META 4-1: Tratamento dos Dados Armazenados na Instrumentação Embarcada.
A instrumentação embarcada foi testada em campo na embarcação Sartico XIV da AMD. A aquisição dos dados foi obtida através de sensores e periféricos ligados a um armazenador de dados “Datalogger”, para essa aquisição de dados foi utilizado um anemômetro Sonic 2D, que coletava os dados de velocidade e direção do vento em relação à embarcação, a velocidade e a direção da embarcação, bem como as coordenadas da mesma, esses dados foram obtidos através de um GPS instalado junto à instrumentação da embarcação, o datalogger coletava essas informações em períodos de 5 minutos, e armazenando esses dados. A Figura 4.1 mostra a instalação do anemômetro na embarcação.
Com os dados coletados foi possível encontrar a velocidade real do vento que estava atuando na embarcação naquele instante.
Figura 4.1- Anemômetro alinhado ao eixo da embarcação.
A velocidade real obtida foi retirada tendo-se por base a velocidade e a direção do vento que afetava a embarcação coletada pelo anemômetro, e a velocidade e direção da embarcação coletada via GPS, ambos instrumentos possuíam a mesma referência a direção Norte.
Com a intensidade, direção e sentido de cada elemento, decompomos as forças em dois vetores e somando-os e fazendo os tratamentos adequados achamos a intensidade e a direção do vetor resultante.
As tabelas 4.2 e 4.3 mostram os dados coletados pelo anemômetro e pelo gps respectivamente antes de serem tratados.
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Tabela 4.2- Dados coletados pelo anemômetro.
Tabela 4.3 – Dados coletados pelo gps.
Com o tratamento adequado dos dados, chega-se ao vento real que estava atuando na embarcação no local e horário indicado pelo GPS, conforme ilustrado pela Tabela 4.4.
Tabela 4.4- Dados do vento real obtido.
46 Este trabalho foi solicitado pelo SINDASP- Sindicato dos Armadores de Navegação Fluvial do Estado de São Paulo, por recomendação da Capitânia Fluvial Tietê-Paraná - Marinha do Brasil. Trata-se de estudo acompanhado de parecer sobre a influência da intensidade e direção dos ventos em decorrência da necessidade de melhoria da eficiência de transposição dos comboios em eclusas.
O tema tem início com o estudo realizado pelo SINDASP (2014), apresentado em reunião realizada dia 27/01/14 com a DPC, CFTP, DH, AES e TRANSPETRO, o qual aborda a questão dos gargalos nas eclusas da Hidrovia Tietê-Paraná e, propõe diversas ações para a melhoria de processos de transposição, de todas as eclusas. Dentre elas, está referida a eclusa de Nova Avanhandava como a que opera com menor eficiência de capacidade (35% em 2013). Isso ocorre, ainda segundo o SINDASP, por não estar sendo contemplado o cruzamento de comboios no canal intermediário de Nova Avanhandava, conforme previsto no projeto originalmente concebido. O levantamento do SINDASP enfoca, também, um estudo de caso dedicado para a eclusa de Nova Avanhandava, com a propositura de cruzamento de comboios no canal intermediário ficando um deles atracado no cais de espera do próprio canal intermediário. Por fim estão apresentadas simulações e cenários indicando a redução de tempo nas transposições e os ganhos de eficiência advindos para todas as eclusas da hidrovia. O estudo do SINDASP nos foi enviado para como subsídio.
De fato, a transposição de Nova Avanhandava é realizada em duas eclusas (superior e inferior) intercaladas por um canal intermediário. O projeto original de transposição contemplava a simultaneidade de passagem de comboios admitindo um atracado ao cais existente no canal. Contudo, essa possibilidade fora, há tempos, suprimida. Quiçá, por questões de segurança da navegação. A propósito, a título de informação, segundo relato de operador da AES Tietê, certa vez, um comboio do tipo Tietê atracado junto ao cais do canal de Nova Avanhandava não conseguiu zarpar, ficando literalmente preso, em razão de ação do vento com velocidade da ordem de 25 m/s. Há então, a necessidade de se considerar, neste caso, as condições de manobra do comboio bem como os fatores limitantes a ela no referido cais, associadas aos parâmetros do vento.
Partimos da premissa que não têm sentido elaborar um envelope de vento dedicado apenas para o cruzamento de comboios no canal intermediário das eclusas de Nova Avanhandava. Em nosso entendimento, a condição mais limitante de vento na transposição é aquela referente à entrada do comboio na eclusa de montante. Na eclusa de montante, normalmente, os comboios entram vazios, portanto, com sua maior área velica, portanto, se ali o vento não for uma condição limitante para a transposição dificilmente o será no canal intermediário e na eclusa de jusante. Assim, cremos que o envelope de vento elaborado para a eclusa de montante, justamente onde se situa o anemômetro, é requisito suficiente para solução dessa questão.
Diante do exposto, o presente trabalho apresenta o estudo da ação do vento sobre a área velica de comboios do tipo Tietê. É estabelecido o envelope de vento limite para o procedimento de transposição da barragem de Nova Avanhandava e para a operação de cruzamento de comboios com utilização do cais do canal intermediário.
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Metodologia
Este estudo de elaboração de envelope de vento restringe-se à embarcação do tipo comboio Tietê-Paraná, graneleiro, composto por empurrador + 2 chatas, normalmente usado no processo de transposição pelas eclusas, caracterizadas pelas seguintes dimensões:
Empurrador:
Comprimento = 19,50 m; Arqueação Bruta = 128 AB; Arqueação Liquida = 38 AL; Largura Boca = 8,23m;
Altura Pontal Moldado a Meia Nau até Convés Superior = 2,90m; Chata:
Comprimento = 59,44 m; Arqueação Bruta = 713 AB; Arqueação Liquida = 532 AL; Largura Boca = 10,66 m
Altura Pontal Moldado a Meia Nau até Convés Superior = 3,65m.
Considerando o comboio composto de um empurrador e duas chatas, admite-se uma área velica máxima, em lastro, de 400 m² na lateral e 32 m² transversalmente.
A determinação da força do vento (R) sobre a embarcação relaciona parâmetros do constante de forma da embarcação (k), massa específica do fluído (ρ), velocidade e ângulo de incidência do vento (v) e área velica (A), sendo dada pela equação;
R = k (1/2) v2 A (1)
Para a determinação dessa força, num primeiro caso foi utilizado o valor fixo para a constante de forma da embarcação (k=1,2), situação mais conservadora. Num segundo caso, utilizou-se K com valores variáveis segundo a direção de incidência do vento, situação mais realística.
Forças devido ao vento obtida pelo coeficiente de forma (k)
A determinação da força causada pela ação do vento na embarcação foi realizada com base na equação (1) preconizada na norma – NBR 9782.
onde: = força devida ao vento (kN);
= constante de forma da embarcação;
48 = área da seção longitudinal acima do nível d´água (m²);
= velocidade característica do vento (m/s);
ângulo entre a direção do vento e o eixo longitudinal da embarcação.
Forças devido ao vento obtidas pelo coeficiente de arrasto (CDy)
Neste caso, ao invés de se utilizar um valor limite (k=1,2) para a constante de forma, optou-se em usar valores variáveis para (K), uma vez que dispomos de coeficientes de arrasto (CDy), justamente para os comboios do tipo Tietê-Paraná. Assim, a equação se reduz a:
(3)
Os coeficientes de arrasto (CDy) foram obtidos por Oliveira, (2013) a partir de ensaios hidrodinâmicos experimentais realizados em laboratório, com um modelo reduzido e estão ilustrados na Figura 2.16 (Meta 2) deste relatório.
Admitindo, então valores dos coeficientes de arrasto para os diversos ângulos de incidência do vento, variando a cada 10º, foram calculadas as forças devida à ação do vento na embarcação para velocidade até 40m/s, em intervalos de 5m/s.
Forças devido às correntes
Em que pese estarmos em situação de lago, onde as correntes são desprezíveis, é necessário considerar a velocidade relativa do corpo no meio. As forças ocasionadas pela corrente na embarcação foram calculadas pela equação (4), conforme a norma NBR 9782.
onde: R = valor do esforço na direção da corrente (kN); v = velocidade da corrente (m/s)
L = comprimento lateral da embarcação (m); D = calado da embarcação(m)
kc= coeficiente de forma da embarcação para a corrente, cujo valor depende essencialmente da direção da corrente e da relação entre o calado (D) e a profundidade local (h).
Os valores do coeficiente de forma para a corrente (kc) utilizados foram extraídos da norma NBR9782 –Tabela 4, para uma razão h/D=7,0, conforme os ângulos de direção da corrente relativa ao eixo longitudinal da embarcação.
Na equação (4), o produto LD representa a área imersa da embarcação que está sob a ação da corrente, que passamos a denominar por Act (área corrente transversal).
Velocidade à deriva
O cálculo para a determinação da velocidade à deriva seguiu a propositura de MASSOM (1981). Segundo, esse autor, como ordem de grandeza, a velocidade a velocidade de aproximação dos navios às obras de acostagem tem como limite a velocidade dos navios à deriva, isto é, quando flutuando livremente, sem ação das máquinas e impulsionados pelo vento.
49 A velocidade à deriva pode ser obtida se igualarmos a força devido à ação do vento sobre o navio à sua resistência ao deslocamento transversal. Esta última pode ser assimilada à força que sobre o navio exerceria uma corrente de velocidade igual à velocidade de deslocamento do navio. (MASSON, 1981). Assim, sendo (u) a velocidade à deriva e (v) velocidade do vento, temos:
(5)
ou;
(6)
A partir desse equacionamento foram calculadas as velocidades da embarcação à deriva para diversas velocidades e ângulos de incidência do vento.
Para a elaboração do envelope de vento, foi admitida a velocidade limite à deriva de 1,0 m/s, com um ângulo de aproximação da embarcação com o eixo longitudinal do muro guia de até 12º. A justificativa para a adoção desses limites foi ancorada em normatização estabelecida pelo D.H. - "Anexo XVI - Procedimentos para aproximação em pontes e eclusas”.
Em outras palavras estamos admitindo que caso ocorra uma pane seca no comboio, a velocidade à deriva e portanto, a velocidade limite de choque do comboio com a estrutura da eclusa, para aquelas direções e velocidades de vento, estabelecidas no envelope, seria de 1m/s, atendendo o que está preconizado na norma do Departamento Hidroviário.
Resultados
Os resultados apresentados nessa primeira etapa de trabalho são parciais, visto que comtemplam apenas o cálculo da força de vento do modo mais conservador, isto é, com um coeficiente de forma constante k = 1,2, seguindo a norma NBR 9782, o que resulta também num envelope de vento mais restritivo.
Na sequência estão apresentados os resultados da força produzida pela ação do vento sobre o comboio, graneleiro, tipo Tietê-Paraná, (empurrador + 2 chatas), em lastro.
A Figura 4.5 ilustra a força gerada pelo vento em função da velocidade e do ângulo de incidência, para comboio vazio.
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Figura 4.5 - Força em função da velocidade e direção do vento em relação ao eixo longitudinal do comboio em lastro.
A Figura 4.6 ilustra o comportamento da velocidade à deriva em função da velocidade do vento para diversos ângulos de incidência, considerando o comboio vazio.
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Figura 4.6 - Velocidade à deriva em função da velocidade e direção do vento em relação ao eixo longitudinal do comboio em lastro.
Uma representação do envelope de ventos para comboios granel eirós , tipo Tietê-Paraná, em procedimento para a transposição de eclusas, (empurrador + 2 chatas) com velocidade limite à deriva u=1,0 m/s, é ilustrado na Figura 4.7. Apenas como forma didática de visualização são apresentadas as situações de aproximação com ângulos limites de 12º em relação à proa da embarcação.
Na Figura 4.7 os valores de força do vento foram obtidos seguindo a NBR 9782, equação (2), considerando a constante de forma da embarcação k = 1,2 ou seja, a situação mais conservadora.
A Figura 4.8 ilustra a composição final do envelope de ventos para eclusas, admitida velocidade limite à deriva u=1,0 m/s com ângulos limites de aproximação de 12º em relação à proa da embarcação.
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Figura 4.7 – Representação didática do envelope de vento.
53 Um exemplo de envelope de vento, justaposto a carta náutica, para eclusa de Nova Avanhandava está ilustrado na Figura 4.9.
Figura 4.9 - Envelope de ventos sobre a carta náutica da eclusa de Nova Avanhandava.
Conclusão
Como foi exposto alhures, a condição mais limitante de vento na transposição é aquela referente a entrada do comboio na eclusa de montante. Na eclusa de montante, normalmente, os comboios entram normalmente vazios, portanto, com sua maior área velica. Ademais, a pista de vento à montante e consequentemente as condições de agitação do lago (ondas) é relativamente, infinitamente, superior àquela do canal intermediário. Diante disso, atendido o envelope de vento estabelecido para a transposição da eclusa de montante não deve ser impostas restrições de vento para o cruzamento de comboios no canal intermediário de Nova Avanhandava. Atenção deve ser dada, no caso aproximação de tempestades sobre o local, pois nessas condições adversas os parâmetros de velocidade e direção do vento possuem alta variabilidade espaço-temporal.
Referências Bibliográficas
ABNT – NBR 9782 . - Ações em estruturas portuárias, marítimas ou fluviais. Associação Brasileira de Normas Técnicas, 27p, Março 1987.
D.H. - "Anexo XVI - Procedimentos para aproximação em pontes e eclusas”. http://www.transportes.sp.gov.br/programas-projetos_/hidrovia-tiete.asp
54 OLIVEIRA, B. M. – Software de rastreamento de embarcações e plataforma eletrônica para ensaios hidrodinâmicos em túnel de vento. Dissertação de Mestrado, Engenharia Elétrica, Faculdade de Engenharia de Ilha Solteira/UNESP, 2013.
META 5 – Avaliação dos Mecanismos de Disseminação da Informação do Sistema de