RELATÓRIO TÉCNICO Convênio: 01.100699-00
Projeto ONDISA 8 - Desenvolvimento de tecnologia para transposição de barragens e de instrumentação para segurança da navegação hidroviária.
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Í
NDICE 1.INFORMAÇÕES DO RELATÓRIO: ... 4 2.IDENTIFICAÇÃO ... 4 2.1.PROJETO E SUBPROJETOS ... 5 2.2.COORDENAÇÃO GERAL ... 5 2.3.INSTITUIÇÕES ... 5 3.DESCRIÇÃO DO PROJETO: ... 63.1.OBJETIVO GERAL DO PROJETO: ... 6
3.2.RESULTADOS ESPERADOS: ... 6
4.DESENVOLVIMENTO DO PROJETO: ... 6
4.1.PLANO DE METAS ... 6
4.2.DESCRIÇÃO ... 6
META 1 - Levantamento de Base de Dados de Eclusas e Comboios. ... 9
META 2 – Desenvolvimento de Modelo Físico e Hidrodinâmico para Aproximação em Eclusas. ... 23
META 3 – Instalação de Equipamentos, Sensores e Rede de Comunicação do Sistema de Aproximação. ... 36
META 4 – Estudos e Testes de Validação do Modelo de Aproximação para Transposição de Barragens. ... 44
META 5 – Avaliação dos Mecanismos de Disseminação da Informação do Sistema de Aproximação... 54
META 6 – Desenvolvimento em Laboratório do Protótipo de Ondógrafo Óptico. ... 68
META 7 - Avaliação de Resposta de Medição do Ondógrafo Óptico. ... 78
META 8 - Identificação e Análise de Áreas para Medição de Atenuação de Ondas pela Vegetação. ... 101
META 9 - Campanha de Instalação, Operação e Coleta de Dados de Vento, Corrente e Ondas para Estudos de Amortecimento. ... 128
META 10 – Continuidade do desenvolvimento das relações vento – ondas. ... 139
META 11 - Evolução da Abordagem de Medição de Altura e Período de Ondas Usando Técnicas de Inteligência Artificial (redes neurais) ... 157
META 12 - Seminários de Avaliação do Projeto e Controle Geral. ... 174
META 13 - Campanha de Medição de Campo para Teste de Protótipo. ... 182
5.RESULTADOS: ... 183 5.1.PRODUÇÃO CIENTÍFICA ... 184 5.2.PRODUÇÃO TECNOLÓGICA ... 188 5.3.SERVIÇOS ... 189 5.4.DIFUSÃO ... 190 5.5.OUTROS ... 195 6.INFRAESTRUTURA: ... 197
6.1.OBRAS, SERVIÇOS E EQUIPAMENTOS. ... 197
6.2.OBSERVAÇÕES: ... 197
7.EQUIPE TÉCNICA: ... 198
7.1.CAPACITAÇÃO: ... 198
7.2.ALTERAÇÕES ... 201
7.3.COMPOSIÇÃO DA EQUIPE EXECUTORA: ... 201
7.4.BOLSISTAS ... 201
8.PARCERIAS INSTITUCIONAIS ... 202
3 9.1.NOVAS FONTES ... 207 9.2.CONTRAPARTIDA ... 207 10.TRANSFERÊNCIA DE TECNOLOGIA ... 208 11.IMPACTOS ... 209 IMPACTOS TECNOLÓGICOS... 209 IMPACTOS ECONÔMICOS. ... 210 IMPACTOS SOCIAIS. ... 211 IMPACTOS AMBIENTAIS. ... 211 12.DIFICULDADES ... 212
13.CONCLUSÕES, RECOMENDAÇÕES, PERSPECTIVAS E COMENTÁRIOS. ... 213
14.IDENTIFICAÇÃO DOS ANEXOS ... 214
15.ASSINATURA ... 214
16.ANEXO A – PLANO DE METAS ... 215
17.ANEXO B – PLANILHA DE BOLSAS ... 224
18.ANEXO C – PLANILHAS DE OBRAS, SERVIÇOS E EQUIPAMENTOS. ... 227
C.1-BENS E SERVIÇOS ... 227
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1. I
NFORMAÇÕES DOR
ELATÓRIO:
Tipo de Relatório: Final ou Parcial:
Período de abrangência do Relatório:
De: 15/12/2010 Até: 15/12/2014
2. I
DENTIFICAÇÃOFEPISA - Fundação de Ensino Pesquisa e Extensão de Ilha Solteira CNPJ: 00.357.503/0001-19
Passeio Cuiabá, 115
15385-000 Ilha Solteira – SP
UNESP/FEIS - Universidade Estadual Paulista Júlio Mesquita Filho - Faculdade de Engenharia de Ilha Solteira
CNPJ : 48.031.918/0015-20 Av. Brasil, 56 - Centro 15385-000 Ilha Solteira – SP
IPT – Instituto de Pesquisas Tecnológicas de São Paulo CNPJ: 60.633.674/0001-55
Av. Prof. Almeida Prado, 532 Cidade Universitária - Butantã 05508-901 São Paulo – SP
CEETPS – Centro Estadual de Educação Paula Souza - Fatec/Jau - Faculdade de Tecnologia de Jahú.
CNPJ: 62.823.257/0020-63
Rua Frei Galvão, s/n - Jd. Pedro Ometto 17212-599 Jaú – SP
UFRJ – Universidade Federal do Rio De Janeiro – Coppe - Coordenação dos Programas de Pós-Graduação – Instituto Alberto Luiz Coimbra de Pós-Pós-Graduação e Pesquisa de Engenharia - Laboratório De Traçadores.
CNPJ: 33.663.683/0055-09
Cidade Universitária, Centro de Tecnologia, Bloco G, sala 101 21949-900 Ilha do Fundão – Rio de Janeiro – RJ
SINDASP - Sindicato dos Armadores de Navegação Fluvial do Estado de São Paulo CNPJ: 67.633.385/0001-48
Rua Ana Ricci Biliassi, 204 , 1º andar, Centro 17340-000 Barra Bonita - SP
D.H. - Departamento Hidroviário/Secretaria dos Transportes do Estado de São Paulo
CNPJ 46.375.200/0002-00
5 01107-901 São Paulo - SP
Coordenador
Prof. Dr. Luiz Roberto Trovati – Faculdade de Engenharia, UNESP – Ilha Solteira. CPF: 330.206.719-49
LH² - Laboratório de Hidrologia e Hidrometria Av. Brasil, 56 – Centro
15385-000 Ilha solteira - SP
2.1. Projeto e Subprojetos
Título do Projeto: Sigla Valor
Desenvolvimento de tecnologia para transposição de barragens e de
instrumentação para segurança da navegação hidroviária. ONDISA8 2.002.306,91
2.2. Coordenação Geral
Nome CPF Telefone E-mail
Prof. Dr. Luiz Roberto Trovati 330.206.719-49 (18) 3743-1071 trovati@dfq.feis.unesp.br
2.3. Instituições
Convenente Sigla
Fundação de Ensino Pesquisa e Extensão de Ilha Solteira. FEPISA
Executor Sigla
Universidade Estadual Paulista Júlio Mesquita Filho - Faculdade de Engenharia de Ilha Solteira.
UNESP/FEIS
Co-Executores Sigla
Instituto de Pesquisas Tecnológicas de São Paulo IPT
Centro Estadual de Educação Paula Souza - Fatec - Jau - Faculdade de Tecnologia de Jahú.
CEETPS FATEC/Jahú Universidade Federal do Rio de Janeiro – Coppe - Coordenação dos Programas
de Pós-Graduação – Instituto Alberto Luiz Coimbra de Pós-Graduação e Pesquisa de Engenharia
UFRJ COPPE
Intervenientes Sigla
Sindicato dos Armadores de Navegação Fluvial do Estado De São Paulo SINDASP Governo do Estado de São Paulo - Secretaria dos Transportes do Estado de São
Paulo / Departamento Hidroviário
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3. D
ESCRIÇÃO DOP
ROJETO:
3.1. Objetivo Geral do Projeto:
1- Desenvolver e testar em condições operacionais um sistema para auxílio de aproximação e entrada de barcaças em eclusas da hidrovia Tietê-Paraná com indicativo sinalizado por luzes e/ou GPS, através de modelagem física e hidrodinâmica de pressão, produzida pela velocidade e direção do vento e pelo arraste de ondas sobre a área estrutural dos comboios.
2- Desenvolver e testar um ondógrafo óptico para águas rasas com medições de altura e período usando câmeras de filmagem infravermelho e tecnologia computacional de reconhecimento de padrões.
3- Estudar e avaliar o processo de amortecimento de ondas resultante da vegetação subaquática tendo em vista a importância no processo de erosão de margens de reservatórios.
4- Obter dados para validação de relações vento-ondas em lagos da hidrovia Tietê-Paraná.
3.2. Resultados Esperados:
Desenvolvimento de protótipo de ondógrafo óptico para águas rasas.
Estabelecimento de base metodológica para criação de mecanismos gerenciais e normativos ao transporte de cargas perigosas na hidrovia.
Produção de base de dados para estudos e pesquisas de ondas em águas rasas.
Produção de software do modelo de aproximação para eclusagem.
4. D
ESENVOLVIMENTO DOP
ROJETO:
4.1. Plano de Metas
O plano de metas está descrito no anexo A.
4.2. Descrição
Considerando como baliza de referência os objetivos e os resultados esperados previstos na proposta de pesquisa original, a execução dos temas de estudo, investigação, pesquisa e desenvolvimento concluídos neste projeto, superam, em muito, o que se imaginava ser possível realizar. Todas as metas foram integralmente cumpridas, de modo que se pode afirmar que as finalidades do projeto foram plenamente atingidas e com êxito.
O desenvolvimento do sistema para auxílio de aproximação para eclusagem foi um marco neste projeto. Destacam-se: a metodologia pioneira, no Brasil, de construção do sistema tanque-túnel de vento empregado para a obtenção dos parâmetros da modelagem física e hidrodinâmica de ação do vento em comboios; as técnicas, processos e instrumentação que foram desenvolvidas para coleta das forças que atuam na área velica de modelo reduzido de embarcação; o desenvolvimento de hardwares e softwares do sistema de aproximação de embarcações para transposição de barragens; a tecnologia do sistema eletrônico computacional de auxílio à
7 eclusagem, entre outros. Aliás, este sistema foi implantado no C.O.H. – Centro Operacional da Hidrovia da AES Tietê.
O desenvolvimento proposto para o ondógrafo óptico para águas rasas que previa originalmente a utilização de mecanismo por câmera de filmagem infravermelha precisou ser alterado no transcorrer da pesquisa, por um mecanismo de medição de distância a laser. Essa alteração foi necessária em razão de se desejar a coleta de dados em tempo real e no caso havia dificuldades de transmissão via rádio de arquivos grandes como os de imagem. O ondógrafo óptico com distanciômetro a laser desenvolvido contornou o problema de transmissão de dados, empreendeu simplicidade e confiabilidade nas medições. Sobretudo, aumentou significativamente a capacidade de taxa de amostragem nas medições, permitindo acompanhar em detalhes a evolução do estado de agitação dos lagos desde as pequenas ondulações. A propósito, o ondógrafo óptico desenvolvido apresenta excelente resposta de medição de altura e período de ondas em águas rasas, com aplicação para monitoramento contínuo de ondas e inclusive para medições de agitação leve em lagos e costas visando estudos de erosividade de margens.
Os estudos sobre o processo de amortecimento de ondas pela vegetação subaquática e de erosão de margens de reservatórios abordaram aspectos da variação espaço-temporal da proliferação de macrófitas aquáticas nos reservatórios de Jupiá e Ilha Solteira. Foram realizadas campanhas de coleta de dados no reservatório de Ilha Solteira e utilizados os modelos SWAN-VEG, SWAN team (2014), para simular as ondas geradas por vento na presença de vegetação. Alguns testes de sensibilidade foram primeiramente realizados para a zona em estudo considerando uma batimetria de profundidade constante, variando as características do vento e da vegetação. Verificou-se que existe uma redução significativa, quando uma área de vegetação é considerada e para os pontos dentro ou perto dessa área. Isto é mais evidente nos casos em que a velocidade do vento é maior. Além disso, verificou-se que não há uma variação da altura significativa de onda (Hs) com a direção das ondas nos casos com vegetação.
No caso do reservatório de Porto Primavera onde a vegetação aquática não donima as margens do talvegue principal por causa dos severos efeitos de batimento das ondas, optou-se por realizar uma campanha de coleta de dados visando estudos de erosividade das margens. Na coleta de dados de ondas foi testada uma nova metodologia usando três transdutores de pressão arranjados numa arquitetura em triângulo equilátero e mais um quarto avançado em direção ao meio do rio. A margem em estudo situa-se próximo a baragem de Porto Primavera no município de Anaurilândia – MS e tem apresentado intensa erossão pela agitação do lago. Ela tem sido objeto de experimentos e estudos para contenção da energia das ondas por parte do IPT-Instituto de Pesquisas Tecnológicas de São Paulo ao qual prestamos apoio com essa campanha de medição de vento e ondas.
Adicionalmente, face ao vínculo do tema plantas aquáticas e problemas na geração de energia elétrica, foi realizado um estudo preliminar do impacto na geração de energia devido à obstrução dos painéis de grades de tomada d’água por plantas aquáticas. Frequentemente, essas obstruções causam a indisponibilidade temporal da unidade geradora devido à parada ou redução de carga para realizar a limpeza e manutenção. Foram simulados os esforços nos painéis de grade para diversos níveis de obstrução e levantadas algumas premissas de propositura de um modo de monitoramento de obstrução de grades de tomada d’água.
Por fim, enfatizam-se com méritos os trabalhos da equipe de campo para a implantação da rede de sensores e de telemetria de dados. As programações da instrumentação e os softwares para a operacionalização da rede foram elaborados de modo a permitir a transmissão dos dados de todas as estações em tempo real. Desse modo foi estabelecido um verdadeiro sistema de
8 monitoramento, permitindo inclusive interrogar a partir do LH² em Ilha Solteira, instrumentos situados a 350 km de distância e instalados no meio do lago de Porto Primavera. Assim, as campanhas de monitoramento de vento e ondas efetuadas continuamente por dois anos consecutivos, se constituíram num acervo de dados extraordinário para validação de relações vento x ondas em lagos.
Em síntese, o projeto foi concluído a bom termo com o cumprimento de todas as metas físicas, sendo que para muitas delas foi realizado muito mais do que havia sido previsto no projeto original. Houve, de fato a necessidade de dilação do prazo para conclusão de algumas metas físicas em decorrência de atrasos no processo de importação de parte da instrumentação e em função de anormalidades da hidrológicas de seca na bacia do Rio Paraná. Assim, a conclusão do projeto prevista para dezembro de 2012 careceu de adiamento para dezembro de 2014. Consideradas estas correções, o projeto se desenvolveu normalmente, produzindo avanços, com metodologias e resultados, pioneiros para a medição de ondas em águas rasas.
A seguir estão relatadas as atividades desenvolvidas e os resultados para as respectivas metas do projeto. Nesses relatos, optou-se por fazer a descrição para apresentação das atividades das metas seguindo-se a sintese das publicações delas decorrentes e que se encontram referenciadas nos itens 5.
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META 1 - Levantamento de Base de Dados de Eclusas e Comboios. Introdução
Inicialmente as obras civis empreendidas no rio Tietê foram feitas buscando se aproveitar do potencial energético. Com o passar do tempo outras malhas tais como a ferroviária e rodoviária alcançaram o rio e desta forma as obras civis foram executadas visando apenas a transposição, não empregando o rio como uma via para o transporte.
Com o tempo, o país passou a ser um importante exportador de alimentos e matérias primas, utilizando de forma mais intensa o modal de transporte hidroviário para escoar a produção até os portos (Anderson et. Al.). De acordo com a Figura 1, no período analisado, a região apresentou uma taxa de crescimento de 8 % e responde por quase 30 % da produção nacional.
Figura 1.1. Evolução da produção em Mt (Milhares de toneladas) plantadas (Anderson et al.).
Os principais produtos exportados pelo Centro-Oeste são mostrados na Figura 1.2 sendo que, atualmente os mais importantes são os grãos de cereais.
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Figura 1.2. Evolução dos produtos escoados produzidos na região Centro-Oeste.
A Figura mostra o escoamento desta produção para os portos. O porto de Santos é o que recebe o maior volume da produção oriundo da hidrovia, ferrovia e rodovia. Desta forma a hidrovia é estratégica para o escoamento da produção.
Figura 1.3. Portos que escoam a produção da região Centro-Oeste.
O Rio Tietê por ser uma via navegável com sinuosidades e vários obstáculos, é toda sinalizada em sua extensão indicando o canal de navegação, as disposições na passagem em pontes e áreas para efetuar a transposição de eclusas. As obras civis construídas ao longo do tempo se tornaram pontos críticos para a navegação (Castro 2003). A cada ano se observa um aumento no fluxo de embarcações transportando cargas pelo rio Tietê e elas estão sujeitas a uma grande variedade de acidentes, como mostra a Figura 1.4 (Nunes 2000).
O crescimento expressivo da produção agrícola no Centro-Oeste tem motivado estudos sobre segurança no transporte assim como da capacidade portuária (Anderson et. Al.) e da
11 manutenção das embarcações (Korzeniewski 2010). Os acidentes que ocorrem nos portos são originados por colisões de embarcações devido às características do local. Já na hidrovia, os acidentes peculiares decorrem da transposição de obras civis tais como pontes, eclusas ou quando a embarcação se afasta do canal de navegação colidindo com o leito do rio. A maioria dos acidentes ocorre por colisão em pontes seguida de colisões em eclusas (Nunes 2000).
Figura 1.4. Distribuição dos acidentes de colisão (Nunes 2000).
Várias obras de proteção aos pilares foram executadas de forma que nos dias atuais a incidência maior dos acidentes passou a ser colisão em eclusas.
Eventos ambientais podem contribuir assim como a falta de cuidados nos aspectos do projeto, construção, operação e a manutenção das embarcações para este tipo de acidente.
Assim este trabalho busca procurar indícios significativos que tenham contribuído para as colisões nas eclusas.
Uma das etapas deste estudo é o levantamento dos acidentes ocorridos na hidrovia Tietê-Paraná usando como base de dados os relatórios da Capitania Tietê-Tietê-Paraná. Um dos elementos que podem contribuir para colisões é o fator potência de propulsão.
Embarcações que não tenham potência mínima de operação em função da tonelagem transportada são as mais suscetíveis às colisões. Desta forma por meio de questionários aos comandantes dos comboios, buscamos caracterizar o sistema de propulsão e saber as condições de operação em dias com tempo ruim.
Outro fator importante é conhecer as condições de governabilidade da embarcação nestas situações.
Por fim outro quesito analisado é relativo à mão-de-obra, procurando saber a formação da tripulação e o treinamento.
Estatística de acidentes na hidrovia
Iremos analisar as colisões envolvendo comboios que transportam cargas de longo curso com as eclusas. Nesta análise são excluídos acidentes com embarcações areeiras e de esporte e recreio.
12 Os dados foram coletados da base de dados da Capitania Fluvial do Tietê-Paraná nos últimos 10 anos. Desta forma não iremos classificar a gravidade do acidente uma vez que é atípico este tipo de colisão.
A Figura 1.5 mostra a quantificação dos acidentes por município. Os municípios com as maiores porcentagens de acidentes são: Pederneiras, Anhembi, Barra Bonita e Ilha Solteira.
Figura 1.5. Acidentes em quantidades discriminados pelo município.
Na Figura estão apresentadas as imagens de satélite destes quatro municípios. Aparentemente são regiões com boa área para a navegação e que talvez as condições de vento possam ter contribuído para a ocorrência do acidente.
(a) (b)
(c) (d)
Figura 1.6. Vista aérea dos municípios Pederneiras (a), Anhembi (b), Barra Bonita (c) e Ilha Solteira(d).
13 A Figura 1.7 ilustra a quantificação dos acidentes nos acessos às eclusas. As eclusas com as maiores porcentagens de acidentes são: Ibitinga, Promissão e Nova Avanhandava.
Figura 1.6. Acidentes nos acessos às eclusas.
A Figura 1.8 mostra as vistas aéreas destas eclusas. As imagens mostram áreas extensas no entorno à eclusa com boa área de acesso.
Figura 1.8. Vistas das eclusas de Ibitinga e de Promissão e de Nova Avanhandava.
A
Figura 1.71.9 apresenta um sumário de estatísticas acidentes nas eclusas sendo que as maiores incidências ocorrem em Ibitinga, Bariri e Barra Bonita.
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Figura 1.7. Estatística dos acidentes nas eclusas.
Nos últimos 10 anos ocorreram 14 acidentes na hidrovia (28%), 21 acidentes nos acessos às eclusas (43%), 10 acidentes nas eclusas(20%) e 4 colisões com pilares de pontes (8%). Portanto o propósito deste trabalho é identificar alguns elementos que estão contribuindo para a ocorrência de acidentes na ou nas proximidades das eclusas.
Percepção dos comandantes
Para entender uma pouco sobre a dinâmica de acidentes em comboios a pesquisa se deu em duas frentes. A primeira foi identificar junto aos comandantes dos comboios a visão que cada um tinha das condições da embarcação e da governabilidade na hidrovia de modo a identificar os problemas em função de suas experiências. Com este questionário podemos entender a percepção dos comandantes em função da sua prática.
Desta forma questionários e entrevistas foram aplicados em algumas empresas de navegação de longo curso na hidrovia (Louis Dreyfus-Comercial Quintella, ADM-Sartco e TNPM e PBV). Com a Capitania Fluvial do Tietê-Paraná foi feito um levantamento dos inquéritos sobre os acidentes.
Os resultados mostraram que todos os comboios utilizados da Hidrovia Tietê-Paraná possuem sistema de propulsão e governo formado por hélice de passo fixo e leme e que utilizam a formação 2x2 (um empurrador e quatro barcaças), conforme mostra a Figura 1.10.
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Figura 1.8. Esquemático de comboio 2x2.
Todos empurradores analisados possuem 2 motores de 400 Hp cada.
Quanto a governabilidade dos comboios todas as respostas consideram boa nas condições de tempo bom. Porém nas condições de tempo ruim as condições de governabilidade são regulares, como mostra a Figura 9.
Figura 9. Respostas da governabilidade em função das condições de tempo ruim.
Quanto à manutenção do sistema propulsivo dos empurradores, 40% informaram que só é feita quando há avaria e 60% em todas as viagens, antes de saírem de um porto.
Em condições com tempo ruim todos informaram que não efetuam uma transposição de ponte envolvendo o desmembramento do comboio quando há presença de chuva e vento.
Todos os comandantes consideram importante disporem das informações climáticas antes de efetuarem uma transposição de ponte.
Quanto aos aspectos físicos da hidrovia Tiete-Paraná, a percepção dos comandantes é que devido aos diversos obstáculos presentes na hidrovia e que combinados com as variações climáticas oferecem riscos consideráveis e que podem ocasionar acidentes sérios, como mostra a Figura 1.12.
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Figura 1.10. Percepção dos comandantes sobre os aspectos físicos da hidrovia.
Quanto a sinalização a percepção dos comandantes é boa, como mostra a Figura 1.13.
Figura 1.11. Percepção dos comandantes quanto à sinalização.
Comparação dos comboios
Pela diversidade e grande diferença entre os comboios existentes na Hidrovia Tietê-Paraná e outros comboios existentes nas diversas hidrovias do Brasil, em especial os da região Amazônica, foi utilizado como referência a relação (Potência do Comboio/Deslocamento – HP/tonelada), de modo que pudessem ser comparados os resultados dos testes de Parada Brusca e Curva de Giro (Velocidade angular). Destacamos que apesar do estudo em questão utilizar esta relação (HP/t) para análise dos comboios, este não pode ser o único parâmetro para decisão ou escolha do sistema de propulsão e governo a ser utilizado nos comboios.
A Tabela 1.1 apresenta as características principais de um Comboio Duplo-Tietê, a qual hoje é a formação mais utilizada na Hidrovia Tietê-Paraná e de um Comboio utilizado no Rio Madeira, no período de cheias.
Com base dos dados contidos na
Tabela 1.1 obtemos a mesma relação Potência do Comboio/Deslocamento – HP/tonelada para os comboios Duplo-Tietê como o Comboio utilizado no Rio Madeira que é 0,12 HP/t.
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Tabela 1.1. Características dos Comboios.
Comboio Tietê-Paraná Comboio Rio Madeira
Comprimento (m) 138,38 283,92
Boca (m) 21,34 53,35
Calado (m) 2,75 3,56
Número de Chatas (formação) 04 20
Porte Bruto (t) 5547,47 38200 Deslocamento Carregado (t) 6697 44633 Potência Propulsiva (hp) 800 (2 x 400 HP) 4890 (3 x 1630 HP) Sistema de Governo 2 Lemes principais e 4 Lemes de Flancos Azimutal Testes de campo
Foram realizados os seguintes testes: Parada brusca e Zig-zag para ângulos de 10º, 20º e 30º nos lemes. Os resultados de Parada brusca são apresentados na Figura 1.14 e comparados com os dados dos comboios do Rio Madeira.
Figura 1.14. Dados de parada brusca para os dois comboios.
Observamos que os comboios Duplo-Tietê apresentam um bom desempenho relativo aos do rio Madeira e a distância média de parada do comboio é 4,43 comprimentos de comboio.
A Figura 1.121.15 mostra os resultados de Zig-Zag para ambos os comboios. Observamos uma certa linearidade entre o ângulo do leme e a velocidade angular da embarcação para o comboio Duplo-Tietê que segue a relação 0,1 apresentando velocidades angulares maiores que os comboios usados no Rio Madeira.
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Figura 1.12. Dados de Zig-Zag para os dois comboios.
Portanto em uma manobra de aproximação de uma eclusa em condições de tempo ruim, manobras de parada brusca dificilmente irão evitar colisões.
Característica dos acidentes na hidrovia Tietê-Paraná
Os dados relativos aos acidentes ocorridos nos últimos 10 anos foram extraídos da Capitânia Fluvial do Tietê-Paraná envolvendo comboios que transportam cargas de longo curso dentro da Hidrovia, sendo excluídos os acidentes com embarcações areeiras e de esporte e recreio. A Figura 1.16 mostra que a maior incidência dos acidentes são as que envolvem colisão devido a imprudência dos comandantes e demais tripulantes envolvidos nas manobras, como mostra a Figura 1.14. Contudo como observado por (Nunes 2000) esta é uma situação normal uma vez que o fator erro humano é o item de maior expressão em todos os acidentes modais.
O local predominante dos acidentes é o acesso às eclusas ou nas próprias câmaras de eclusas e que os ventos fortes contribuíram para esta ocorrência. Nestas condições de navegação a governabilidade da embarcação é regular.
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Figura 1.13. Estatística dos acidentes com embarcações de transportam cargas de longo curso na hidrovia Tietê-Paraná.
Figura 1.14. Possíveis causas envolvidas que geram os acidentes.
De acordo com Figura 1.15, uma boa parte dos acidentes aconteceu com condições de vento forte.
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Figura 1.15. Condições climáticas durante acidente.
A Figura 1.19 ilustra o perfil dos condutores das embarcações quando da ocorrência dos acidentes. Na maioria dos acidentes, os condutores eram da categoria piloto fluvial.
Figura 1.16. Perfil dos condutores das embarcações.
Considerações finais
Este trabalho objetivou destacar uma fração dos estudos do projeto. Os dados consistem de uma coletânea de acidentes nos últimos 10 anos na Hidrovia Tietê-Paraná, envolvendo embarcações de longo curso que transportam carga que operam na Hidrovia Tietê-Paraná excluindo areeiros. Os dados foram obtidos de questionários aplicados aos comandantes destas embarcações e dos inquéritos da Capitania Fluvial Tietê-Paraná.
21 Em 2000 havia uma parcela considerável de acidentes em pilares de pontes mas que com obras de proteção de pilares, houve uma redução considerável deste tipo de acidente de forma que a incidência maior passou a ser colisão nas ou nas proximidades das eclusas.
De acordo com este trabalho uma parcela se deve a governabilidade da embarcação que em tempo ruim se mostra regular. Dos dados extraídos do questionário aplicado aos comandantes de embarcação, a manobra nestas condições de tempo se mostram críticas.
Pelos dados da Capitânia, a imperícia da tripulação nesta situação é o fator crucial.
As condições climáticas tiveram forte influência, sobretudo na presença de ventos fortes (28%), confirmando assim, a necessidade de um monitoramento ambiental, com emissão de boletins, de modo a auxiliar os Comandantes de comboios em suas decisões antes de iniciarem as manobras.
Quanto aos sistemas de propulsão e governo, mais estudos são necessários para analisar o comportamento destes comboios nestas manobras de aproximação de eclusas com condições de vento forte, seja por meio de simulações numéricas seja por ensaios em modelos reduzidos. Isso permitirá identificar os parâmetros críticos para os comboios, a possibilidade de se estabelecer manobras nestas condições para comboios que possuem sistema de propulsão formado por hélice e leme ou de se adotar outros sistemas de propulsão.
De acordo com os dados obtidos da entrevista com os Comandantes, todos entendem como necessário um aumento da quantidade de boias de atracação em Pontos de Espera (P.E.) nas pontes e barragens.
Outra consideração é a necessidade de oferta de cursos para a formação e qualificação da mão-de-obra embarcada.
Referências Bibliográficas
Fonseca, CMG Maurílio M. Fonseca – Arte Naval – Serviço de Documentação da Marinha – 2005. Rio de Janeiro.
Miguens, CMG Altineu Pires - Navegação: A Ciência e a Arte –– Diretoria de Hidrovia e Navegação – DHN – 1996. Rio de Janeiro.
Riva, Joaquim Carlos Teixeira Considerações Técnicas e Operacionais sobre a potência propulsiva e condições de Governo e Manobra de Comboios Fluviais –– 2000. São Paulo.
Padovezi, Carlos Daher. Potência Mínima para Garantia de Segurança de Operação de Comboios Fluviais –– IPT – Instituto de Pesquisas Tecnológicas do Estado de São Paulo - SOBENA - Sociedade Brasileira de Engenharia Naval.
Comboios Fluviais Adaptados à Via Navegável –– IPT – Instituto de Pesquisas Tecnológicas do Estado de São Paulo - SOBENA - Sociedade Brasileira de Engenharia Naval.
22 Avaliação do Desempenho de Comboios com Seis Chatas na Hidrovia Tietê-Paraná – IPT (Dezembro-2004). Apresentado na 32ª Reunião do Comitê Técnico da Hidrovia Tietê-Paraná. Conceito de Embarcações Adaptadas à Via Aplicado à Navegação Fluvial no Brasil –– Tese Apresentada à Escola Politécnica da Universidade de São Paulo, para obtenção do Título de Doutor em Engenharia. 2003. São Paulo.
Normas da Autoridade Marítima para Embarcações empregadas na Navegação Interior – NORMAM 02 – Diretoria de Portos e Costas, Marinha do Brasil.
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META 2 – Desenvolvimento de Modelo Físico e Hidrodinâmico para Aproximação em Eclusas.
Introdução
Para a formulação de um modelo hidrodinâmico foram realizados ensaios de força sobre embarcações em modelo reduzido. Foi construído inicialmente um tanque de prova para ensaios iniciais de caracterização. Posteriormente, com a necessidade de utilizar maiores velocidades, foi construído um túnel de vento sobreposto ao tanque e desenvolvida a instrumentação para medição dos esforços provocados sobre o modelo. Foi utilizado nos levantamentos um modelo reduzido de empurrador e barcaça modelo Tietê, escala 1:25, para medidas da ação do vento sobre a área velica da embarcação.
Para realizar os ensaios foi, primeiramente, confeccionado um modelo reduzido de um empurrador, que compõe a parte motora dos comboios. Este empurrador foi colocado em tanque de provas construído em laboratório e preso a uma estrutura composta por dinamômetros mecânicos, de modo a permitir a medição da ação do vento sobre a área vélica da embarcação. Pela disposição de dinamômetros estrategicamente localizados nas faces da embarcação foi possível obter as forças em duas direções do empurrador, transversal e longitudinal. Foram realizadas medidas de forças para vários ângulos de incidência do vento, com velocidade de vento constante de 3 m/s.
Modelos Reduzidos
Com a evolução dos trabalhos com a escala reduzida surgiu a necessidade de fazer um modelo computadorizado do empurrador e suas chatas. A partir do modelo real e de medições foram feitos esboços em papel e posteriormente transpostos no software. A Figura 2.1 apresenta o modelo 3D do empurrador e uma visão geral de seus componentes.
Figura 2.1 - Montagem completa do barco.
Para a construção das chatas, não era disponível um modelo físico em escala, elas foram feitas a partir de fotografias de embarcações e bom senso, no que se tratou de dimensionamento. Podemos ver um exemplo de formação com um empurrador e duas chatas na Figura 2.2.
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Figura 2.2 - Montagem do empurrador com duas chatas
Dinamômetros para medição da força do vento
Os dinamômetros são dispositivos simples. Eles utilizam da Lei de Hooke para medir uma força, relacionando-a com um deslocamento de uma mola, através de uma razão de proporcionalidade conhecida como constante da mola.
Optou-se por construir os dinamômetros ao invés de utilizar comerciais. De construção simples, é basicamente constituído por um tubo de PVC de 20 mm de diâmetro, com um rasgo para correr o guia que indica a posição da mola, que se localiza no centro em relação à referência. Como fixação temos uma base, também de PVC, com furos para alojar parafusos e poder manter o dispositivo fixo em um suporte, que fica no fundo de um tanque com água. Um fio de nylon inextensível liga o fim da mola ao modelo do barco. A Figura 2.3 apresenta o dinamômetro construído para o trabalho.
Figura 2.3 - Modelo 3D do dinamômetro utilizado
Nos testes iniciais da modelagem física foram utilizados 4 dinamômetros situados nas laterais, popa e proa. Um tanque de água e uma estrutura metálica para a fixação dos
25 dinamômetros compuseram o ambiente do experimento. A fonte de vento foi um ventilador residencial comum. Pode se ver uma imagem da montagem na Figura 2.4, e detalhe na Figura 2.5.
Figura 2.4 - Modelagem renderizada da montagem do experimento
Em uma lona no fundo do tanque foram desenhados raios em torno de um centro de gravidade estimado do barco espaçados de 15°. A partir dessas marcações, o ventilador foi movimentado, mantendo sempre a mesma distância do barco. Em cada posição foram anotados os componentes da força que os dinamômetros indicavam e seu respectivo ângulo de incidência. Esses dados serviram de comparação com o modelo matemático.
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Figura 2.5 - Detalhe na montagem do experimento
Túnel de Vento - Confecção
Para os ensaios em modelo reduzido foi construído no LH2 um túnel de vento, com dimensões 4m x 4m X 0,5m (largura x comprimento x altura) sobre um tanque de provas. Inicialmente foram utilizados quatro motores de 2 CV, controlados por inversores de frequência, com hélices de 50 cm para a geração de vento dentro do túnel. Posteriormente os motores foram substituídos por 5 motores de 15 CV cada um. Para melhor distribuição do vento sobre a área do túnel, em frente aos motores colocou-se uma tela de aço quadriculada (malha 5x5 mm). O modelo foi submetido a ventos desde 2 a 12 m/s, com ângulos de incidência variando entre 0 a 360°.
O túnel foi construído de forma que acomodasse uma embarcação reduzida em escala 1:25, com comprimento total de 3,5 metros. No centro do túnel, colocou-se uma estrutura com base giratória, permitindo assim que a embarcação gire 360°, simulando a variação dos ângulos de incidência do vento. Nessa estrutura, instalaram-se sensores strain gages para aquisição das forças geradas pelo vento na embarcação. Nas figuras 2.6 e 2.7 são mostrados o posicionamento dos sensores e a estrutura utilizada para fixação dos sensores, respectivamente.
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Figura 2.6 – Posicionamento dos sensores strain gages
Figura 2.7 – Estrutura giratória para fixação dos sensores
Na figura 2.8 é apresentado o túnel de vento sobre o tanque de provas, mostrando dois conjuntos motores de 2 CV + hélices, utilizadas nos primeiros testes do túnel de vento, à frente e dois sensores strain gages ao fundo:
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Figura 2.8 - Túnel de vento construído no Laboratório LH2
Após análise dos dados obtidos provenientes das medições feitas no túnel com um anemômetro sônico, concluiu-se que o vento não atingiu a velocidade e a uniformidade esperada. Assim decidiu-se fazer duas modificações no túnel, uma para aumento de velocidade, outra para melhor uniformidade do vento dentro do túnel.
Para aumentar a velocidade, trocou-se os 4 motores de 2 CV por 5 motores de 15 CV cada, utilizando as mesmas hélices de 50 cm de diâmetro utilizada nos testes anteriores. O túnel com os motores e seu painel de controle é apresentado na Figura 2.9:
(a) (b)
Figura 2.9 – (a) Túnel de vento finalizado e (b) painel de controle dos motores
Para a realização dos ensaios, o tanque foi preenchido com 33 cm de água. Assim, a distância entre a lâmina d’água e o teto do túnel ficou em 40 cm. A seção do túnel tem 1,6m² de área.
29 Na saída do túnel foi inserida uma rampa de dispersão visando minimizar a turbulência e contribuir para a recirculação do vento na área. A Figura 2.10 mostra a rampa de dispersão instalada na saída do túnel de vento.
Figura 2.10 – Rampa de dispersão no fim do túnel
A Figura 2.11 ilustra o modelo de embarcação em contato com os sensores durante um ensaio hidrodinâmico.
Figura 2.11 - Modelo de embarcação em contato com os sensores fixados nos suporte verticais. Fonte: Oliveira 2013, p. 53.
O resultado final das estruturas do túnel de vento pode ser observado nas Figuras 2.12, 2.13 e 2.14.
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Figura 2.12 - Imagem geral superior do túnel de vento. Fonte: Oliveira 2013, p. 69.
Figura 2.13 - Imagem da entrada do túnel de vento, tela de proteção dos ventiladores 15CV. Fonte: Oliveira 2013, p. 70.
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Figura 2.14 - Imagem da saída do túnel de vento com a rampa de dispersão. Fonte: Oliveira 2013, p. 70.
Software de aquisição de dados do ensaio
Com a finalização da construção do tanque túnel foi desenvolvido o hardware e software dedicados à realização dos ensaios hidrodinâmicos.
Como instrumentação, foram utilizados três sensores dispostos de forma a quantificar as forças provocadas pelo vento nos dois eixos da embarcação, lateral e longitudinal. A aquisição das forças foi realizada através de um hardware e software projetados para os ensaios. Ao término de cada ensaio o software determinava matematicamente, através das equações I e II, respectivamente, os valores de coeficiente de arrasto (CD) e número de Reynolds (Re).
( I ) e ( II )
sendo, V a velocidade do vento, ρ a densidade do meio, µ a viscosidade cinemática, o raio hidráulico da embarcação, é a área velica da embarcação, vista em relação ao vento e p é o perímetro da área . Na Figura 2.15 mostra-se um diagrama resumindo as funcionalidades do hardware e software.
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Figura 2.15 - Funções do hardware e software desenvolvido para tratamento dos sinais.
Fonte: Oliveira 2013, p. 83.
Resultado dos ensaios em modelo reduzido
Os coeficientes de arrasto obtidos nos ensaios em modelo reduzido são apresentados na Figura 2.16.
Figura 2.16 – Coeficientes de arrasto laterais em função do ângulo de incidência do vento, comboio Tietê-Paraná. Fonte: Oliveira, 2013
Formulação para correção do rumo de comboios fluviais sob efeito de vento.
A correção de rumo, calculada para corrigir o efeito de vento, tem por base o esquema apresentado na Figura 2.17. No esquema todas as velocidades são definidas pelo ângulo de azimute ( ), que é o ângulo que a proa (direção) faz com a direção norte, N.
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Figura 2.17 – Esquema de velocidades atuando sobre uma embarcação.
A direção que o barco deve seguir é definida pela linha que une o centro de gravidade do barco (xB; yB), posição medida por GPS a cada instante, e a posição de entrada na eclusa (xA; yA), definida previamente e com coordenadas fixas. Conhecidas as coordenadas, calcula-se o ângulo de azimute da direção entre o barco e o ponto de entrada, definida pelo ângulo θ.
A velocidade do barco VB é medida na direção popa/proa do comboio, e sua direção coincide com o azimute do barco, sendo definida pelo ângulo α.
O efeito do vento resulta em uma velocidade lateral do barco VL que é sempre perpendicular à linha de VB. O ângulo azimutal da velocidade VL é, portanto, dado por (α + 90). A soma das duas velocidades VB e VL é uma operação vetorial e fornece a velocidade real do comboio, V, que coincide com a velocidade determinada por GPS. A velocidade V, em função das componentes VB e VL, é calculada por:
e o ângulo em relação à linha popa/proa vale:
34 O barco move-se sobre a linha de aproximação se o ângulo azimutal de V, α + δ for igual ao ângulo azimutal da linha de aproximação θ. Se forem diferentes deve-se promover a correção da rota para manter o barco sobre a linha de aproximação. Essa correção pode ser feita de duas formas:
1- Alterando a velocidade VB do barco, mantendo o azimute α. 2- Alterando o “heading” α do barco, mantendo a velocidade VB.
Os dois tipos de correção promovem a correta movimentação do barco na direção da entrada da eclusa, mas apresentam diferentes comportamentos. A correção tipo 1 apresenta tempo de resposta mais elevado devido à inércia do barco, necessitando força motor para a variação da velocidade. Já o segundo tipo, mantêm a velocidade de aproximação e tem tempo de resposta mais curto, associado à operação de leme.
Método para correção de rumo.
O método empregado para correção de rumo implementado no sistema embarcado se baseia na alteração do heading (rumo), através do leme da embarcação. A escolha deste método se justifica pela facilidade e menor tempo de resposta da embarcação para realização da manobra.
Resumidamente, o método consiste em alterar o azimute da embarcação, mantendo a velocidade imposta pelos hélices, para que a resultante coincida com a linha de aproximação determinada através do GPS.
Considerando o esquema da Figura 2.17, o ângulo entre a velocidade da embarcação VB e a velocidade real V é definida por β, e calculado por:
Como o ângulo de azimute da embarcação deve coincidir com o da reta de aproximação tem-se:
Então o novo ângulo de azimute deverá ser:
ou
35 Texto extraído da dissertação de mestrado do Eng. Breno Moreira de Oliveira, na Faculdade de Engenharia de Ilha Solteira, cujo tema da dissertação é “Software de Rastreamento de Embarcações e Plataforma Eletrônica para Ensaios Hidrodinâmicos em Túnel de Vento”.
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META 3 – Instalação de Equipamentos, Sensores e Rede de Comunicação do Sistema de Aproximação.
Confecção de Placas da Instrumentação
Para a realização de testes, do sistema de aproximação, em laboratório foram utilizados sensores como acelerômetros, bússolas eletrônicas, entre outros. Esses sensores necessitam serem interligados e controlados pelas placas open-hardware Arduino. Dessa maneira, todo o comportamento da embarcação será monitorado para que a configuração dos parâmetros do modelo hidrodinâmico seja realizada de forma precisa, simulando o comportamento real de uma embarcação.
Para que os sensores e o Arduino ficassem interligados, sem a ocorrência de falhas como mau contato ou curto circuito, e embarcado foi necessário à confecção de placas de circuitos impresso (PCIs). Também foram confeccionadas PCIs para realizar a leitura dos sensores strain gages, utilizados nas medições de força do vento sobre embarcação, o controle dos motores da embarcação, entre outras.
Na criação dos layouts das placas, utilizaram-se dois softwares, o Eagle e o Proteus. Inicialmente, desenha-se o circuito esquemático desejado, como apresentado na Figura 3.1.
37 Em seguida, monta-se o layout da placa, onde os dispositivos são colocados no espaço desejado e as trilhas podem ser feitas manualmente ou automaticamente. O layout do shield da Figura 3.1 é apresentado na Figura 3.2.
Figura 3.2 - Layout de um shield para Arduino Mega
Após o layout estar pronto, é feita a gravação e corrosão da placa. Para a gravação foi utilizada uma tinta fotográfica industrial negativa. Primeiro, a placa é pintada com essa tinta, em seguida é secada utilizando um soprador. Depois de seca, a placa é exposta a radiação ultravioleta com o layout negativo desejado, ou seja, as partes que não serão corroídas são as partes transparentes do layout. Posteriormente a exposição, é feita a corrosão utilizando uma mistura de água com per-cloreto de ferro.
Sistema de Aproximação para Eclusagens.
O sistema eletrônico-computacional de apoio a eclusagem tem por objetivo fornecer informações significativas através de um supervisório instalado no interior da embarcação. Desta forma, o comandante do comboio poderá recorrer às informações dispostas em tela para a tomada de decisões durante uma operação de eclusagem.
Dentre os inúmeros dados visualizados através do software embarcado, o comandante contará com a informação de correção de proa. Essa correção é realizada em função da intensidade e direção de vento atuante na embarcação.
Assim, o intuito mais significativo do software, é informar, em tempo real, uma compensação no ângulo de proa (em relação ao Norte) de forma a compensar os efeitos do vento e garantir uma aproximação mais precisa na eclusa.
Considerando o modelo hidrodinâmico, alimentado com parâmetros da embarcação (encontrados através dos ensaios em túnel de vento), o sistema estima, embasado no estado do vento atual, qual o melhor rumo (heading) para o comandante efetuar o balizamento até a entrada da eclusa.
Sistema Eletrônico Computacional de Apoio a Eclusagem.
O Sistema Eletrônico Computacional de Apoio a Eclusagem (S.E.C.A.E) é composto por:
Hardware para integração de sensores eletrônicos;
38 O hardware foi projetado para realizar a leituras do sensor de vento, bússola eletrônica e GPS. Através de um circuito eletrônico, todas as leituras são concentradas em um microcontrolador que faz a comunicação com o software de correção de rumo (heading) onde o comandante da embarcação visualiza seu rumo atual e o corrigido.
O hardware é composto de dois módulos. O primeiro, denominado por Módulo Master, é responsável pela leitura do GPS e Sensor Sônico 2D através do protocolo RS-232. Ademais, se comunica com outro dispositivo, denominado de Módulo Bússola, responsável pela determinação do heading, posicionado no centro na embarcação (Chata). Uma vez lido os sensores, o Módulo Master envia as informações para o software do sistema (via interface USB), executado em um notebook.
O Módulo Bússola é responsável pelo envio das informações do heading da embarcação, através de uma conexão sem fio para o Módulo Master. O heading é determinado através de uma bússola eletrônica de alta precisão (fabricante Honeyell), presente no módulo.
O esquema da Figura 3.3 ilustra a conexão entre os módulos e software do S.E.C.A.E.
Figura 3.3 - Conexão entre os módulos Master e Bússola. Fonte: P&D Sisnavega.
Os módulos que constituem o hardware se comunicam através de rádios XBee Pro, operando na frequência de 2.4 GHz, com potência de 50 mW.
O Módulo Bússola do S.E.C.A.E foi projetado para determinação do ângulo entre a proa da embarcação e o norte magnético, ou heading. Esse ângulo é determinado através de uma bússola eletrônica Honeywell modelo HMR3400. A Figura 3.4 ilustra a bússola eletrônica HMR3400 que compõe o Módulo Bússola do S.E.C.A.E.
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Figura 3.4 – Bússola eletrônica HMR3400. Fonte: Internet1
A bússola eletrônica HMR3400 foi projetada para uso em aplicações de navegação aérea ou terrestre, que exijam alta precisão. O magnetômetro utilizado para determinação do campo magnético da terra trabalha em conjunto com um acelerômetro MEMS, de forma a fornecer um ângulo de norte com compensação de tilt (inclinação).
O Módulo Bússola foi desenvolvido para realizar a leitura da HMR3400, através de um microcontrolador ATMEGA328-PU. Com a informação do heading fornecida pelo HMR3400, o microcontrolador se comunica com o Módulo Master do S.E.C.A.E, através de um rádio XBee Pro, protocolo ZigBee. Assim, a informação do heading da embarcação chega até o módulo máster do sistema.
Módulo Master
Conforme explicitado anteriormente, a correção do heading da embarcação realizada pelo S.E.C.A.E é feita através do modelo hidrodinâmico que utiliza como parâmetros as informações da bússola eletrônica, da velocidade e direção do vento e as coordenadas geográficas do GPS embarcado.
Considerando que as variáveis monitoradas pelo sistema são providas por equipamentos e sensores com diferentes protocolos de comunicação, houve a necessidade da criação de um “concentrador” para realização da interface com software de correção de rumo. Esse concentrador, nomeado de Módulo Master é composto de um circuito eletrônico microprocessado responsável pela leitura dos sensores embarcados e pré-processamento das informações.
Os valores das variáveis de velocidade e direção do vento, coordenadas geográficas e norte magnético são agrupadas em uma única string e enviadas ao computador através de uma interface USB. Através das strings geradas pelo Módulo Master, o software do S.E.C.A.E realizada todo o processamento e determinação do melhor ângulo de aproximação para a embarcação.
O esquema da Figura 3.5 ilustra os diferentes protocolos de comunicação dos sensores utilizados no S.E.C.A.E.
1 Disponível em: <https:// http://www.digikey.com/product-detail/en/HMR3400/342-1057-ND/1692481>
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Figura 3.5 - Esquema de conexão dos sensores no S.E.C.A.E. Fonte: P&D Sisnavega.
O circuito eletrônico do Módulo Master utiliza para o processamento das informações um microcontrolador ARM M04, através da placa de desenvolvimento mbed. O esquemático do circuito pode ser visualizado na Figura 3.6.
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Figura 3.6 - Circuito principal do Módulo Master. Fonte: P&D Sisnavega.
Os circuitos de alimentação e de comunicação sem fio do Módulo Master são semelhantes aos utilizados no Módulo Bússola.
O esquema da Figura 3.6 foi implementado em uma protoboard para a programação dos microcontroladores e testes do hardware. O layout pode ser visualizado na Figura 3.7.
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Figura 3.7 - Layout da placa do circuito principal do Módulo Master. Fonte: P&D Sisnavega.
A placa confeccionada pode ser vista na Figura 3.8.
Figura 3.8 - Placa principal do Módulo Master. Fonte: P&D Sisnavega.
Software de auxílio à navegação e correção de rumo
O software do S.E.C.A.E foi desenvolvido para auxiliar e fornecer informações relevantes a navegação. Dentre suas funcionalidades estão a visualização das informações do vento, posição geográfica e heading da embarcação.
O software realiza a correção em tempo de real do rumo (heading) nas operações de eclusagens através da compensação das forças provocadas pelo vento. Para isso, em seus algoritmos foram inseridas as equações descritas anteriormente.
A leitura constante do heading e da velocidade do vento, enviados através do Módulo Master, permite que o software estime a força provocada na área velica da embarcação. O
43 cálculo é feito através do modelo hidrodinâmico que relaciona a força provocada na embarcação com a velocidade do vento.
O principal parâmetro hidrodinâmico utilizado no modelo é o coeficiente de arrasto, encontrado nos ensaios em túnel de vento para cada ângulo de incidência. Inseridos no software, os coeficientes de arrasto permitem estimar a força provocada pelo vento em função do ângulo de incidência. A presença do anemômetro posicionado com sua referência apontando para a proa da embarcação, garante que o ângulo indicado pelo sensor é o próprio ângulo de incidência do vento.
Dessa forma, conhecendo a intensidade e direção do vento, o software busca em sua memória o valor correspondente do coeficiente de arrasto, e assim, determina a força provocada pelo vento no eixo lateral da embarcação.
Com o valor da força lateral, é estimada a velocidade imposta na embarcação em função da intensidade e direção do vento. Na figura 3.9 encontra-se o layout do software.
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META 4 – Estudos e Testes de Validação do Modelo de Aproximação para Transposição de Barragens.
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.
