,58%

5 nós 7 nósPraticadoMedições

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Calado dinâmico

Utilização das condições ambientais monitoradas e previsões para definição de

janelas de operação-Mais segurança

-Mais eficiência

Administração do Complexo Portuário de Tubarão e Praia Mole

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Calado dinâmicoConsideração racional das condições ambientais

- Verificar níveis aceitáveis de risco;

- A probabilidade de toque no fundo é feita de forma estatística e não aditiva; Ex: Qual a probabilidade da navegação ocorrer com squat máximo de forma simultânea com uma onda crítica no ponto de menor profundidade do canal?

-Exemplos de softwares:

DUCK

CADET

Underkeel

ReDraft