Ondas

As ondas representam cerca de 20% a 25% das forças totais que afetam os sistemas de amarração e o equipamento aquícola.

A onda é, portanto, um dos principais fatores limitantes no desenvolvimento da piscicultura marinha em jaulas. Nos últimos anos, o material usado para produzir as jaulas flutuantes está lentamente a transitar do metal para o polietileno de alta densidade. Este material polimérico é muito flexível e possui excelente capacidade de adaptação ao movimento sinusoidal das ondas marinhas (Cardia, Ciattaglia, and Corner 2017).

Naturalmente, o diâmetro da jaula deve ser adequadamente dimensionado de acordo com a altura e o período de onda. Geralmente, é recomendado ter grandes diâmetros de jaula em locais onde as ondas altas são um recurso frequente.

Em locais onde as ondas são menos significativas em altura, mas com um período muito curto, o desgaste dos materiais aumenta bastante. Neste caso, embora as ondas não transfiram alta quantidade de energia para as estruturas, elas são muito mais solicitadas devido à maior frequência das ondas que atingem a estrutura.

A direção da onda principal, indicada em graus ou radianos, geralmente determina a orientação do sistema de ancoragem. Uma indicação mais detalhada das várias direções das ondas no local selecionado é fundamental para obter um projeto mais preciso do sistema de ancoragem. Num sistema de amarração, onde geralmente há várias jaulas alocadas como uma estrutura unitária, é geralmente aceite que as jaulas devem ser orientadas de forma que a borda curta da estrutura esteja na mesma direção das ondas predominantes, como exemplifica a Figura 18, enquanto a borda longa do sistema aquícola está de frente para as correntes predominantes. Se as correntes predominantes e as ondas predominantes não tiverem direção ortogonal, como mostra a Figura 18 é preferível que a amarração seja alinhada considerando a direção das ondas primeiro.

Figura 18 – Orientação de um sistema de amarração numa frota de jaulas (Cardia, Ciattaglia, and Corner 2017).

A formação de ondas é influenciada pela velocidade do vento, pela distância e largura percorrida, quer pelo vento quer pelas ondas em mar aberto, pela duração de vento na área selecionada e ainda pela profundidade da água. A conjugação de todos estes fatores determina o tamanho das ondas, ou seja, quanto maior for alguma das variáveis, maiores as ondas se tornam, excetuando a profundidade como será explicado mais adiante. As correntes também influenciam indiretamente a formação de ondas, já que os ventos contra as correntes geram ondas mais curtas e mais íngremes.

Medidas e características das ondas

Altura da onda

As ondas diferem na sua origem, forma e velocidade. No que respeita à aquacultura, o vento é o principal fator na origem das ondas. A altura das ondas aumenta com a velocidade do vento e a energia das ondas aumenta proporcionalmente com o quadrado da altura das ondas. O movimento da água produzido pelas ondas é, em grande parte, um fenómeno superficial. Quando uma onda se move em oceano aberto podemos observar que as partículas dentro da própria onda tendem a girar em órbitas circulares (Figura 19). Na superfície, o diâmetro da órbita é igual à altura da onda, H. No entanto, a órbita das partículas diminui exponencialmente com a profundidade e é expressa da seguinte forma:

𝐷_𝑧 = 𝐻(2𝑧 𝐿)⁄ _(2.2) Onde: D, é o diâmetro da orbita H, é a altura da onda Z, é a profundidade, e L, é o comprimento de onda

Figura 19 – Propriedades rotacionais de uma partícula de água numa onda (James and Slaski 2006).

Quando as ondas se aproximam da costa e a profundidade se torna menor que a metade do comprimento das ondas, os orbitais podem alcançar o fundo. O atrito entre o fundo e o movimento do orbital dissipa a energia das ondas. A quantidade de energia dissipada depende principalmente da velocidade orbital e da qualidade do leito do mar.

Quando os orbitais de uma onda atingem o fundo, a onda torna-se mais íngreme e dobra-se tal como podemos ver na Figura 20. Este efeito do leito do mar nas ondas são o motivo pelo qual as ondas têm maior inclinação e se tornam mais destrutivas perto da costa (Cardia and Lovatelli 2015).

Figura 20 – Efeito da profundidade nas ondas e nas orbitais (“Wave Orbitals and the Effect of Depth on Wave Behaviour - Pesquisa Google” 2010).

Outros parâmetros de medição em relação às ondas são:

• O período de onda dominante, em segundos, que corresponde ao período entre ondas com energia máxima. Num determinado período, corresponde ao tempo entre as ondas de maior energia.

• A direção das ondas de período de onda dominante em graus do norte geodésico, aumenta no sentido horário, com o norte como 0 (zero) graus e o Leste como 90 graus. A previsão das ondas, no que se refere às sua amplitudes, períodos e frequências, torna-se de extrema importância quando pretendemos colocar uma estrutura para aquacultura em offshore. Para tal é necessário obter informações como frequência a longo prazo e a direção do vento. A adoção de uma estrutura para este tipo de jaulas deve ter em consideração dados estatísticos para as ondas com amplitudes mais elevadas, num dado período, que facilmente originam uma falha instantânea na estrutura. Por outro lado, deve ser considerada a média das amplitudes registadas nesse mesmo período que, por sua vez, originará uma falha gradual por efeito de fadiga criada na estrutura. Para o projeto de estruturas costeiras e offshore, é importante prever o efeito combinado da altura máxima das ondas e do período de ondas associadas. A altura de onda significativa (Hs) é a altura média de 33% das ondas mais altas e é cerca de 40-60% maior do que a altura de ondas médias no geral. A altura máxima de uma onda num local pode ser 1,8 a 2 vezes a altura de onda significativa (James and Slaski 2006).

Um estudo mais recente, de Perez et al. (2003) revelou que a utilização dos dados das alturas de ondas chega para a implementação de jaulas num dado lugar, ao invés de utilizar informações complementares de períodos de onda que, apesar de ser um variável importante, é mais dependente do desenho da estrutura da jaula, do projeto das amarrações e a orientação da jaula (Perez et al., 2003).

Comprimento de onda e período

O comprimento de onda e o período, que normalmente não são considerados para a seleção do local, são características importantes do efeito de onda ao projetar estruturas flutuantes no mar. As ondas de período mais longo produzem as cargas maiores nas amarrações e os maiores movimentos de deriva das jaulas, enquanto que as ondas com período mais curto produzem um deslocamento angular das articulações superior. Segundo Pond (1983) as cargas na jaula, associadas a um maior comprimento de onda são relativamente pequenas e, por outro lado, as forças máximas estão associadas a ondas mais curtas e mais frequentes geradas por tempestades locais (Pond and Pickard 1983). A força dinâmica nas linhas de ancoragem diminui significativamente com o aumento dos comprimentos de onda. À medida que o comprimento de onda aumenta, a profundidade na qual a carga de onda atua também aumenta, afetando a distribuição de forças nas estruturas em diferentes profundidades. Perez et al., (2003) sugerem que uma melhoria adicional no seu modelo poderia incluir o uso combinado das alturas de onda e períodos de onda. Alguns locais escoceses banhados pelo Oceano Atlântico apresentam grande intensidade de ondas, o que causa descalcificação nos peixes e consequentemente alta mortalidade devido ao movimento excessivo da jaula (Beveridge 2004). Perez et al., (2003) reconhecem que, para locais não oceânicos, a inclusão de dados atuais, juntamente com a batimetria e o declive dos fundos marinhos, melhoraria a caracterização das condições marinhas (Perez, Telfer, and Ross 2003).

Forças das ondas

As forças dinâmicas verticais impostas pelas ondas tendem a ser as mais importantes, pois exercem forças de flexão e torção. As forças de flexão são máximas em comprimentos de onda semelhantes à dimensão da jaula. Portanto, locais costeiros podem ser vulneráveis a forças, assim como, locais offshore. Tensões cíclicas impostas pela periodicidade das ondas podem causar fadiga nos membros da estrutura, o que pode ser mais significativo do que ocasionais ondas muito grandes. Assim sendo, locais costeiros podem ser piores do que locais offshore (Beveridge 2004).

A modelação de forças dinâmicas que atuam nas estruturas das jaulas de aquacultura é um assunto complexo e em evolução. No entanto, pode ser uma grande ajuda na seleção de

estruturas para que correspondam aos requisitos marítimos, tanto a nível de exigências físicas, como biológicas para uma operação offshore.

Existem várias fórmulas para estimar a força horizontal máxima das ondas no ponto central de objetos de grandes dimensões e várias geometrias (Silvester 1974). De acordo com Ágústsson (2004), a estimativa mais comumente aplicada é a Equação de Morison (Equação 2.3), que é geralmente aplicada a estruturas offshore delgadas (Ágústsson 2004).

𝐹 = 𝐶_𝑀. 𝜌. 𝑉. 𝑎 +1 2𝜌𝑙

2_𝐶

𝐷𝑣|𝑣| (2.3)

Onde:

F, é a força horizontal de onda [N]

ρ, é a massa específica de água [kg/m3_]

l, é o comprimento do objeto [m]

CM, é massa efetiva de fluido que envolve o objeto

V, é o volume deslocado do fluido [m3_]

a, é a aceleração de fluido [m/s2_] 𝐶𝐷, é o coeficiente de arrasto, e

v | v | é a velocidade do fluido quadrada [(m2_/s2_)].

O primeiro termo da equação de Morison, que corresponde à força de inércia, é a força necessária para manter o objeto, sujeito a uma aceleração de fluxo livre, constante no lugar. O segundo termo, a força de arrasto é a força necessária para manter o objeto, sujeito a uma corrente, com uma certa velocidade (Ágústsson 2004).

Fredriksson et al., (2003a e 2003b) sugerem o uso de uma versão modificada da equação de Morison para explicar o movimento relativo, entre os elementos estruturais e os fluidos circundantes, ou seja, coeficientes de arrasto e massa adicionada (inércia) (Fredriksson 2001). A influência das forças de arrasto e inércia torna-se altamente dependente do tamanho e da forma da jaula, bem como das características das ondas. Quando falamos de jaulas esféricas, obrigatoriamente, teremos de prever oscilações. A deflexão da rede irá variar dependendo do tipo de jaula. Para a maioria das jaulas rígidas submersíveis, onde a rede é altamente tensionada, este fator pode não ser significativo. Da mesma forma, a distribuição de forças sobre a superfície das estruturas varia e o efeito da distribuição do peixe na jaula também necessita de ser levado em consideração (Ágústsson 2004).