A integridade das estruturas portuárias é essencial para promover a atracação de embarcações com segurança e, para isso, o uso de defensas é muito importante e fortemente recomendado. Acompanhe no texto a seguir a análise realizada pela Kot Engenharia para minimizar danos e aumentar a proteção dos portos nas operações de atracação.

1. A problemática da atracação de embarcações

A utilização de navios de elevada capacidade para transporte de commodities é cada vez mais comum. Por exemplo, temos os grandes navios graneleiros, sendo que os da classe VALEMAX projetados em 2010 são os maiores, com uma capacidade de 400 mil toneladas. Como comparação, podemos citar um navio Capesize da década de 70 que carrega 170 mil toneladas, ou seja, os navios da classe VALEMAX são cerca de 2,3 vezes maiores. A Figura 1 mostra uma comparação relativa do tamanho dos navios: 

Figura 1 – Tamanho relativo esquemático das diversas classes de navios [Fonte: Kot Engenharia]

 

Tal capacidade e tamanho de embarcações resulta em um desafio para a infraestrutura portuária, que necessita de acomodar esses navios de forma segura em seus berços.

O processo de manobra do navio no porto é executado por um profissional especializado, o Prático, que possui o conhecimento necessário das condições do porto como correntes, comportamento das marés, vento, canal de acesso, obstruções submersas, dentre outros riscos à navegação. Dessa forma, toda a operação é executada sob os comandos do Prático, desde a manobra do ponto de fundeio até a entrada no porto e a atracação final no berço.

 

2. As cargas de atracação

As cargas atuantes durante a atracação são muito elevadas, e proporcionais ao deslocamento do navio. Logo, com o notório aumento no deslocamento das embarcações nos últimos anos, os aparelhos de defensas devem ser capazes de suportar a energia envolvida no processo de atracação, preservando a infraestrutura dos berços, a maior parte executada em concreto armado.

Existem diversos parâmetros envolvidos no cálculo das cargas atuantes durante a atracação, sendo que o principal é o componente normal ao berço da velocidade de atracação, Vb. A velocidade de atracação depende do tamanho do navio, das condições de ondas e correntes, vento e possíveis restrições de aproximação no berço. Já a velocidade de aproximação pode ser estimada conforme norma BS6349, PIANC, dentre outras normas, que adotam as curvas de Brolsma. Tal curva é baseada em diferentes condições de aproximação e proteção do porto em questão, que variam de 1 a 5, ou de ‘a’ até ‘e’ em algumas literaturas especializadas.

(a) Fácil atracação, área protegida;

(b) Atracação difícil, área protegida;

(c) Fácil atracação, área desprotegida;

(d) Boa atracação, área desprotegida;

(e) Atracação difícil, área desprotegida.

Toda a energia de atracação deve ser suportada pela defensa situada no ponto de impacto. É possível visualizar a seguir, na Figura 2, alguns dos parâmetros envolvidos no cálculo das cargas de atracação:

 

Figura 2 – Alguns dos parâmetros envolvidos no cálculo das cargas de atracação. [Fonte: Kot Engenharia]

 

Um aspecto interessante no processo de atracação é o colchão de água que se forma entre o costado da embarcação e o paramento (water cushion effect). Durante a atracação, a movimentação da água nesta região pode amortecer as cargas atuantes no processo. Em alguns casos o paramento é vazado devido as estruturas de estaqueamento do píer, o que permite que a água escoe entre as estruturas de fundação submersas, reduzindo o efeito de amortecimento da água.

As estruturas de defensas são tipicamente formadas por estruturas de aço dotadas de elastômeros fixadas nas lajes do píer de atracação.

A principal função da defensa é absorver a energia cinética do navio durante a aproximação, convertendo em energia de deformação do elastômero. Uma parte da energia absorvida no processo é dissipada por histerese e calor. A Figura 3 exibe um gráfico da relação entre deflexão, reação e absorção de energia em um sistema de absorção de impacto:

 

Figura 3 – Relação entre força de reação, deflexão e energia absorvida para uma defensa elastomérica típica [Fonte: Trelleborg]

 

3. Exemplos de estruturas de defensas

As defensas são normalmente construídas com elastômeros, de formato cilíndrico ou cônico. Os aparelhos elastoméricos são fixados em estruturas metálicas, revestidas com polímeros para redução de atrito com o costado da embarcação. Veja nas Figuras 4, 5, 6 e 7 alguns exemplos de defensa.

Figura 4 – Exemplo de defensa do tipo SUPERCONE de um píer fixado diretamente na estaca metálica, nota-se as correntes para evitar deslocamentos excessivos que poderiam danificar a defensa.

Figura 5 – Exemplo de defensa de um píer em concreto armado e defensa em elastômero com painel metálico.

Figura 6 – Exemplo de píer danificado por uma atracação mal sucedida, correntes marítimas fortes resultaram em uma velocidade de aproximação excessiva do navio que ultrapassou a capacidade da defensa.

Figura 7 – Defensa em estrutura metálica dotada de absorvedor cilíndrico em elastômero, nota-se marcas de atrito da defensa com o costado do navio.

 

4. Considerações finais

Os aparelhos elastoméricos são peças fundamentais na infraestrutura de um porto, preservando as estruturas durante a atracação dos navios. Uma aproximação malsucedida por exemplo, pode resultar em danos na infraestrutura portuária como: píer, estacas, paramento, lajes, e pode causar danos, ainda, nas estruturas do costado dos navios. Havendo danos ao navio, o armador irá cobrar os custos referentes aos reparos necessários, causando disputas que podem ser evitadas.

A seleção da defensa ideal deve considerar os aspectos da operação portuária local, pois em portos menos abrigados com obstruções e riscos à navegação, a velocidade de aproximação deve ser considerada de forma apropriada, influenciando diretamente na capacidade de energia requerida para as defensas. A utilização de defensas com capacidade de energia inferior à calculada é um risco, pois as operações de atracação, mesmo que realizadas dentro das condições de projeto, poderá causar danos nas estruturas portuárias.

Como o aumento na capacidade dos navios é uma realidade atual, a entidade portuária deverá estar atenta, de modo que as defensas instaladas em seus portos estejam adequadas para a capacidade de energia requerida por essas embarcações mais pesadas.

 

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FAQ

1. Como o aumento do porte dos navios modernos impacta diretamente o dimensionamento das estruturas portuárias e defensas?

Navios modernos (como a classe VALEMAX) chegam a ser mais de duas vezes maiores que os graneleiros tradicionais de décadas passadas. Como a energia cinética envolvida na aproximação é diretamente proporcional ao deslocamento (massa) da embarcação, o impacto gerado no cais cresceu na mesma proporção. Se os aparelhos de defensas elastoméricas não forem redimensionados para absorver essa maior quantidade de energia, as forças residuais de reação serão transferidas para a infraestrutura de concreto armado, provocando falhas graves em estacas, lajes e paramentos.

 

2. O que são as curvas de Brolsma e qual a sua importância no cálculo das cargas de atracação de um porto?

As curvas de Brolsma são ferramentas normativas (adotadas por códigos internacionais como BS 6349 e PIANC) utilizadas para estimar a velocidade de aproximação normal do navio ($V_b$) em relação ao berço. Elas categorizam o cenário de atracação em diferentes níveis de dificuldade e exposição ambiental (de áreas totalmente abrigadas e de fácil manobra a regiões desprotegidas com forte ação de ondas e ventos). Identificar a curva correta assegura que a energia cinética de projeto reflita as reais condições severas que o Prático enfrentará na operação diária.

 

3. Como o “water cushion effect” (efeito colchão de água) atua no amortecimento do impacto e por que o tipo de píer altera esse fenômeno?

O water cushion effect ocorre quando a água presa entre o costado do navio e a parede contínua do cais (paramento) é comprimida durante a aproximação, funcionando como um amortecedor hidráulico natural que dissipa parte da energia cinética. Contudo, em píeres vazados, estruturados sobre estacas abertas, a água escoa facilmente por entre as fundações submersas. Isso reduz ou elimina a formação desse colchão hidrodinâmico, exigindo que as defensas absorvam uma parcela muito maior do impacto mecânico puro.

 

4. De que forma as defensas elastoméricas convertem a energia cinética do navio e qual a função dos painéis frontais poliméricos?

A defesa mecânica atua convertendo a energia cinética de translação da embarcação em energia de deformação elástica dentro do seu bloco de elastômero (geralmente em geometrias cônicas ou cilíndricas). Uma parte substancial dessa energia é permanentemente dissipada na forma de calor por histerese. Para proteger a integridade do casco do navio contra forças tangenciais induzidas pelo movimento, a defesa utiliza painéis metálicos frontais revestidos com polímeros de alta densidade, cujo baixo coeficiente de atrito reduz o desgaste por fricção.

 

5. Quais são as principais consequências operacionais e jurídicas decorrentes de falhas em sistemas de defensas portuárias?

Se a capacidade de absorção da defensa for inferior à energia real do impacto, ocorre o fenômeno de “fim de curso”, transferindo cargas de reação excessivas que quebram a infraestrutura civil do píer e amassam as chapas do costado do navio. Além do prejuízo com reparos emergenciais e a interdição do berço de atracação (o que paralisa o escoamento de commodities), danos à embarcação resultam em pesadas cobranças financeiras por parte do armador (proprietário do navio), gerando longos litígios comerciais que poderiam ser evitados com auditorias e simulações de engenharia preventivas.