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(1)

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Fifth level

11/9/2017

1

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11/9/2017 1

Sistemas de medição e predição de condições

ambientais e aplicações: Calado Dinâmico

Eng. Naval Dr. Felipe Ruggeri

Eng. Naval Dr. Rafael Watai

(2)

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Fifth level

1) Utilização de sistemas para auxílio a operação é uma realidade mundial

2) Crescimento do porte das embarcações

3) Condições ambientais não podem ser controladas mas sim monitoradas

Contextualização

Petroleiros 80’s

Porta-containers Navios de GNL

(3)

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Fifth level

Contextualização

PIANC (1985)

Aug Sep Oct Nov Dec Jan Feb Mar Apr May Jun Jul Aug Sep Oct 0 2 4 6 H s( m )

Aug Sep Oct Nov Dec Jan Feb Mar Apr May Jun Jul Aug Sep Oct 0 10 20 T p (s)

Aug Sep Oct Nov Dec Jan Feb Mar Apr May Jun Jul Aug Sep Oct 0 200 Tempo D ir (º ) RJ01 - medido RJ01 - simulado

(4)

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Fifth level

Conceito de Calado Dinâmico

(5)

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Fifth level

11/9/2017

5 Definição do calado máximo

DEFINIÇÃO DO

CALADO MÁXIMO

“MARGEM DE MANOBRA” (Média temporal da folga sob a

quilha)

1) Valor crítico para manter a manobrabilidade sem assistência de rebocadores (PIANC-2014)

2) Depende do navio, dimensões do canal, alinhamento e tráfego

3) Para navios de grande porte assume-se que o heave, roll e pitch não alteram a manobrabilidade

Garantir que não ocorram toques no fundo e encalhes 1)Geralmente definidos para um único navio;

2) São calculados para uma condição ambiental de projeto (Qual condição escolher?)

3) Trazem de forma implícita ou explícita algum nível de risco associado para a condição de projeto.

(6)

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Fifth level

Calado Dinâmico no Mundo

-

Porto de Montreal

-Porto de Los Angeles e Long Beach -Porto de Portland -Rio Columbia -Porto de Roterdã (1997) -Porto de Amsterdã e Eemshaven -Porto de Lisboa (2007) -Porto de Hamburgo -Porto de Taranaki (1999) -Porto de Brisbane -Porto de Hedland (1996) -Porto de Melbourne -Porto de Geelong -Porto de Napier

-Complexo portuário de Pilbara

(7)

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Fifth level

Sistemas de monitoramento

“CENTRO DE COORDENAÇÃO, COMUNICAÇÕES E OPERAÇÕES DE

TRÁFEGO (C3OT) – PRATICAGEM DO PORTO DE SANTOS”

“Garantir ainda mais

agilidade e segurança nas

manobras de navios cada

vez maiores que vêm

frequentando o Porto e que

exigem cuidados redobrados

no canal de navegação

estreito e sinuoso como o de

(8)

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Fifth level

Sistemas de monitoramento

“VTS – PORTO DO AÇU”

(9)

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Fifth level

Sistemas de monitoramento

Projeto SimCOSTA

(10)

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Fifth level

Sistema para auxílio a definição do calado seguro em

tempo real

(a) Squat;

(b) Adernamento devido ao

vento e curvas;

(c) Movimento em Ondas;

(d) Efeito da frequência de

encontro;

(e) Adernamento dinâmico

(f) Efeito de folga sob a

quilha (profundidade +

maré)

(11)

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Fifth level

Sistema para auxílio a definição do calado seguro em

tempo real

Navio-tipo

Cálculo do calado dinâmico

(a) Squat;

(b) Adernamento devido ao

vento e curvas;

(c) Movimento em Ondas;

(d) Efeito da frequência de

encontro;

(e) Adernamento dinâmico

(f) Efeito de folga sob a

quilha (profundidade +

maré)

(12)

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Fifth level

-Um modelo computacional específico

para cada embarcação;

-Inclusão de outros parâmetros navais

além do LOA, Boca e DWT.

-Link direto com base de dados para

correta identificação dos navios pelo

IMO/BzCode (ex: Lloyds)

Kristensen (2013) – ex:Frota de Navios de container

(13)

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Fifth level

-Embarcações semelhantes detalhadas (plano de balizas, arranjo geral, plano de

capacidades etc.)

-Séries sistemáticas e casos de benchmark internacionais (ex: ITTC

– International

Towing Tank Conference)

(14)

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Fifth level

Exemplo: Porta-containers

HTC LOA=153,7m Boca=27,5m Pontal=14,3m Calado=10,3m KCS LOA=230,0m Boca=32,2m Pontal=19,0m Calado=10,8m MEGA-JUMBO LOA=360,0m Boca=55,0m Pontal=31,0m Calado=16,0m

(15)

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Fifth level

• Os cascos são gerados de forma parametrizada para os diversos portes, calados

e tipos de casco (Cb, Cp, Csm etc);

• Os movimentos verticais (

heave, roll

e

pitch

) são combinados (com as fases

relativas) nos pontos do fundo

Navio de containers

_{Navio Tanque}

Geometria do casco de embarcações

Diferença no formato do fundo no plano

dos navios

(16)

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Fifth level

Condições de carregamento geradas variando a posição da carga e

lastro

Arranjo geral + Plano de capacidades + Manual de Trim&Estabilidade

Cálculo da posição do centro de gravidade e matriz de inércia

(17)

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Fifth level

Sistema para auxílio a definição do calado seguro em

tempo real

(a) Squat;

(b) Adernamento devido ao

vento e curvas;

(c) Movimento em Ondas;

(d) Efeito da frequência de

encontro;

(e) Adernamento dinâmico

(f) Efeito de folga sob a

quilha (profundidade +

maré)

Batimetria

(18)

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Fifth level

Batimetria - profundidades

1) Batimetria

categoria

A

atualizadas

seguindo

NORMAM 25

2) Canal

de

navegação

seccionado

em

diversos

trechos

S44 (IHO)

h=20.54m h=19.81m

(19)

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Fifth level

Batimetria - profundidades

1) Inclusão dos efeitos de assoreamento ao longo do tempo (ex: Santos=10cm/mês)

2) Mensurar o efeito do assoreamento e local de intervenção

Maior assoreamento

Menor assoreamento

Maiores profundidades Menor assoreamento

Maior squat

Maior incidência de ondas Menores profundidades

Maior assoreamento

Menor squat

(20)

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Fifth level

Sistema para auxílio a definição do calado seguro em

tempo real

(a) Squat;

(b) Adernamento devido ao

vento e curvas;

(c) Movimento em Ondas;

(d) Efeito da frequência de

encontro;

(e) Adernamento dinâmico

(f) Efeito de folga sob a

quilha (profundidade +

maré)

Squat

(21)

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Fifth level

• Cada seção do canal com fator específico de blocagem;

• Regiões mais exposta à ondas geralmente mais profundas

Exemplo seções do canal

ABNT 13246

Fator para cada seção

Variação entre 1.0 até 1.45 dependendo da geometria da seção

Coeficiente de bloco de acordo com as

(22)

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Fifth level

Squat – velocidade seção - Tracks reais

• Exemplo: 73 manobras de Capesize

• Distruibuição de velocidades para cada seção do canal;

• Distribuição de tempos de manobra 15 20 25 30 35 co rr ê n cia s 73 Observações 15 20 25 30 O co rr ê n cia s 66 Observações

(23)

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Fifth level

Squat – velocidade seção – Real-time

V=8 knots V=6 knots

20 min

s2

(24)

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Fifth level

Squat – correntes

Médio 0,6nó Forte 1,1nó Médio 0,5nó Forte 1,0nó Médio 0,5nó Forte 0,8nó Médio 0,7nó Forte 1,3nó

• A partir de pontos de medição – extrapolação para os demais pontos da malha

• Variação temporal e espacial ao longo do tempo da manobra

(25)

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Fifth level

Squat - exemplo

(26)

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Fifth level

Sistema para auxílio a definição do calado seguro em

tempo real

(a) Squat;

(b) Adernamento devido ao

vento e curvas;

(c) Movimento em Ondas;

(d) Efeito da frequência de

encontro;

(e) Adernamento dinâmico

(f) Efeito de folga sob a quilha

(profundidade + maré)

Vento

(27)

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Fifth level

• Força de vento baseado na regressão da ABNT 13246(2017)

• Áreas vélicas (ABNT e arranjo geral)

• Correção adicional da área vélica se o calado não é o de projeto

• Ângulo de adernamento

• Afundamento máximo nos pontos do fundo

Adernamento devido ao vento

(28)

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Fifth level

• Ensaio em túnel de vento

• Cálculos em CFD (Dinâmica de Fluidos Computacional)

Outras formas de cálculo de carga de

vento

-1.00 -0.80 -0.60 -0.40 -0.20 0.00 0.20 0.40 0.60 0.80 1.00 0 90 180 270 360 Cx CFD Cy CFD Cm CFD Cx IPT Cy IPT Cm IPT

(29)

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Fifth level

Adernamento em curvas

• Raio de curvatura • Ângulo de adernamento

• Ponto de máximo afundamento na quilha _G

B Flutuação Peso Força centrífuga Pressão água

(30)

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Fifth level

Sistema para auxílio a definição do calado seguro em

tempo real

(a) Squat;

(b) Adernamento devido ao

vento e curvas;

(c) Movimento em Ondas;

(d) Efeito da frequência de

encontro;

(e) Adernamento dinâmico

(f) Efeito de folga sob a

quilha (profundidade +

Resposta em ondas

(31)

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Fifth level

Efeito das ondas no navio de estudo

• Navios de grande porte são afetados principalmente por ondas de grande comprimento

geradas em alto mar, enquanto que ondas curtas são menos críticas para o navio-tipo

• As ondas curtas são críticas para embarcações menores (ex: rebocadores, lanchas etc.)

(32)

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Fifth level

(33)

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Fifth level

• O estado de mar é a soma de diversas componentes de energia atuando, diversas

com direções diferentes.

(Pierson, Neuman, James)

Componente 1

Componente 2

Componente 3

Componente n

Estado de mar observado

Espectro de mar

Ex: Medida em campo

Jonswap

(34)

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Fifth level

• Nem sempre um espectro de mar pode ser descrito somente pelos modelos paramétricos

Exemplo: dados medidos de onda

Qual a direção da onda? Espectro unimodais

Tp, Hs, Direção e espalhamento bem definidos

Exemplos de espectros de mar

A própria linha de costa auxília a eleminar algumas componentes

(35)

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Fifth level

Exemplo: 08/03/2015

3 componentes

principais de onda

offshore+vento local

ID Hs(m) Tp (s) Lp (m) Dir (º) Esp (º) Hs=1.11m , Tp=8.5s Hs=0.92m , Tp=11.3s Hs=0.72m , Tp=14.0s

Origem da bimodalidade

Ponto offshore

(36)

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Fifth level

Escolha da posição dos equipamentos

Aug Sep Oct Nov Dec Jan Feb Mar Apr May Jun Jul Aug Sep Oct 0 2 4 6 H s( m )

Aug Sep Oct Nov Dec Jan Feb Mar Apr May Jun Jul Aug Sep Oct 0 10 20 T p (s)

Aug Sep Oct Nov Dec Jan Feb Mar Apr May Jun Jul Aug Sep Oct 0 200 Tempo D ir (º ) RJ01 - medido RJ01 - simulado

Ondas propagadas de alto mar

(37)

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Fifth level

Posição dos equipamentos

-Simulação de diversos períodos, direções e alturas para verificação de possíveis atenuações, sombras ou reflexões.

-Solução de compromisso entre a

representatividade da medida,

transmissão e manutenção do

(38)

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Fifth level

Surge

Sway

Heave

Yaw

Roll

Pitch

Onda

Tp, Hs e Dir.

Cálculo em 6 graus de liberdade

• Elementos de contorno

3D;

• Amortecimento linear

externo de 5% em

roll

(baseado nos valores em

água profundas)

(39)

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Fifth level

Método de painéis

• Teoria desenvolvida desde os anos 60-70 tanto na área de aviação quanto marítima

• Mais de 30 grupos de pesquisa ao redor do mundo (MIT, Nantes, TexasAM, Toquio, Compass , AQWA, NTNU, Marin, USP, Argonáutica etc)

• Reconhecido pelas classificadoras como ferramenta de projeto/análise

WASIM (DNV)

Hydrostar (BV)

(40)

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Fifth level

Metodologia – efeito direção

Ex: Navio capesize

•As respostas de heave, roll e pitch se modificam apreciavelmente em função da direção da onda incidente;

•A validação é realizada tipicamente em ensaio em tanque de provas

Comparação numérico x experimental

0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 ve R A O ( m /m ) 180° - Numérico 150° - Numérico 135° - Numérico 120° - Numérico 090° - Numérico 180º - Experimental 150º - Experimental 135º - Experimental 120º - Experimental

(41)

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Fifth level

Respostas do navio+condição de mar

Perigo: identificar o Tp/direção de ondas curtas e negligenciar as ondas longas

Tp

Amplificações da resposta do navio

para ondas unitárias

(42)

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Fifth level

Metodologia – efeito frequência de

encontro

A frequência das ondas que o navio enxerga depende da velocidade do navio,

do período da onda e da incidência

x

Mar

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

(43)

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Fifth level

Metodologia – efeito do porte

• Ex: Porta-containers de LOA=180m e LOA=340m em CA=18.3m

Δ

₁₈₀

~ 40.000 ton

Δ

₃₄₀

~ 136.000 ton

Grandes diferenças em termos de

resposta a ondas em função do

porte, embora ambos sejam

porta-containers.

(44)

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Fifth level

Metodologia – efeito tipo de casco

• Capesize vs porta-container

• Efeito do formato do casco,

distribuição de inércia

e

altura do centro de

gravidade

.

(45)

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Fifth level

Metodologia – efeito carregamento e H/T

Ex: Navio capesize

•Mudança período natural

com a condição de

carregamento/calado

VCG VCG VCG

UKC Massa adicional

(46)

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Fifth level

Sistema para auxílio a definição do calado seguro em

tempo real

(a) Squat;

(b) Adernamento devido ao

vento;

(c) Movimento em Ondas;

(d) Efeito da frequência de

encontro;

(e) Adernamento dinâmico

(f) Efeito de folga sob a

quilha (profundidade +

Pontos de verificação do

calado

(consumíveis/lastro)

(47)

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Fifth level

Sistema para auxílio a definição do calado seguro em

tempo real

(a) Squat;

(b) Adernamento devido ao

vento;

(c) Movimento em Ondas;

(d) Efeito da frequência de

encontro;

(e) Adernamento dinâmico

(f) Efeito de folga sob a

quilha (profundidade +

maré)

Variação do nível

(48)

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Fifth level

Variação do nível

•Calibração do nível dos modelos hidrodinâmicos diretamente com estações maregráficas ativas no CHM e a tábua DHN

•Recomendada validação por longos períodos para validação de amplitude e fase;

-0.50 0 0.5 1 1.5 2 2.5 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Maré (m) Oc orrênc ia ac um ulada (%) Marégrafo Simulado

(49)

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Fifth level

Variação do nível

(50)

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Fifth level

Variação do nível

Exemplo de variação de maré nas seções

35cm

•Incorporação da variação da amplitude e fase ao longo do canal;

•Incorporação de atrasos na embarcação com base na curva de tempos de manobra;

•Incorporação de curvas de tolerância de erro nas previsões de curto prazo;

(51)

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Fifth level

Sistema para auxílio a definição do calado seguro em

tempo real

(a) Squat;

(b) Adernamento devido ao

vento;

(c) Movimento em Ondas;

(d) Efeito da frequência de

encontro;

(e) Adernamento dinâmico

(f) Efeito de folga sob a

quilha (profundidade +

maré)

Tolerância para variação das condiçoes

(52)

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Fifth level

• Dados medidos geralmente não são exatamente em “tempo real”, mas com atrasos de 5min~1h – principalmente ondógrafos

• Tolerâncias devem ser consideradas entre o instante da medida e o período da manobra;

Tolerância para variação das condições

Curvas de variação de Hs (m)

(53)

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Fifth level

Sistema para auxílio a definição do calado seguro em

tempo real

(a) Squat;

(b) Adernamento devido ao

vento;

(c) Movimento em Ondas;

(d) Efeito da frequência de

encontro;

(e) Adernamento dinâmico

(f) Efeito de folga sob a

quilha (profundidade +

maré)

(54)

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Fifth level

Metodologia – critério de aceitação

• Critérios de aceitação do calado:

1) Estatística de extremos de curto prazo

2) Probabilidade de toque no fundo

Tempo de trânsito

Período entre zeros ascendentes Amplitude máxima de

movimento esperado em ondas

(55)

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Fifth level

Previsão de calados máximos

Correntes+nível

Ondas

(56)

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Fifth level

Previsão – janelas de manobras

Hs=0.5m, Tp=6s T≥13.5m T≥13.0m T≥13.8m T≥13.2m

Estimativa de

Janelas

operacionais

(57)

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Fifth level

Integração e funcionamento

•Integração online dos diversos sensores;

•Cálculos computacionais em servidores

•Disponibilização multiplataforma;

•Importante a participação da Praticagem para definir os parâmetros úteis durante a manobra

R

(58)

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Fifth level

Porto de Santos

(2015)

Exemplos no Brasil

C3OT

Terminais Portuários Usuários do Porto Autoridade Portuária Autoridade Marítima Beneficiários

Porto do Rio de Janeiro

(2017)

(59)

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Fifth level

Santos (515 manobras)

Exemplos de resultados

RESTRIÇÕES DE CALADO 2013 8 dias e 10 minutos

2014 7 dias, 22 horas e 10 minutos 2015 7 dias, 6 horas e 25 minutos 2016 4 dias, 13 horas e 50 minutos