PT104139A - Sistema integrado de avaliação da estabilidade de navios em tempo real - Google Patents

Abstract

A PRESENTE INVENÇÃO REFERE-SE A UM SISTEMA INTEGRADO DE AVALIAÇÃO DA ESTABILIDADE DE NAVIOS EM TEMPO REAL PARA APLICAÇÃO A QUALQUER TIPO DE NAVIO COM MONOCASCO CONVENCIONAL, ATRAVÉS DA INTEGRAÇÃO DE INFORMAÇÃO EXISTENTE NA DOCUMENTAÇÃO SOBRE A ESTABILIDADE INTACTA E ESTÁTICA INICIAL DO NAVIO, NOMEADAMENTE A INFORMAÇÃO CONSTANTE NAS CURVAS HIDROSTÁTICAS E NAS CURVAS DE ESTABILIDADE INICIAIS, PARA DIVERSAS CONDIÇÕES DE CARGA, E INFORMAÇÃO SOBRE A COMPARTIMENTAÇÃO DO NAVIO, COM A INFORMAÇÃO RECEBIDA DO ODÔMETRO E DO ANEMÓMETRO DO NAVIO E DE SENSORES ADEQUADOS PARA A MEDIÇÃO DE OSCILAÇÕES E DE DISTÂNCIAS (COM A MESMA BASE DE TEMPO), DE MODO A OBTER-SE A CONDIÇÃO DE ESTABILIDADE EM FUNÇÃO DA SUA CONDIÇÃO DE CARGA (SÓLIDA E LÍQUIDA), E DOS EFEITOS EXTERIORES DO VENTO E DA ONDULAÇÃO MARÍTIMA, E POSTERIOR COMPARAÇÃO COM OS CRITÉRIOS DE ESTABILIDADE EM VIGOR PARA CADA TIPO DE NAVIO; BEM COMO PREVER A CONDIÇÃO DE ESTABILIDADE GERAL E A RESERVA DA ESTABILIDADE NO PORTO E A NAVEGAR (CONSOANTE AS CONDIÇÕES CLIMATÉRICAS), TORNANDO-SE ASSIM NUMA FERRAMENTA DE APOIO Á DECISÃO DE MODO A SALVAGUARDAR A INTEGRIDADE FÍSICA DE BENS E DE PESSOAS. ESTE SISTEMA PERMITE, AINDA, EM CASO DE AVARIA POR DESLOCAMENTO DE CARGA A BORDO, E/OU ALAGAMENTOS E/OU ROMBOS NO CASCO, QUANTIFICAR O(S) EFEITO(S) NA ESTABILIDADE DO NAVIO, E SUGERIR MEDIDAS CORRECTIVAS COM VISTA AO MENOR RISCO PARA A SEGURANÇA A NAVEGAR, ATRAVÉS DA OPERAÇÃO E UTILIZAÇÃO DOS TANQUES DE LASTRO E INFORMAÇÃO DAS VELOCIDADES E RUMOS MENOS NEFASTOS PARA O NAVIO.

Description

DESCRICAO

SISTEMA INTEGRADO DE A VALIACÃO DA ESTABILIDADE DE

NAVIOS EM TEMPO REAL 1. domínio técnico e objectivo da invenção A presente invenção é, essencialmente, do dominio da arquitectura naval, conjugada com as ciências das vibrações mecânicas, instrumentação e tratamento de sinais. A invenção visa particularmente a obtenção de um processo por intermédio de um sistema integrado, com sensores adequados, que avalia as condições de estabilidade transversal e longitudinal de navios, em tempo real, através da obtenção das principais grandezas físicas para o efeito, bem como compara com os critérios de estabilidade estabelecidos para cada tipo de navio. 0 sistema integrado de avaliação da estabilidade de navios, permite conhecer a estabilidade dos navios, em tempo real, durante os processos de embarque e desembarque de pesos sólidos e líquidos, bem como em caso de avaria (rombos no casco, alagamentos a bordo e deslocação inadvertida de carga devido às condições climatéricas). Este sistema permite, ainda, sugerir medidas de correcção possíveis para melhorar a estabilidade dos navios, como por exemplo a lastragem e/ou a deslastragem de determinados tanques. Este sistema permite, também, a simulação e previsão da ocorrência do fenómeno da ressonância nos movimentos de oscilação transversal e longitudinal e o cálculo da estabilidade residual dos navios com diversas condições climatéricas, contribuindo, assim para a prevenção de acidentes no mar, tornando-se desta forma, numa ferramenta de apoio à decisão. Durante o processo de embarque/desembarque de pesos sólidos e/ou líquidos, o 2-23 sistema fornece o valor expedito e aproximado do alquebramento (devido à flexão) do navio.

2. PRÉ-PLANO TECNOLÓGICO DA INVENÇÃO

Quando os navios são construídos, é normalmente, fornecida aos armadores, uma lista de documentos relacionados com a estabilidade inicial dos mesmos, como por exemplo as curvas de estabilidade para algumas condições de carga, os desenhos do arranjo geral (compartimentação), as curvas hidrostáticas e as de carenas inclinadas e um livro de estabilidade geral. Com esta documentação os armadores ficam com uma ideia geral da estabilidade inicial dos seus navios.

No entanto, aquela documentação refere-se à estabilidade estática, sendo que a componente dinâmica, na grande maioria das vezes não é abordada para os navios mercantes (para os navios de guerra, na fase de pré-projecto, e com a utilização de modelos de casco, a uma escala reduzida, são efectuadas provas hidrodinâmicas num tanque preparado para o efeito - estas provas fornecem uma previsão geral do comportamento do navio no mar em função da escala de níveis de estado de mar de Beaufort/Douglas) . Durante a sua vida útil um navio altera ligeiramente as características iniciais de estabilidade, e, assim, os programas informáticos normalmente utilizados para a determinação da estabilidade estática podem contribuir para a existência de erros, que, por vezes, levam a que se tomem decisões catastróficas (como mostram as ultimas estatísticas de acidentes no mar).

Os navios de carga possuem tabelas pré-estabelecidas para determinados esquemas de estiva a bordo, mas caso seja usado um esquema diferente, as referidas tabelas não servem 3-23 e, em caso de dúvidas sobre a estabilidade, os Comandantes dos navios, normalmente contactam os serviços técnicos em terra, que terão de fazer imensos cálculos, com a consequente perda de tempo, além de que os cálculos são incompletos no que concerne à medição e integração, em tempo real, dos parâmetros relevantes para definir o comportamento instantâneo e dinâmico do navio no mar, com as condições climatéricas vigentes. No que concerne à estabilidade em avaria (por rombos e alagamentos) , nota-se que o défice de informação ainda é maior, porque os navios, em geral, possuem quadros com a indicação de áreas de compartimentos, em que um determinado alagamento é nefasto para a estabilidade do navio, mas que não quantificam o grau de avaria, nem entram em linha de conta com a variação dos efeitos exteriores, tais como o vento e a ondulação.

Actualmente não existe uma solução satisfatória para a correcção e determinação, em tempo real, das curvas de estabilidade (adornamento vs braço endireitante) consoante a situação da estiva de sólidos e líquidos a bordo e das condições climatéricas que se fazem sentir, das condições em que pode ocorrer o fenómeno da ressonância nos movimentos de oscilação, da reserva de estabilidade disponível e a comparação com os critérios de estabilidade adequados para cada tipo de navio (veleiros, mercantes de carga sólida ou liquida, de passageiros, ou navios de guerra), de modo a facultar aos Comandantes dos navios todos os dados necessários para a preservação da segurança dos navios no porto e no mar, da sua carga e das pessoas a bordo. Também não existe uma "ferramenta" que possa facultar a previsão satisfatória (por simulação) da estabilidade de navios no mar, em função de diversas condições de carga conjugadas com vários cenários 4-23 climatéricos e, assim, estimar o grau de risco de modo a salvaguardar a segurança do navio a navegar. A estabilidade dos navios convém, também, ser tratada de forma dinâmica, e preferencialmente, em tempo real.

3. DESCRIÇÃO GERAL DA INVENÇÃO A presente invenção tem, portanto, por objectivo, suprimir um ou vários dos inconvenientes da arte referida, definindo um processo integrado, e em tempo real, para a avaliação e previsão da estabilidade transversal e longitudinal, intacta e em avaria, estática e dinâmica, de navios com monocasco convencional, de acordo com o esquema de estiva utilizado, e com diferentes condições climatéricas.

Um objectivo suplementar da invenção é o de permitir a obtenção automática da altura metacêntrica transversal dos navios (a altura metacêntrica é uma das principais características para a avaliação da estabilidade - a determinação da altura metacêntrica GM (1) de um navio revela-se de grande importância como medida da estabilidade estática, pois é um factor que mede a resposta do navio quando sujeito a cargas dinâmicas).

Um outro objectivo suplementar da invenção é o de permitir a obtenção dos valores de calado ao longo do navio com maior precisão, relativamente aos processos tradicionais, através da utilização de sensores de distância adequados (4) .

Um outro objectivo suplementar da invenção é o de permitir a obtenção expedita do valor aproximado do alquebramento do navio, devido ao efeito da flexão mecânica no casco, durante as manobras de embarque e desembarque de pesos do navio, através da medição do calado (e imersão) em vários locais do costado (4), e do cálculo do volume imerso do 5-23 casco (por integração matemática), de modo a prevenir situações de estiva que possam contribuir para a deformação e/ou o "colapso" da estrutura do navio, quando sujeito a momentos flectores exteriores apreciáveis, tais como os produzidos por ventos fortes e pela agitação marítima com amplitudes de onda apreciáveis. A determinação do factor de amortecimento do navio é uma das etapas mais importantes para a caracterização do movimento de balanço em ondas. No entanto, não existe nenhuma teoria "sólida" para a previsão do amortecimento para um dado navio, o que leva ao recurso a métodos empíricos como é o caso da aplicação do decremento logarítmico, calculado a partir de testes de extinção de balanço, e a testes no mar com diversas condições climatéricas para a construção de algoritmos representativos do comportamento de cada navio, e com recurso a sensores adequados, tais como sensores de calado (4), sensor de medição da amplitude e frequência de encontro da ondulação marítima (5) , inclinómetro de dois eixos (6) , anemómetro (7) e inclinómetro do navio (8) . O método de obtenção das Alturas Metacêntricas GMT (1) e GML através da leitura dos períodos naturais de balanço, a determinação dos coeficientes de amortecimento para várias situações de carga, e a obtenção dos algoritmos do comportamento do navio devido ao efeito da ondulação e do vento (a resposta da estrutura do navio irá depender da natureza e da intensidade das forças de excitação exteriores e das características da sua estrutura: inércia, amortecimento e rigidez), para os movimentos de balanço transversal e longitudinal, contribuem significativamente para a caracterização dos modos de comportamento do navio no mar. Assim, para além dos elementos constantes nas curvas de estabilidade iniciais (Fig. 1, desenho c) para 6-23 diferentes condições de carga do navio, nas curvas hidrostáticas e de carenas inclinadas, e do arranjo geral da compartimentação, é também necessário a recolha e tratamento da informação recolhida pelo odómetro (8), pelo anemómetro (7), por sensores de distância (4), pelo sensor de medição da amplitude e frequência de encontro da ondulação marítima (5) e pelo inclinómetro de dois eixos (6), na mesma base de tempo, e que são necessários para o módulo de cálculo e correcção da estabilidade do sistema (Fig. 9).

Este sistema foi validado experimentalmente, primeiro através de um grande número de testes efectuados num modelo de um navio â escala de 1/100 num tanque próprio e preparado para o efeito, e depois através de testes realizados no navio real correspondente. Actualmente, estão a ser efectuados diversos testes no mar, de modo a ser construído um módulo de estabilidade intacta e em avaria, baseado neste sistema, para as fragatas da classe "Vasco da Gama" da Marinha de Guerra Portuguesa.

De acordo com a Fig.8, o sistema é constituído por um bloco de informação de entrada, por um módulo de cálculo e correcção, e por um bloco de informação de saída. O bloco de informação de entrada do sistema compreende: • Uma base de dados fixos, constituída pela informação da lista de documentação do navio (sobre estabilidade intacta), e pela informação, recolhida e tratada, dos testes no mar, que resulta em algoritmos para o cálculo da altura metacêntrica e do comportamento dinâmico do navio (em função das condições climatéricas); • Uma base de dados variáveis, constituída pela informação referente a: 7-23

Esquema de estiva utilizado (pesos embarcados/desembarcados, centros de gravidade e respectivas localizações dos pesos no navio);

Localização e extensão das avarias (identificação do compartimento alagado e altura de água, no caso de alagamento (s) , com ou sem espelhos líquidos, e/ou dimensões do rombo (s) ) ;

Inputs dos sensores de distância (4) , do sensor de medição da amplitude e frequência da ondulação marítima (5) , do inclinómetro de dois eixos (6) instalados, e do anemómetro (7) (medição da velocidade e da direcção relativa do vento) e do odómetro (8) (medição da velocidade do navio), na mesma base de tempo. 0 módulo de cálculo e de correcção do sistema contém: • Um grupo de fórmulas matemáticas, de arquitectura naval, para o cálculo e correcção da estabilidade estática intacta e em avaria, dos calados, do volume imerso e do valor aproximado do alquebramento do navio; • Um grupo de fórmulas matemáticas, que modelam numericamente o comportamento do navio no mar, consoante as condições climatéricas (informação tratada através dos testes no mar); • Um grupo integrador dos dois grupos anteriores, que agrega as informações da estabilidade estática e da estabilidade dinâmica (intacta e em avaria), compara com os dados recolhidos pelos sensores em tempo real, corrige as saídas de informação, simula o 8-23 comportamento do navio no mar antes do inicio das navegações, compara as curvas referentes à estabilidade final com os critérios de estabilidade, e faz os cálculos necessários para as sugestões de melhoria da estabilidade intacta e em avaria. O bloco de informação de saída é constituído por: • Um gráfico com as curvas de estabilidade final (com os efeitos dinâmicos exteriores), e para a estabilidade intacta e em avaria, e um conjunto de dados referentes à condição de carga do navio, entre os quais os calados, a imersão média, o deslocamento, a altura metacêntrica final, caimento final, entre outros. Nesta secção pode-se visualizar a previsão da estabilidade final do navio no porto, e no mar, em função do esquema de estiva utilizado, e das condições climatéricas prováveis, durante a próxima navegação; • Uma tabela com a verificação dos critérios de estabilidade; • Um gráfico circular que representa o diagrama de operação do navio para determinado estado do mar; • Um conjunto de sugestões com vista à melhoria e/ou correcção da estabilidade intacta e em avaria.

4. DESCRIÇÃO DETALHADA DAS FIGURAS A leitura da descrição da invenção, com as suas características e vantagens, tornar-se-á mais clara se for feita referência aos desenhos em anexo, dados a título de exemplo e não limitativo, nos quais: • A Fig.l representa esquematicamente, e através dos seus desenhos em particular, os seis graus de liberdade do sistema-navio, em que as curvas 9-23 representam os três movimentos oscilatórios, a) ; a estabilidade como função do centro de gravidade G do navio e do ponto de aplicação da impulsão B do fluído em que o navio flutua, b); um exemplo de uma curva de estabilidade transversal inicial de um navio c) , e a área de flutuação e o braço endireitante GZ como função da ondulação, d); • A Fig. 2 ilustra uma oscilação transversal completa de um navio, a) ; e o efeito do deslocamento de pesos para distâncias maiores ao eixo de balanço transversal que resulta num aumento do momento de inércia da massa do navio I e do período de balanço transversal T, b); • A Fig. 3 ilustra um navio com movimento amortecido livre (extinção de balanço) , e a analogia com um sistema massa-mola-amortecedor; • A Fig. 4 representa a sequência de acções para o teste de extinção de balanço no navio (movimento amortecido livre) , a) ; e um gráfico real do movimento amortecido de um navio obtido através dos testes realizados em águas tranquilas, e com aplicação das transformadas rápidas de Fourier para a determinação dos períodos e das frequências características do balanço transversal, para determinada condição de carga, b); • A Fig. 5 ilustra um navio com movimento amortecido forçado e a analogia com o sistema massa-mola-amortecedor sob a acção de uma força exterior perturbadora, a) ; e a representação do encontro entre o sistema de ondas e o navio, b); • A Fig. 6 representa o gráfico do factor de amplificação de oscilação A, em função da razão de frequências r (curvas de ressonância para o 10-23 movimento amortecido forçado), a) ; e um exemplo obtido através dos testes realizados no mar, do movimento amortecido forçado com ondas regulares pelos sectores de popa de um navio (oscilação lenta), b); • A Fig. 7 representa um exemplo obtido através dos testes realizados no mar para o movimento amortecido forçado com ondas irregulares (amplitude média de lm) pelos sectores de vante do navio (oscilação rápida); • A Fig.8 ilustra o mapa-geral de funcionamento deste sistema integrado, a título ilustrativo e sem carácter limitativo; • A Fig. 9, ilustra o conjunto geral do grupo de sensores a utilizar, para a medição dos calados (4) , oscilações transversais e longitudinais (6) , amplitude e frequência de encontro da ondulação marítima (5) , e que devem ser conjugados com a informação recolhida através do odómetro (8) e do anemómetro do navio (7) , na mesma base de tempo, a título ilustrativo e sem carácter limitativo; • A Fig. 10, ilustra um exemplo das curvas de estabilidade inicial e final (com e sem espelhos líquidos), a curva do braço inclinante resultante do somatório dos efeitos exteriores (vento e ondulação) e a curva limite máxima para o braço inclinante dos efeitos exteriores; • A Fig. 11, ilustra um exemplo de um diagrama de operação de um navio. 11-23

5. DESCRIÇÃO DOS MODOS DE REALIZAÇÃO PREFERIDOS DA

INVENÇÃO O mais importante movimento do navio, em termos da sua segurança, é, efectivamente, o balanço transversal, uma vez que em comparação com o cabeceio, ou mesmo a arfagem, este envolve momentos de restituição, ou endireitantes, muito menores e muito mais sensíveis a pequenas mudanças na condição de estabilidade inicial (Fig. 1, desenho a)).

Pela Fig. 1, no desenho b), pode-se constatar que a altura metacêntrica GM (1) (factor importante para a construção das curvas de estabilidade - Fig. 1, desenho b) ) , e, consequentemente, os braços endireitantes GZ do navio (2), não possuem valores estáticos quando o navio se encontra a navegar com agitação marítima, como se pode observar no desenho d) porque o raio metacêntrico BM (3) depende do momento de inércia da área de flutuação e do volume imerso. Após a recolha da informação referente aos elementos constantes nas curvas de estabilidade iniciais para diferentes condições de carga do navio (Fig. 1, desenho c)), nas curvas hidrostáticas e de carenas inclinadas, e do arranjo geral da compartimentação (que farão parte de uma base de dados fixos do sistema), e através da utilização dos sensores atrás enunciados, efectuam-se os testes no mar pela seguinte ordem, e com os seguintes objectivos: a) Provas de extinção de balanço em águas tranquilas (Fig. 4, desenho b) ) , para a obtenção da altura metacêntrica GM (1), factor de amortecimento ξ, frequência angular natural fn e período natural de balanço Tn, para várias condições de carga. Seguidamente descreve-se, resumidamente, o método utilizado, para o movimento de balanço transversal, sem carácter limitativo, e que se baseia na ciência das vibrações mecânicas: 12-23 - O período de balanço (T) , em segundos, é o tempo que o navio demora a completar uma oscilação transversal completa (Fig. 2, desenho a)).

Em termos ideais considera-se o balanço como uma oscilação livre não amortecida (sem atrito viscoso) , pelo que a amplitude da oscilação mantém-se constante. Na realidade o movimento de balanço é uma oscilação amortecida (Fig. 3) , pelo que a amplitude da oscilação é decrescente até se anular e o navio parar na posição de direito, em águas tranquilas. 0 período de oscilação (T) é calculado, aproximadamente, pela seguinte fórmula:

T (secs) = 2π / I

/ WxgxGM em que I é o momento de inércia da massa do navio relativamente ao eixo longitudinal de oscilação (e que passa pelo centro de gravidade G) , W é o deslocamento do navio em toneladas, g é a aceleração gravítica terrestre à superfície (9.81 m/s2) e GM é a altura metacêntrica efectiva do navio (1) . 0 valor de I é calculado pela fórmula: em que w é o peso individual de cada componente (ton) e r (m) é a distância de cada componente ao eixo longitudinal de balanço, que se assume que passa por G. A fórmula anterior pode ser escrita como I=Wk2 em que W é o deslocamento do navio e K é o raio de giração. O raio de giração pode ser interpretado como a distância ao centro de gravidade (ou ao eixo longitudinal de balanço) em que o peso total do navio estaria concentrado de modo a obter-se o mesmo momento de inércia. 13-23

Ou seja, o raio de giração e o momento de inércia da massa de um navio alteram quando se altera a distribuição dos pesos a bordo (Fig. 2, desenho b)). A fórmula do período de balanço transversal pode então ser escrita da seguinte forma:

T (secs) = 2rck /gxGM A fórmula anterior mostra claramente que para um valor constante de I (ou K) o período de balanço T é inversamente proporcional à raiz quadrada de GM (GM positivo), isto é: à medida que a altura metacêntrica GM (1) aumenta o período de balanço T diminui e vice-versa. A fórmula também mostra que o período de balanço é directamente proporcional ao raio de giração K. Qualquer alteração na distribuição de pesos que provoque alteração de GM ou K (e de I) provoca uma alteração no período de balanço T. Como regra geral, o movimento vertical de pesos provoca maior efeito no período de balanço, do que a movimentação igual na horizontal, para pesos do mesmo valor. A fórmula empírica seguinte permite calcular a altura metacêntrica através do período de balanço, sabendo-se a boca máxima ("beam") do navio (esta fórmula é apropriada para navios de comprimento superior a 40 metros):

T (secs) f x Beam VGM em que "f" corresponde ao coeficiente de balanço ou factor de estabilidade, e pode tomar valores entre 0.60 e 0.88 consoante o tipo de navio (com monocasco convencional). 14-23

Para cada tipo de navio, este coeficiente, depende também da condição de carga na altura da experiência. O período de balanço do navio é independente da amplitude da oscilação enquanto o movimento for estável e contínuo.

Obviamente que quanto maior for a amplitude de balanço, mais rápido será o movimento de oscilação do navio (o período de balanço mantém-se constante, para as mesmas condições de carga).

Antes de se retirar a curva de amortecimento de balanço, através da utilização do inclinómetro de precisão, de dois eixos, em águas tranquilas, colocou-se todo o leme a um bordo de modo a provocar um adornamento inicial ao navio, e, posteriormente colocou-se o leme a meio (Fig. 4, desenho a)). 0 rumo final do navio foi escolhido de modo a se obter a menor influência possível do vento. O inicio da medição da oscilação em função do tempo, só teve lugar alguns instantes depois do leme se encontrar a meio, e o rumo do navio estabilizar, de maneira a diminuir a taxa de erro por influência de vórtices produzidos pelo movimento de guinada do navio, assim como minimizar a influência do leme quando desviado da sua posição neutra. A velocidade do teste (10 nós) foi a menor possível de modo a poder-se obter um adornamento inicial capaz de produzir uma curva de amortecimento livre bem definida (Fig. 4, desenho b)). É natural que a velocidade do navio influencie as características do movimento, apesar de, com esta velocidade, o número de Freud não ser apreciável.

Neste tipo de testes pode-se obter a equação e as características do movimento amortecido livre (pelo método do decremento logarítmico): 15-23 <5 = ln-^-Φμ δ = — 1η— = 2πξ " Φ„

Wa = ^ê.wn (1)(t) = <l>o-e-tWnt.sen{Wj + e)

Em que: φ(ί): adomament o ; VJn: freq. Angular natural;

Wa: freq. Angular amortecida; Θ: ângulo de fase ; ξ: factor de amortecimento .

Foram efectuados vários testes de extinção de balanço em águas tranquilas, e um dos resultados médios obtidos, para uma determinada condição de carga do navio, e com o auxílio do programa Matlab™ e das FFT (Fast Fourier Transformers), foi o ilustrado na Fig. 4, desenho b).

Para vários deslocamentos, obteve-se o seguinte quadro:

Wnavio (tons) GMnavio (m) T (s) f (factor de estabilidade) 1257 0,95 7,15 0,674 1290 0,84 8,04 0,713 1350,85 1,015 7,14 0,699 1387,24 1,046 7,06 0,698 1400 0,89 7,82 0,714

Altura metacêntrica GM (1), período T e factor de estabilidade f em função do deslocamento do navio. 16-23

Pela fórmula:

T (secs) = f x Beam VGM

Retirou-se um factor de estabilidade médio de: fmédio= 0,7; para um nível de confiança de 95% e um erro máximo no cálculo da altura metacêntrica GM (1) de 6,5%.

Assim, e como exemplo, a equação que define o balanço transversal daquele navio (livre e amortecido), na condição de carregado é a seguinte: <K t)n„h = 7,46 .e~°’,04j .sen (0,88 X - 0,35) b) Provas em mar regular e irregular, para a obtenção das frequências de balanço, períodos de balanço, algoritmos de comportamento em função da carga e das condições climatéricas, cálculo das relações de frequência e determinação das condições de ressonância, para diferentes estados de mar. Seguidamente, faz-se um resumo do método utilizado, para o movimento de balanço transversal, e sem carácter limitativo: - Os testes deste tipo foram efectuados a seguir aos testes de extinção de balanço, e para o efeito foram escolhidos dias em que a ondulação era regular e com características semelhantes às características médias padrão de ondulação do Atlântico Norte, ou seja, com um período de ondulação de cerca de 8 segundos, e com amplitude de onda entre cerca de lm a 2,5 m. Neste tipo de testes pode-se obter a equação e características do movimento amortecido forçado: Φ$ο(.ί) = ΦαΗ(ί) + Φρ(.ί) = Φ^~ξ,ν',^η{ΐνα^ + θ) + υ^β^^-φ) 17-23 A resposta do sistema-navio depende do "modo particular" solicitado pela força exterior F (t)- neste caso, a agitação marítima (Fig. 5, desenho a)). A cada tipo de F (t) excitadora corresponde uma solução particular da equação diferencial. O momento de excitação depende de uma frequência de encontro entre o navio e o sistema de ondas. Esta frequência de encontro We- depende da velocidade do navio V, da frequência das ondas Ww, e do ângulo de encontro entre a linha de proa do navio e a direcção de avanço das ondas μ (Fig. 5, desenho b)):

O desfasamento entre We e a resposta do navio é dado por:

1 — r φ - arctg em que a razão entre a frequência de encontro das ondas e a frequência natural de oscilação do navio r é dada por: r = We / Wn

Obtiveram-se diversas curvas do comportamento do navio no mar, para diferentes condições de carga, rumos e velocidades, e para diversos períodos e amplitudes de onda, entre as quais a representada na Fig. 6, desenho b).

Quando o navio possui rumos com ondas regulares pelas amuras (zonas da proa), as frequências de adornamento longitudinal e transversal são maiores, os períodos menores e as razões entre frequências "r" são maiores do que um (oscilações rápidas). 18-23

Por exemplo, para um deslocamento de 1350 ton e GM=l,015m (1), e uma amplitude de onda de 0,8m e período da ondulação de 8s, a ressonância, neste navio, ocorre quando o ângulo entre o navio e o sistema de ondas é de cerca de 110° ou de 250° (velocidade do navio =10 nós) , ou seja, o navio oscilará com amplitudes cerca de 3,8 vezes maiores do que oscilaria em condições normais sem ressonância (Fig. 6, desenho a) ) .

Observe-se que a amplitude de uma vibração forçada pode manter-se pequena, quer através da escolha de um elevado coeficiente de amortecimento viscoso (o que é difícil), quer mantendo afastadas, uma da outra, a frequência natural do navio e a frequência exterior forçada, devido à ondulação, através da alteração de rumo e/ou de velocidade do navio.

Em caso de mar irregular, a informação foi tratada de uma forma semelhante à utilizada para mar regular, em que as frequências de oscilação utilizadas nos cálculos foram as frequências dominantes, calculadas através de FFT, após recolhas significativas de medições, como se pode visualizar na Fig. 7.

Os métodos de cálculo resumidos, e exemplificados anteriormente, para o movimento de balanço transversal, são semelhantes aos utilizados para o balanço longitudinal. Convém referir, que os testes no mar, não prejudicam a actividade operacional dos navios.

Depois dos algoritmos bem definidos, experimentados, e prontos a usar, para cada navio, ou conjunto de navios 19-23 semelhantes, passa-se à utilização permanente do sistema, pela seguinte ordem: • Calcula-se a condição de estabilidade estática e intacta final provisória após o embarque/desembarque de carga pelo método dos pesos adicionados/removidos, da arquitectura naval, e compara-se com a informação recolhida e tratada dos sensores de medição de calado e de imersão (4) (que proporcionam, também, a informação para o cálculo expedito do alquebramento, pelo processo da linearidade entre os pontos de medição), assim como com os critérios de estabilidade; • Elabora-se a previsão da estabilidade dinâmica e do comportamento do navio para as condições climatéricas previsíveis para a próxima navegação; • No início e durante cada navegação, o sistema elabora as pequenas correcções necessárias ao cálculo das alturas metacêntricas, e, se necessário, refaz as curvas de estabilidade; • À medida que a navegação prossegue, o sistema através dos seus sensores integrados, elabora automaticamente e em tempo real, as curvas dos braços endireitantes (2) e dos momentos inclinantes do vento e da ondulação (comparando sempre com os critérios de estabilidade vigentes); • Em caso de avaria por alagamento (s) , e através do método de embarque de pesos (com ou sem espelhos líquidos), e após a recolha/introdução dos dados necessários, o sistema fornece a nova condição de estabilidade do navio, compara com os critérios de estabilidade, bem como sugere medidas correctivas e/ou minimizadoras, através da lastragem/deslastragem dos tanques de lastro do navio; 20-23 • Em caso de rombo no casco, e após a recolha/introdução dos dados necessários, o sistema fornece a nova condição de estabilidade do navio, através do método da perda de impulsão, compara com os critérios de estabilidade, bem como sugere medidas correctivas e/ou minimizadoras, através da lastragem/deslastragem dos tanques de lastro do navio.

Uma das valências deste sistema, e não menos importante, consiste em detectar e calcular as condições de ocorrência de ressonância nos movimentos de oscilação transversal e longitudinal do navio, no mar, bem como sugere rumos e a gama de velocidades mais adequados de modo ao navio se desviar de uma situação de ressonância pura. O fenómeno da ressonância caracteriza-se por oscilações amplificadas, e que podem provocar grandes e perigosos balanços transversais e longitudinais, e assim colocar em risco o navio e as pessoas, bem como pode provocar efeitos mecânicos severos na estrutura do navio. 6. EXEMPLO:

Seguidamente, descreve-se um exemplo da avaliação da estabilidade transversal final de um navio (e a informação final obtida pelo sistema, após um alagamento a bordo, com espelhos líquidos e num espaço de máquinas) , o gráfico circular das oscilações transversais, em função da direcção relativa da ondulação e da velocidade do navio, bem como um conjunto de sugestões para a melhoria da estabilidade. Através da utilização de um esquema de "semáforos", o utilizador pode constatar quais os critérios de estabilidade que estão, ou não, dentro dos valores normais, para aquela condição do navio. comiqko INICIAL? NAVIO X CARREGADO (KGi^S,44r)

ócilado AV 4 ,· 3 p calado AR 4...8 as Isserstc oéciia inicial -4-,50 sr Ca ioento iaiciai 0.2 0 P Dealocacacto .2-2 3 1 f 80 cor Altorá: o . orav . iciciai (Ali ; 0.. 44 P A1 iara Metsc, ia1olai fGAi} ...........................À. À! ÍÇ................... Ιλν..ί . Í.'33ci. S Alt . AIag, lai, Àq« :DadoB 0 Alt > Vai > agua e esbarrada 282, .98 P3 Casinoacaro o f i na 1. 252 .1 í 92 ton Al t araçâo c.orav, cav'io ia/eap ,. Xiq, J 0,3588 P AItararão c-arav. navio(q/a Ap.1iq.| Λ \y:ç'7j.v Os Alt ara: ao t ae - ti nai IMiM^BIi »N·* .................. Ai tara. ct> 3 r av. final. (KG!) 5,84 P Imaraao radia fina! 4:í 0802 p: Caicanto fina! ; 0 , 80 p Velo ai dada do vence: 8 0 noa (Kn Anpirt udn ondaiãçae Aiquabranento eetati0o .................................' p................... aprox.iscado 0 s 020 P

Pari £ reaçao doa cri ti ri o a de rstahiiidade;

i™ Area be-is e ; 2~ Área :0-40^ í 3- Área 10-ν<ρ·.: i · G2 máximo: e · xii t i; asa í 7 - PP, d.xnam( Cit 1 >4121 f da Pio, 10. a a inda l corresponde à ctxva de estabilidade inieial* a. linda 2 à turva de estabilidade final cera o a iagame nt o: a em : O: . e t e i to de a eape lho s 1 f: g d ide s f:.... a. linha .1. a. carva de essabc 11 dada final coe e alagamento e cor o efeito dos espelhos i 1 latidos, a linha i à exora do braço 1 no 1 nant e resul ta a ta dos a f e 1 te a ext. e e iores ( vent o e ondudacace , e a linha § cer responde à curva 11 rei te do aosaibrao dos: braços inoliasntes exterioresde acordo com os.....o ri sé ri os de''' e st e b i 1' .1. dade'(....................................................................................................................

Pira om xxivsl do eatado do maa igual a ? (escala de Beaafort)o com uoa aàtara de onda significar iva. de S metros e um período de onduàaçao de 0 sagxaeios., o diagrama de operacao do navi o corresponde ao representado na Pi g, li, eo gxxe as 1 .xnhas c x r c u 1 s r s s representam a gama de velosidadea possíveis do naveta, o aa 1 lotas radiais xenreasn tam: as direcçdes r a I a C i vaa da. ondvX aça o ao ta v io..

Ho diagro ma de operação, na Fig, 11j representa ·· ss por: " Coaa>ort.a.oeoto: norneà do navio, e dentre dos exiPátios; · Ba lanço superior a e :í s inf erior a IS*;

Balanço superior a lib (ressonânoiai

Bpresenaannse cooo segescose para a melooria da estabilidade., o; para. este exeeplo: naatrar tanque centrai de lacero a tanto;

Ma r pelos se o t ores de popa e do ρ rea; - Man ter oelooidad.es táèdias n i o.oo a,

2 de Setembro de SPSS

Claims (2)

1, Bístmm ii.i.agtsds> da ave liafio da: ,est.áMl.idade: de maviás em: ·|;gg|Q meai,, para aplicação a qualquer tipo- de (navio. Cem monoeasçq convencional , car&cterra «cio. pbr,· ;-s pela imfceqraçõo da infoxrxaçâo existente na doeiHíientaçâonobre a estabilidade incacta e estática inicial lio navio,· nômeadasiente a informação constante nas curvas hidrostáticas,, aas Gaitas de carepas, inclinadas, na o çárvas de. nstmfeiixdahê iniciais' (para algumas condições dd carqa) , nos desenhos da arranjo geral. da ©oa^artlmentaGâQ (que faseai parte de, uma base de dados f ixos d© sistema), do esquema de estiva iniciai :e da quantidade e distribuição dá líquidos a bordo, com a informação recebida de sensores adequados para a medição de distâncias é superfície da água (41,, de mectição de amplitude e frequência da ontímlaçld aamltiíSá (S) :(é;strategíçánié.nt.ê ççlócaáos nb nad;xo() > >do inciindmetro de dois eixos (£:í, do anemómetro. :(7,) e cio odbgrsfro ds natib.: (8), com a mesma base de tempo ,a de testes pieiixáiriares efectuados no porto ó no mar (os teste® rí.o mar,, não prejudicam a aetiví dada operaci anal dos navioqj peta seguinte ordem e, bem os seguintes objeotivos yá íq- r-rn A: r* τ r + i. ilt.i. u. ,i. i· > t (Medição , dó pbrfco, .â&é ealadoa:, uhraiés obe sensores de medição de distâncias £4().,. psia a dsterramação da imersão média, volume imerso, deslocamento do navio e dd alquebramento, em tempo realí » Provas Intoiaim d© extinção de balanço, a navegar e sat águas tranquilas;, peta a. dbtemçfn da .aliara: metacér taca :SM (transversal (1); a iomgititií.nai) ;,· ractdf de, am:0:itte:Cá:íTient:.b: ξ, xâctot de estabilidade nédio £mf frequência angular naarral íSç, periodo natural áe balanço (para párias condiçpes de cargo; r atmâ-vêd da utili sacnio do indl-ldásíetra de dois eiaos (6/, para s eo.rrecção é determinação, ém tempo real, das curvas de estabilidade estáticas e iutactas iniciais •fa.-aornâaent.o vs braço cndiroi tanfcej çonsoanue a sitdâçãó da estiva de sólidos· e liquidas a hst>xâç:í * Díodos era mar reguiâr e irregular, para .a obtenção das fresydnçia.s de. balanço a .períodos: de balanço fundamentais ou pt edomi na pela util 1 cação de todos· os sènsores' ánteriódmónte referidos, e ;&m ccajugaçãç: com o parágrafo anterior,- obter~s« os aigorifmss de .comportamento do navio. era funçâ© da ©arqa. P das condições cl Lmatéricas, e dsterminâr as pondíçóes de .rdsSadância ípara dilerent-ès aát-ddoâ mar) r * dboenção de bíuprsas curvas e grpiiçdS õperadidddi-s do comportamento -do asm:;©: 00 mar., paru as di is rentes condições de darga,,· rtámóè o rei acidados, e pa ra os diversos estados’ dd mar; Depois dos algoritmos bem definidos, ebpsrirftentadoSí-· e prontos ã nsat:, para cada nâoÍG:, ou oongunto bé- pátios semeinertes, passa-se à utilizáçaó permanente do sistema, pela seguinte ordem? » Calcula-- se a condição dé estabilidade estática e imtacts, final provisória durante e após. o emb arque / de samba r q 0 e de carga, no perto, pelo Método doo ’ραρρό pdicionad.gsdrémóvi.doar: da, arqu ir eccuru íiavai, a com a informação recolhida :® trâf.àda dos .sensores de medição, de caiado e dev imersão «· > (que proporcionam, também, à informação para o calculo expedito do alquebrameritp)) } 3-6 * No .imiciQ das navegações, através d:a pojva. de estinoão: dd. balanço em águas tranquiiaf, obuêm-se o valor da altura iBetamêdbrxoa CM it.io.iaI,· dó: factor de :amortecimento §d da frequência 'angular natural è do per iodo ris rural de balanço 1», e faz-se a devida çíorrç.çedo.,·. crn tempo regi, da curva de estdr^ilídade eatáMoa· e Intacta Inicial .consoante·: .9 «tr. unção cia sátivav de sbiidds a llQxriiá&á a bordo;, é èl-abora-ss a .previsão da estabilidade finai e do comportenente do navio par.» as condições climatér icas previsíveis para a prózima navegação í comparando .sempre com os critérios de estabί1ídade escêtios e dinâmica da IMD - international Mas ^ l. xmp ·0χ.φ£Λ.ί^4&1&»); r. através da :utilizaçàO; doo algoritmos preulsmenfeç beterçunabps nas provas |rêiimiaareí, iid porto e b© iMx; * A medida, qb® a navegação: prp&seguõ d sistema,· através dos seus sensores integrados, calcula conetantemente, a área média oe flutuação ãa. cio basco ímersQ do ^avib, o rale môtâcânbriçç BM, a altura metacéritrica. è elàbdfa àutómatlGaidédte ¥ ém tempo real, as curvas dos fexaççs^ 'endireifcantbs (Γ21) e dos moméátos i:bcXÍ:nabt:e:S· co vento. e da ondulaçao íd.omp arando •sempre·: com os critérios de estabilidade vigénfc.es}, bem comó sugere medidas corractivas de 1 astrágem/desiastrageTa de tanques o/ou alterações de rumo ® do velocidade:, tornando-se, assim;;,- mma ierrameiife,. dg spqiq â dgtlbãP com vista ap msdof risco para a segurança :a navegar .

2» Sistema - n te grado de avaliação da estabilidade de navios a® tempo real, conforme reivindicação 1, o a ra cte r i.zadc por ser constituído por ura bioco dê inrormação as entrada, por um: radddio de cálculo1 é- de correcção, e por 4-6 mtt bloco do informação de salda, e por p.emítlr calcular a, .coxvdiçiãd, de estaMlidaâs': Intacta :fih.a'l:* estática, a di nãmica, de navios coo; rnonocâsco convencionai, em: tempo real, no porto f.: a navegar, durante e após O èmfoa rque/desemba r que de carca. sói ida e./ça liquida, ;:ς* posterior comparação coxa a •Informação recolhida e tratada do? sensores d® medição de calado e de .imersão montados no casso, de xeediçsc de amplitude.: s fpçquênoia da .ondulação marítima, cio iocõiocmdtxd· :d® 'dais elaos, do-auemomslrd &. do odcmetrc ;dd navio,· © verificar sé·· :;os critério® de estabilidade IMO em vigor, paira cada tipo de navio, são: cttoprídoa, B.Sâstexnâ integrado de avaliação da a-sfcádí 1 idade de η&γίοβ em tempo real, conforme reivindicações anteripré®.,: sapâctstitatto por pomar t ir calcular s prever à· estabilidade dinâmlcà a o compor lamento do; fíavi-σ. para às 'CdM±ç.i;ès; dliiRaté ricas esperadas âs navegações,, através da análise dinâmica em. tempo .real e pela uti li ração" Sé ciênciã:· San ciferações mecânicas, dás transformadas .rápidas de fourier e da respectiva análise :m.atevJ.t:iea:,- e posterior comparação ç.ois os resultados obtidos dilranéé as experiências anteriordente eíect nadas: np. iftai:, é verificar se os critérios de estabilidade IMO em vigor, para cada tipo, d© navio, são compridos, é,Sistema integrado de avaliação da estabilidade da aatíos em terapo real, conforme reivrnoucações' 1 e -1% çaraesarizado por permitir, em caso de avaria por alagamento is),sem rombo(si n© masco, o através do método de embarque de pesos iáòm cd sént espelhos 1 iguldop:·}, fornecer ã nova cox-diçãe de eçfcabxi.íde#ã; do navio·, comparar com os critérios de estabilidade cm vigor, para cadá tipo de navio, a sagártr ned.idas correctivás é/enj atrâtés dá Íastimgem/des.ia:tó dos tanque^·: da .1 as r. ro do aaai©;.,. S, Sistema: integrado cie avaliação da estabilidade de Mviód em deatpd real, conforma fsimip:dioa;Cõe.è 1 é Zt oaraGteráçadg per permitira em çasô dè rombo (si d® oasiGCj, & afeafès' do método da·; perda de impaleao, fornecer a ;rioVã condição de estabilidade do navio, epmparar com ss critério^ de estabilidade IM0 em vigor, para cada tipo :.de na ai o, © sugerir: mçdidag çorrecci vas eiom tiibitón adoras^ abraris dâ i,ast.raiem/deslãpmr;a:ggm doo tanques de Xaifro, do navio, S, Sistema integrado de; avaliação da estabilidade de navios em. tempo: rdal,. conforme reivindicações 1 y& 2, çaraçÇõrxtadc pai permitir prdporoionát .<& infoimsçiãb sobre os cal sdos., a irnersáo, <> a informação sobre o aiovu-abramatito; :ap®o::«imado do mavia durante as raanc-braç de embarque © d© desembarque dé pedes só? tdcs doou ixquidos, por. intermédio do mètcdo do volume imerso^ a da utilização doa métodos matemáticos da regressão linear p polinomial 6 de forcarias relacionadas com a; •r^sââ-t.êíi-ssiSÈ mecânica dos materiais, 7âiãtema irTtegradç de avaiiaçio da estabàX:idade da navios em tempo. toai* eenfdrmé teiài:adi.èaçaes; 1. ;e 2,. qarãcterizadp pof permitis detectnr e calcular ,as çonéiçSep de -açorréneia; .de .ressoniçoia mos .pevimeritos .de balanço dc Sgtièj através da. eompãtaçâe dos valores instantâneos iaon.itoritadõt cém «n condições :dé ressonância áetectsdas e calculadas durante asà e xp e. r .1. ên c i a s a n f e r i o r me n t e e f e c t ua d a s :nç ma r.·,. pe 1. o método dás vib rações livreo s fOrçã-daS: de sistemas .gecâniçoa,,· com. vérica; >§raus de libaibg.da, :É..S;istefaá integrado da avaliação da astabllidodc do navios em tempe ::eal ,< conforme reieir;dicaçõce ante£:iorèsf ca:raçteriza4o: po r elaborar automaticamente a em: tempo .reat, as serras Ao :bmçe eadiroitanb© ::iafc rates: bo cálculo ir.stantânso da âlfcarâ ;.r; e t. a c ê η t; t i c a; s dos moruentos inclirantes do varlto ©; da or.dulaçãc (através da: integração* em tempo real, da informação recebida de todos os sensores, e: da utiliração de fórxrsulâ·# matemáticas adequadas) e comparar co.m os critérios do estabilidade J:M>Q em vigoro para cada tipo de swio t Lisboa, 28: de Joibo de .200-8