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6. ESTABILIDADE AVARIADA

Neste capítulo apresentar-se-á os efeitos de avarias na estabilidade e flutuabilidade de embarcações, bem como os procedimentos de cálculo pertinentes. Mais uma vez, a exposição do tema em pauta se fará com enfoque dirigido aos navios convencionais, já que envolvem as maiores dificuldades. Sempre que necessário, tópicos especialmente dirigidos às plataformas flutuantes serão abordados.

6.1 INTRODUÇÃO

Todos os barcos e navios estão sujeitos ao risco de inundação ou emborcamento, seja por conseqüência de um abalroamento, uma falha estrutural ou uma má distribuição da carga a bordo.

As primeiras proteções do casco contra acidentes, com a construção de anteparas estanques, são datadas do final do século XIII, e só recentemente as sociedades classificadoras passaram a impor regras que balizem a definição destas anteparas no projeto.

Acidentes são comuns o suficiente para que sejam previstos em etapas de projeto e evitados da maneira mais conveniente, na medida do possível.

Para isso definem-se, com exatidão, planos e procedimentos de carga e descarga; plano de manutenção de tanques de fluídos, evitando-se superfície livre demasiada grande; coeficientes de segurança nos escantilhões estruturais; anteparas transversais estanques, que garantam confinamento da região de alagamento.

Este capítulo refere-se ao estudo do efeito da inundação no navio e da definição das anteparas estanques necessárias para garantir algum índice de segurança, cujo valor deve variar de acordo com a conveniência de uma embarcação à outra. Não discute, no entanto, valores para os índices, apresentando apenas de maneira geral quais os aspectos que devem ser considerados na sua determinação.

A inundação do casco de um navio tem dois efeitos indesejáveis. O primeiro associado a perda de flutuabilidade e trim excessivo, e o segundo associado a perda de estabilidade transversal e conseqüente emborcamento.

Poder-se-ia postular, com alguma pertinência real, que quanto maior o número de subdivisões estanques de uma determinada embarcação maior será sua segurança. No entanto os navios prestam-se a uma atividade econômica, e aspectos econômicos devem ser ponderados. Uma embarcação com um número muito elevado de anteparas estanques, naturalmente, custaria muito caro (construtiva e operacionalmente) e, inevitavelmente, levaria menos carga. Em se tratando de embarcações militares, onde o aspecto custo assume sempre importância secundária, uma embarcação com muitas anteparas estanques não seria capaz de atender ao perfil da grande maioria das missões.

Assim, inevitavelmente, a subdivisão de um navio envolve um compromisso entre segurança e custo (direto e indireto).

Para navios de carga essa questão pode ser resolvida cientificamente com relativa facilidade. O procedimento padrão é a minimização do custo esperado, que é a soma do custo extra advindo da subdivisão (custo de projeto e construção e custo resultante de limitações da capacidade de carga) e do custo de falha (que pode ser obtido pelo produto do custo da embarcação pela probabilidade de falha durante sua vida operacional). A probabilidade de falha leva em conta fatores tais como: rota e estação do ano; tipo de carga transportada; condição de estabilidade em cada trecho da viagem; número de tripulantes; etc.

Para navios de passageiros, no entanto, o problema se complica. A questão é que é difícil computar o custo de uma vida humana. Entretanto, esforços tem sido despendidos para computar os riscos associados a cada meio de transporte, de maneira a se estabelecer um nível diferente de comparação, com base num índice de risco "aceitável". Os valores dos prêmios dos seguros de vida fornecem também uma parâmetro de comparação que não pode ser desprezado.

6.2 HISTÓRICO

No final do século XIX as sociedades classificadoras estabeleceram algumas regras empíricas para determinação do número de anteparas transversais estanques em navios mercantes. Inicialmente, as anteparas de vante e de ré, e posteriormente, anteparas que separassem o compartimento de máquinas.

No começo do século XX essas determinações começaram a se tornar mais embasadas na efetiva capacidade de um determinado navio resistir a um alagamento. Esse interesse estava sendo motivado por alguns desastres sérios que vinham acontecendo, culminando com o naufrágio do Titanic em 1912, onde 1430 pessoas pereceram. Em 1913 foi organizada a Conferência Internacional de Segurança da Vida no Mar (SOLAS), que reuniu estudos de organizações inglesas, francesas e germânicas. No entanto, a I Guerra Mundial tornou o cenário confuso e suas determinações nunca foram postas em prática. Em 1929 foi organizada uma nova Conferência na qual, finalmente, se concordou num sistema de subdivisão baseado na utilização do então definido critério de subdivisão.

O critério de subdivisão é um fator que pondera a importância da carga e a quantidade de passageiros a bordo e estabelece um parâmetro para definição do número de anteparas estanques para cada navio. É dado como um número que determina quantos compartimentos contíguos podem ser inundados sem haver perda do navio.

Em 1936 foi organizada uma comissão para estudar as regras oriundas dos Estados Unidos, que até então adotava suas próprias regras. Essa comissão estabeleceu que as embarcações deveriam conseguir flutuar com estabilidade sob alagamento de qualquer compartimento, o que equivale a possuírem um fator de subdivisão igual a 1.

Posteriormente a International Conferences of Life at Sea (SOLAS), reunida em 1948 e 1960, propôs pequenas alterações como a adoção do fator de subdivisão 2 para navios de passageiros.

Na Conferência da SOLAS em 1960 um novo conceito foi introduzido, qual seja o de que a segurança de um navio pode ser mensurada pela extensão da avaria a que este é capaz de resistir. O novo conceito substituía a análise determinística da resistência do navio a uma inundação também determinística, pelo conceito de extensão vezes probabilidade de ocorrência da avaria.

O acidente ocorrido com o Adrea Doria após uma colisão na entrada do porto de Nova Yorque, o qual havia sido construído com base nas regras de 1948, mostrou a inadequabilidade do critério até então utilizado para aplicações práticas, levando às alterações de 1960.

Os anos 60 foram então marcados pela sistematização de estudos continuados sobre a questão, principalmente desenvolvidos nas reuniões regulares de um comitê técnico da IMCO - Inter Governmental Maritime Consultative - e ainda pela difusão da utilização de computadores no cálculo do comprimento alagável das embarcações. Cálculos que antes demoravam semanas e até meses poderiam então ser efetuados em questão de minutos, o que permitiu uma maior precisão e confiabilidade de seus resultados.

A partir de então, os critérios de subdivisão começaram a derivar tornando-se particulares a cada tipo de navio, caracterizado pela carga que carrega, notando-se hoje em dia uma forte influência das determinações da MARPOL - Conference on Marine Pollution.

É notável o poder atual das determinações impostas pelas sociedades internacionais, quando comparado com seu poder poucos anos atrás. A consciência de que a preservação da vida humana e da vida do planeta Terra é aspecto fundamental em qualquer atividade de engenharia e é uma coisa recente e de um poder muito grande. Atualmente navios com mais de 12 passageiros são considerados navios de passageiros e portanto devem atender a regulamentação específica e muito rigorosa. Petroleiros devem possuir duplo casco de maneira a evitar catástrofes semelhantes aquela ocorrida com o acidente do Valdez, no Alasca. Navios de produtos químicos tem regulamentação particular que garantem alto índice de proteção ambiental. Ainda, recentemente, essas imposições começam a aparecer na própria maneira de projetar e construir navios, buscando-se maneiras de se causar menor impacto ambiental considerando-se, em etapa de projeto, o procedimento de descarte ao final da vida útil, e o custo associado.

É muito importante nos dias atuais que o engenheiro projetista esteja em contato com as novas restrições que vão surgindo a cada dia, de maneira que seu produto possa ser aceito na comunidade econômica e válido por um maior período de tempo.

6.3. EFEITOS FUNDAMENTAIS DAS AVARIAS

O estudo de estabilidade avariada é bastante complexo pois envolve muitas variáveis. A separação dos efeitos das avarias permite um estudo mais claro e, portanto, uma melhor compreensão.

6.3.1 Extensão da Avaria

Refere-se agora, de maneira geral, à avaria como a abertura de um buraco no casco, que permite a inundação dos compartimentos atingidos completamente ou até que uma nova posição de equilíbrio seja encontrada.

O comprimento e profundidade da avaria e sua posição relativa às anteparas estanques têm grande influência sobre seus efeitos. Em termos gerais, pode-se considerar que quanto maior o número de compartimentos estanques mais seguro será o navio, no entanto isso nem sempre é verdade. Por exemplo seja a ocorrência de uma avaria de comprimento de 23 metros.

Figura 6.1 - Compartimentos avariados por uma abertura no casco de mesmo comprimento, em embarcações de diferentes distâncias entre anteparas transversais estanques.

Considere, num primeiro caso, uma embarcação que possui anteparas estanques separadas por uma distância de 12 metros. Essa avaria pode atingir dois ou três compartimentos contíguos, causando a inundação de respectivamente 24 ou 36 metros do comprimento da embarcação. Seja agora um segundo caso de anteparas mais próximas com, digamos 11 metros. A avaria poderá inundar um comprimento de 33 metros, no mínimo, e 44 metros no máximo.

Percebe-se que, relativa a essa avaria, pode ser mais interessante a primeira opção de anteparas estanques com distância maior, diferentemente do que foi dado como regra geral.

Naturalmente que o estudo para determinação dos comprimentos dos compartimentos deve levar em conta a probabilidade de ocorrência de cada tamanho e posição da avaria.

A prática tem demonstrado que as avarias quando muito extensas não são profundas e vice-versa, o que permite que uma subdivisão conduzida com critério reduza fortemente o risco de perda da embarcação.

A internacional SOLAS efetuou uma análise estatística dos dados disponíveis de colisões e avarias em linhas gerais concluiu o seguinte: Avarias existem na mais ampla gama de variações. Seus comprimentos vão desde 1 metro até 30 metros. Grande parte das colisões de baixa energia não chegam a afetar o casco abaixo da linha d'água. As colisões mais profundas são resultado de colisões a 90 graus e tem extensão entre 6 e 15 metros.

Em função do estudo das avarias já ocorridas, as sociedades classificadoras estabelecem avarias padrão para as quais um determinado tipo de navio deve resistir. Essas avarias padrão determinam o tamanho e a profundidade da avaria.

Avarias padrão, logicamente, são avarias hipotéticas que tem utilidade nas etapas de projeto.

Essa nota não tem como objetivo a apresentação extensiva das normas existentes, de cada um dos órgãos competentes. A título de exemplo é apresentada a seguir a extensão da avaria para estruturas semi-submersíveis, segundo a MODU CODE, 1980 ABS:

Área

Extensão

Periférica

Colunas e suas porções expostas

Colunas (vertical)

Abertura de 3m ocorrendo em qualquer região entre 5m acima e 3m abaixo dos calados principais

Colunas (horizontal)

1/8 do perímetro

Penetração (coluna e pontoon)

1,5m

Pontoon (vertical)

Da quilha ao teto

Pontoon (horizontal)

3m

6.3.2 Efeitos da Inundação

Os efeitos de uma avaria são a seguir reunidos, fornecendo uma diretriz da maneira a se atacar o problema.

a) Mudança do calado como resultado da perda de flutuabilidade. O novo equilíbrio será encontrado quando o deslocamento da parte intacta for igual ao deslocamento anterior a avaria menos o peso de algum líquido ou carga que eventualmente tenha vazado.

b) Mudança do trim, até que o novo centro de carena se encontre no mesmo plano transversal-vertical que passe pelo centro de gravidade da embarcação.

c) Ocorrência de banda. O navio tomará uma banda no caso da avaria causar alagamento desigual bordo a bordo, de tal maneira que seu novo centro de carena se encontre no mesmo plano vertical longitudinal do centro de gravidade. (A banda pode ainda ser causada por GM inicial menor que zero.)

d) Mudança na estabilidade. A inundação causa mudança da posição vertical do centro de flutuação bem como no momento de inércia da área de flutuação, mudando dessa maneira respectivamente KB e BM. Normalmente KB aumenta dado o aumento do calado, no entanto BM diminui de maneira em geral preponderante. Para navios com pequena relação B/H o aumento de KB pode preponderar a diminuição de BM, ou ainda o BM pode aumentar como resultado do alagamento se a embarcação possui linhas que se alargam acima da superfície livre causando, dessa maneira, um aumento do momento de inércia do plano de flutuação.

São casos isolados aqueles nos quais a avaria se dá numa região interior dos conveses e não existe alagamento na região do plano de flutuação. Nesses casos o GM, naturalmente, sempre aumenta.

e) Mudança da Borda Livre. Uma avaria sempre é acompanhada de uma redução da borda livre da embarcação. Dessa maneira fica reduzida a região de braços de endireitamento positivos, pois com uma banda menor a imersão de um dos bordos, o que reduz drasticamente o momento de inércia da superfície de linha d'água, além de causar inundação das aberturas dos conveses superiores. Quanto maior a borda livre antes da avaria menos drástica será a sua diminuição com a avaria.

A figura a seguir mostra a variação dos braços de endireitamento para diferentes valores de borda livre residual.

Figura 6.2 - Variação dos braços de endireitamento com a borda livre medida a meio navio.

Atualmente as sociedades classificadoras impõe um valor mínimo de 3 polegadas para borda livre, e de 2 polegadas para o valor mínimo de GM residual. As restrições parecem muito suaves, no entanto, em pequenos calados, navios que possuem GM suficiente para assegurar um valor de GM residual maior que as 2 polegadas têm uma borda livre residual elevada. Por outro lado, em grandes calados, quando a borda livre residual é pequena o GM residual é elevado, impedindo assim grandes inclinações.

f) Perda do Navio. Quando as mudanças do calado do trim e da banda necessárias para o restabelecimento da condição de equilíbrio são tais que provocam a inundação das partes não estanques do casco, passa a existir um alagamento progressivo que termina por afundar o navio.

6.3.3 Efeitos de Flutuabilidade Intacta.

Denomina-se flutuabilidade intacta aquele volume que, dentro de um compartimento alagado, permanece estanque à inundação. Seu efeito é em geral de diminuir a inundação, o trim e a banda resultantes, aumentando dessa maneira o comprimento do navio que pode ser inundado. O efeito da flutuabilidade intacta sobre a estabilidade residual (valor de GM após a avaria) depende de sua posição com relação a superfície do plano de flutuação. Muitas vezes pode se tornar crucial o alagamento dessa avaria, e é por isso que se deve ter em mente o que segue

Nas duas considerações a seguir a filosofia utilizada é aquela baseada no método da perda de flutuabilidade, o que não leva a variações da posição do centro de gravidade!

Se essa flutuabilidade intacta se estende acima do plano de flutuação, seu efeito sobre a estabilidade tende a ser benéfico já que aumenta a área estanque da linha d'água, garantindo uma diminuição mais suave de seu momento de inércia. Por outro lado, a inundação desse compartimento causa um aumento do valor de KB, que pode ou não compensar a perda de área de linha d’água e, portanto, há que se analisar cada caso.

Se a flutuabilidade intacta não se estende acima da linha d'água e o navio alagado estiver no limite de estabilidade deve-se inundar esse compartimento, garantindo dessa maneira um aumento do KB residual e portanto um aumento da altura metacêntrica. Se, por outro lado, o problema é de borda livre mínima a inundação do tanque intacto só pode ser maléfica já que causa um aumento do afundamento.

Via de regra, uma flutuabilidade intacta abaixo da linha d’água é alagada se encontra-se a meio navio, o que causa aumento do GM residual e melhora a estabilidade, e não é alagada se encontra-se em posições extremas ao longo do comprimento pois pode aumentar o trim e diminuir sobremaneira a borda livre na proa ou na popa.

6.4. SUBDIVISÃO ESTANQUE E ESTABILIDADE NA CONDIÇÃO AVARIADA

A Linha Marginal de um navio é uma linha hipotética, traçada em ambos os bordos, posicionada 3 polegadas abaixo do convés das aberturas ao lado. É utilizada pelos critérios de estabilidade e para traçado da Curva de Comprimento Alagável.

O comprimento alagável de um navio, em qualquer ponto ao longo de seu comprimento, é definido como a máxima extensão longitudinal do navio, com centro no referido ponto, que pode ser alagada de bordo a bordo, simetricamente e com a determinada permeabilidade, sem causar imersão da linha marginal e sem conduzir a valores de GM menores que zero.

A determinação do comprimento alagável requer uma análise de afundamento, trim e banda. No entanto, os métodos tradicionais determinam o comprimento alagável considerando-se apenas os efeitos combinados de afundamento e trim. O estudo da estabilidade na condição avariada engloba a necessidade de verificação da banda eventualmente adquirida pela embarcação, o que é causado por alguma assimetria do alagamento (ou assimetria de permeabilidade).

A determinação do comprimento alagável ao longo do navio é objetivo principal da análise da flutuabilidade avariada. Para tanto é necessário anteriormente o desenvolvimento dos métodos de cálculo que permitam a determinação da condição de flutuabilidade e estabilidade após uma avaria de tamanho e posição previamente estabelecida.

6.4.1 Método da Adição de Peso e Método da Perda de Flutuabilidade

Quando o casco está parcialmente avariado na região correspondente a um espaço vazio, a diferença de pressão causa um escoamento do fluído para dentro do casco.

Existem dois métodos de cálculo para se determinar as novas propriedades hidrostáticas dos navios que, após um alagamento continuam com flutuabilidade: o método da adição de peso e o método da perda de flutuabilidade.

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