O casco de um navio é a entidade estrutural mais notável do navio. Para definir o casco, pode dizer-se que é o recinto estanque do navio, que protege a carga, maquinaria e espaços de alojamento do navio das intempéries, inundações e danos estruturais. Mas isto por si só não é suficiente para as nossas exigências de compreender todos os aspectos do casco de um navio.
Neste artigo, veremos como o casco de um navio é concebido para vários factores tidos em consideração durante toda a vida útil do navio, e como a concepção do casco de um navio desempenha o papel mais importante em todo o projecto de concepção e construção naval.
Hull Related Nomenclature
Figure 1: Hull Nomenclature.
A figura acima mostra o perfil esquemático do casco de um navio convencional. A compreensão do significado e aplicações das nomenclaturas relacionadas com o mesmo constitui a base para a compreensão da concepção e tecnologia de construção naval.
Bow e Stern: O contorno mais à frente do casco do navio é chamado de proa, e o mais à popa, de popa. O tronco é a parte mais avançada do contorno da proa.
Perpendicular para a frente: Se uma perpendicular é desenhada no ponto em que o arco intersecta a linha de água, esta linha perpendicular imaginária é chamada perpendicular para a frente. Para a maioria dos cálculos hidrostáticos, a perpendicular dianteira é utilizada como a referência dianteira do casco.
Perpendicular de popa: Dependendo do projectista, a perpendicular de popa pode ser a perpendicular desenhada através do lado de popa da coluna do leme ou através da linha central dos pinos do leme. A perpendicular de popa é a linha de referência da popa para todos os cálculos hidrostáticos.
Comprimento entre as perpendiculares: O comprimento entre as perpendiculares de frente e de trás é o comprimento entre as perpendiculares. O LBP é um parâmetro muito importante em todos os cálculos de estabilidade, pelo que o cálculo do LBP em vários rascunhos torna-se um passo importante na realização de análises de estabilidade.
Sheer: A curva ascendente formada pelo convés principal com referência ao nível do convés no meio do navio, é chamada pura. É normalmente dada para permitir o fluxo de água verde desde as extremidades da proa e da popa até ao meio do navio e permitir a drenagem até aos porões. O escafandro de proa é normalmente mais do que o escafandro de popa para proteger as máquinas de ancoragem de proa das ondas.
Linha de carga de verão: A linha de carga de verão é a linha de água do navio na água do mar quando está no seu peso de concepção e condições de lastro. É também chamada de calado de projecto; isto forma a referência para todas as outras linhas de carga do navio.
Comprimento da Linha de Água: O comprimento do casco do navio na linha de carga de Verão é o comprimento da linha de flutuação do navio. Este comprimento desempenha um papel importante no cálculo da hidrostática do navio, bem como nos cálculos de concepção da hélice.
Comprimento Global: O comprimento entre o ponto mais a vante e o mais a ré do casco do navio é o seu comprimento total. Este comprimento desempenha um papel importante na concepção dos planos de atracagem e desatracação do navio. Nos estaleiros onde estão disponíveis múltiplas docas de construção, o comprimento total, viga e profundidade do navio é um factor decisivo na escolha de um bloco de construção adequado para o navio.
Linhas e forma do casco
O primeiro passo na concepção de um casco de um navio é a concepção da sua forma e forma. A forma do casco do navio é estimada por meio de vários coeficientes de forma, discutidos da seguinte forma:
Coeficiente de Bloco: O coeficiente de bloco é a relação entre o volume subaquático do navio e o volume do rectângulo imaginário que envolve a parte subaquática do casco. Como o comprimento, largura e altura deste rectângulo envolvente seria o comprimento entre perpendiculares, Viga Máxima, e Calado do navio, o coeficiente de bloco é expresso da seguinte forma:
O valor do coeficiente de bloco é um para um navio com a secção transversal rectangular. Assim, para uma forma típica de casco de navio, seria inferior a um. Quanto mais alto for o coeficiente de bloco, mais cheia é a forma do casco (por exemplo, petroleiros, graneleiros). As formas de casco mais finas têm coeficientes de bloco mais baixos (por exemplo, navios porta-contentores, navios de guerra).
Midship Coefficient: O coeficiente de meio navio é a razão entre a área submersa da secção do meio navio e o rectângulo envolvente. Por conseguinte, é expresso como:
Existem vários outros coeficientes de forma como o Coeficiente Prismático, Coeficiente Volumétrico, etc., que são basicamente os parâmetros utilizados para definir a distribuição volumétrica do casco do navio ao longo do seu comprimento. Uma vez obtidos estes coeficientes, a partir de estudos estatísticos, são desenvolvidas as linhas do casco.
A planta das linhas do casco de um navio é composta de três vistas. Para compreender a planta das linhas, precisamos primeiro de saber o que são as nádegas e as linhas de água.
Quando o casco de um navio é cortado em múltiplas secções longitudinais, ou seja, se se cortar o casco do navio a cada dois metros, começando do porto para estibordo, produzir-se-iam secções longitudinais a cada dois metros. O contorno de cada secção longitudinal é chamado linha de nádegas, e é exactamente isto que está representado no plano de perfil, como se mostra abaixo. As linhas de referência para a visualização do perfil são as estações (linhas verticais de grelha, que denotam a posição longitudinal) e linhas de água (linhas horizontais, que denotam as posições verticais).
Figure 2: Linhas de náutica.
Se o casco do navio for cortado ao longo de cada linha de água, então cada linha de água produz uma curva distinta. Uma vez que o casco de um navio é simétrico em relação à linha de centro, prevalece uma prática comum em que a curva é traçada de cada lado da linha de centro, e esta vista é chamada de plano do corpo ou plano de meia-linha de água do navio.
p>Figure 3: Plano de meia largura. Important Tip: A forma das linhas de água (no plano de meia largura) desempenha um papel decisivo na forma da popa e na eficiência da hélice. Na figura acima, as linhas de água afastam-se da linha de centro do navio com o aumento da altura acima da linha de base. Ou seja, a curva mais interna é a linha de flutuação mais baixa. Tomar nota de como as linhas de água se endireitam na popa à medida que nos deslocamos para cima a partir da quilha. Isto mostra que o navio tem uma popa de travessas. Então porque é que a popa da popa é preferida? A resposta reside na forma das linhas de água na popa. A direcção longitudinal foi tomada pelas linhas de água na popa, assegurando o fluxo de água na popa numa direcção quase perpendicular ao disco da hélice. Isto assegura um fluxo cruzado mínimo na hélice, garantindo assim a máxima eficiência da hélice.
Se o casco do navio for cortado para formar uma secção em cada estação, obtemos o plano do corpo, como se mostra abaixo. A prática típica de desenhar o plano da carroçaria é denotar todas as meias secções (devido à simetria do casco). As secções à frente da meia-nau são desenhadas no lado direito da linha central, e todas as secções da meia-nau à popa são desenhadas no lado esquerdo.
p>Figure 4: Plano do corpo. O plano do corpo é a representação mais útil das linhas do casco do navio. As linhas de referência no plano do corpo são as nádegas (linhas verticais de grelha), e as linhas de água (linhas horizontais de grelha). O plano do corpo, juntamente com as linhas de referência, pode ser auto-utilizado o suficiente para desenvolver o plano do perfil e o plano de meia-largura do navio. É também útil no desenvolvimento da curva da área seccional, e curvas bonjean do navio.
A planta completa das linhas de um navio é disposta colocando a vista do perfil em cima, com o plano de meia largura logo abaixo, e o plano do corpo à sua direita, como se mostra abaixo. A planta de linhas prevê a base para o desenvolvimento não só do modelo tridimensional do casco, mas também o desenvolvimento de desenhos estruturais em moldura, disposição geral, e desenhos do sótão no estaleiro.
p>Figure 5: Plano de linhas de um navio. Estrutura e resistência do casco
A concepção estrutural do casco de um navio equivale a aproximadamente 70% da concepção estrutural total do navio. As fases de concepção da estrutura do casco são as seguintes:
P>Passo 1: Cálculo de Cargas no Casco: É aqui que entram em jogo as regras da sociedade de classificação. Os livros de regras têm fórmulas especializadas para o cálculo das cargas de ondas no casco do navio. O momento de flexão da água parada, o momento de flexão da onda e as forças de corte devem ser calculados utilizando estas fórmulas. Estes valores de carga actuam como pontos definidos em todo o processo de concepção estrutural.
P>Passo 2: Cálculos de Escaneamento para a meia-nau: As dimensões de todos os membros estruturais do navio (placas, reforços, vigas, vigas, vigas, pilares, etc.) são colectivamente denominadas escantilhões. As cargas calculadas no Passo 1 são utilizadas para chegar às escantilhões, e isto é calculado para os membros estruturais em cada armação.
P>Passo 3: Módulo da Secção de Midship: O desenho estrutural da secção intermédia do navio é preparado de acordo com os escantilhões calculados. Isto é seguido pela localização do eixo neutro da secção de meio navio e cálculo do módulo de secção da secção de meio navio. Dois critérios devem ser satisfeitos nesta fase:
- A secção intermédia obtida deve ser igual ou superior ao valor mínimo do módulo de secção obtido pela fórmula empírica no livro de regras.
- É calculado o esforço de flexão no convés e na quilha, e é verificado se os valores do esforço estão dentro do factor de segurança requerido.
Figure 6: Desenho da secção intermédia de uma embarcação de passageiros.
No desenho da secção intermédia acima, a linha azul (NA) é o eixo neutro da secção. O gráfico de tensão de flexão é desenhado com o eixo neutro com a referência (origem), e as extremidades mais alta e mais baixa do gráfico indicariam os valores de tensão no convés e quilha respectivamente, como mostrado no gráfico de tensão abaixo.
p>Figure 7: Diagrama de tensão de flexão da secção intermediária do navio. Por que acha importante desenhar a estrutura da secção intermediária do navio antes de qualquer outra secção? Leia este artigo para descobrir o que faz da meia-nave a região estruturalmente mais importante do navio.
Passo 4: Cálculo de sondagem no sentido da moldura: Uma vez que as escantilhões de meia-nave satisfaçam os critérios, são calculados os escantilhões para os membros estruturais em cada moldura, e são preparados os correspondentes desenhos estruturais no sentido da moldura. São aplicadas fórmulas especiais para as secções dianteira e traseira, e anteparas, e são preparados desenhos para o mesmo.
P>Passo 5: Cálculo do Peso do Aço: Os escantilhões obtidos são os utilizados para calcular o peso do aço do navio. É aqui que a iteração começa. Se o peso de aço calculado estiver fora dos valores obtidos empiricamente e estatisticamente, o desenhador poderá ter de considerar a utilização de aço mais leve em regiões adequadas ou tomar outras decisões para manter o peso do navio-farol dentro dos limites.
P>Passo 6: Desenvolvimento de Modelo Estrutural 3D e Análises FEA: Com os desenhos estruturais em cada moldura, é preparado um modelo estrutural tridimensional para todo o casco. Este processo leva o maior tempo porque a precisão deste modelo teria um impacto directo nos resultados das análises de elementos finitos que se seguirão. A malha tridimensional é realizada no modelo 3D, seguida de análises de elementos finitos para várias condições. É com base nos resultados destas análises que as sociedades de classificação aprovam hoje em dia a concepção estrutural de um navio, uma vez que produzem dados mais fiáveis do que os produzidos por cálculos lineares.
Estabilidade do curso do casco
O outro aspecto importante do casco do navio é o seu desempenho direccional ou de manutenção do curso no mar. Por outras palavras, a sua maneabilidade. A fim de avaliar a manobrabilidade do casco nu, avaliamos os seguintes aspectos:
- Estabilidade em linha recta: Se um navio que se move em linha recta é sujeito a uma perturbação externa, e muda de direcção, mas continua a mover-se em linha recta ao longo da nova direcção, sem a ajuda do leme, então diz-se que o casco tem estabilidade em linha recta.
- Estabilidade Direcional: Se um navio que se move em linha recta é sujeito a uma perturbação externa, e continua a mover-se ao longo de um novo caminho que é paralelo à direcção inicial, diz-se que o navio possui estabilidade direccional. A estabilidade direccional não é possível sem a ajuda de uma superfície de controlo (por exemplo, leme), mas ter estabilidade em linha recta torna fácil atingir a estabilidade direccional.
- Estabilidade de trajecto: Se um navio em movimento em linha recta é perturbado externamente, e continua a mover-se ao longo do mesmo caminho (após algumas oscilações), diz-se que tem estabilidade de trajecto. A estabilidade da trajectória, tal como a estabilidade direccional, só pode ser alcançada se a estabilidade em linha recta for alcançada.
Figure 8: Estabilidade do percurso do casco de um navio.
O objectivo do projecto durante o desenvolvimento do casco de um navio, é, portanto, atingir a estabilidade em linha recta. Para este tanque diverso, são efectuados testes em bacias modelo e medem-se os coeficientes hidrodinâmicos para o casco nu. Estes coeficientes hidrodinâmicos são as propriedades características da capacidade de manutenção do curso do casco, e em caso de resultados indesejados, são decididas alterações na forma ou geometria do casco. Por exemplo, um skeg é frequentemente adicionado ao casco em fases posteriores de concepção para melhorar a sua estabilidade em linha recta, após a obtenção dos resultados do teste de bacia do modelo.
Hull-Superstructure Interaction
Foi observado que a presença de uma superestrutura no convés principal reduz a tensão de flexão no convés a partir do valor de tensão previsto pela teoria de flexão da viga. Isto deve-se à interacção das tensões de corte com as tensões de flexão nas extremidades das superstruturas. No entanto, isto leva a deformações nas extremidades das superestruturas. Assim, por outras palavras, se uma superestrutura é eficiente, deve ser capaz de absorver uma certa porção da tensão de flexão no convés. A medida em que absorve a tensão de flexão determina a sua eficiência, a qual vem a ser chamada de Eficiência da Super-Estrutura. Pode ser expressa como:
Depende do projectista se deve conceber uma superestrutura que absorva a tensão de flexão do casco, ou se deve conceber uma que esteja livre de qualquer interacção com o casco. A concepção de uma superestrutura 100% eficiente seria possível, mas seria feita à custa de anteparas profundas e pesadas nas extremidades da superestrutura para evitar graves distorções devido ao cisalhamento. Contudo, para aumentar a eficiência da superestrutura, a maioria dos navios tem superestruturas ligadas ao casco por meio de anteparas transversais sob o convés, e teias que correm continuamente do casco para as superestruturas nos seus extremos à frente e à ré.
Outros aspectos do desenho do casco de um navio
Existem outros aspectos do casco de um navio que desempenham um papel importante no desempenho do navio no mar. O cálculo da resistência do casco nu é um passo importante na determinação da eficiência energética do casco. Os métodos de cálculo da resistência do casco nu foram discutidos em pormenor neste artigo.
Outro aspecto vital do casco do navio é a sua integridade estanque. Para assegurar isto, o projectista deve assegurar a estabilidade intacta e danificada do navio. Para conhecer os aspectos da estabilidade do casco de um navio, é aconselhável ler os artigos sobre estabilidade intacta e estabilidade danificada de um navio. O artigo sobre subdivisão do casco de um navio discute como o número e a posição das anteparas estanques são decididos durante a concepção do casco de um navio.
Vibração e resposta dinâmica do casco do navio é um factor que determina não só o desempenho do navio, mas também a sua longevidade no mar. De todas as diferentes vibrações de um navio, a vibração da viga do casco de um navio é motivo de grande preocupação. Um navio com níveis indesejáveis de vibração pode ser possivelmente um projecto sucateado logo nos seus anos iniciais. Leia este artigo para saber mais sobre os tipos de vibrações no casco de um navio, as fontes de excitação, e as medidas de concepção tomadas para minimizar o nível de vibrações do casco a bordo.
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