MMPH · Cap.10 Efeitos de Águas Restritas e Interações — A Manobrabilidade do Navio no Séc. XXI (Santos)

Quando surgeAlém da condição de águas rasas, a via impõe restrições laterais → o navio sente os efeitos de águas restritas ou confinadas e de interações.

Tipos de restriçãoFixas (estáticas) = bancos e paredes de canal; móveis (dinâmicas) = o costado de outro navio que cruza ou ultrapassa.

Surgem novas derivadas hidrodinâmicas de dependência posicional: a força passa a depender de onde o navio está em relação à restrição, não só da velocidade e do ângulo de deriva.

Intensidade cresce à medida que a largura do canal diminui ou o navio se aproxima de um banco/outro navio.
As alterações são mais fortes do que em águas rasas sem restrição lateral.

Escopo: item 8.12 do Anexo 2-A (efeitos de banco, de canal, squat em canais e interações navio-navio).

Três efeitos distintos (ITTC, 2002)

Efeito	O que é	Quando ocorre
bank effect (efeito de banco)	forças/momentos por movimento longitudinal, paralelo ao banco	navegando ao longo de banco ou parede
cushion effect (amortecimento)	aumento da resistência lateral conforme diminui a distância	movimento lateral rumo a limite sólido (atracação em cais vertical)
memória hidrodinâmica	influência sobre forças dependentes da frequência (massa/inércia adicionais)	grandes acelerações/desacelerações (contato com defensas)

Parâmetros das forças de interação (ITTC)

Distância navio–banco: efeitos aumentam quando a distância diminui (mas o momento p/ fora pode diminuir em folgas muito pequenas).
Velocidade: efeitos de banco dominados por efeitos potenciais, geralmente proporcionais ao quadrado da velocidade; em águas rasas podem crescer mais que quadraticamente.
Razão de profundidade: momento p/ fora cresce monotonicamente ao reduzir a profundidade; surge repulsão para fora do banco se h/T < 1,1 a 1,25 (crítico).
Ação do propulsor: adiciona atração entre popa e banco, independente do sentido de rotação → reforça o momento p/ fora.

Geometria do bancoverticais (quays), inclinados com margem visível e submersos. Banco íngreme tem efeito maior que banco menos inclinado; menor razão de profundidade → maior efeito.

**Fig. 260** — Tipos de banco: vertical (quay) e inclinado com margem visivel

Primeiras pesquisas

DTMB 1946–47 (Canal do Panamá) › Schoenherr 1960 › Fujino 1968 (eqs. lineares, calibração PMM) › Norrbin 1974–85 › Kijima e Dand

**Fig. 262** — Banco submerso de parede reta

DefiniçãoReação hidrodinâmica causada por geometria paralela ao rumo — estacionária (banco) ou dinâmica (costado de outro navio = interação navio-navio).

Quatro elementos que definem

escoamento em torno do casco em movimento;
uma geometria interfere nesse escoamento;
embarcação/hélice com velocidade constante ou quase;
comprimento da geometria múltiplo da maior dimensão do navio.

**Fig. 263** — Distribuicao de pressoes simetrica em area sem restricao

Área aberta = pressões simétricas › paralelo à restrição = escoamento assimétrico › água acelera entre navio e banco, pressão cai desse lado › força aponta p/ margem = sucção de banco

**Fig. 267** — Geometria do banco submerso testado por Norrbin

Pela camada-limite, a queda de pressão é maior à popa → pequeno momento de guinada para fora do banco.

**Fig. 264** — Momento em yaw para fora do banco pela camada-limite

Controle do rumo junto ao banco

**Fig. 265** — Efeito de banco classico e o bow cushion

O bow cushion é um efeito de asa, NÃO de banco — os efeitos de banco são medidos para ângulo de deriva zero.

Leme necessárioGrandes navios: deriva de cerca de 1° costuma exigir 15° a 20° de leme. Se a deriva aumentar, o leme já não controla o rumo.

**Fig. 266** — Angulo de leme para manter rumo junto a tres tipos de banco (Kvick 2002)

Kvick (2002): graneleiro Panamax (200 m, calado 11 m, deriva 1°) — talude de 45° reduz menos que se supõe; banco submerso só a curta distância.

Norrbin (1974)Petroleiro 280.000 TPB (L = 321,56 m), velocidade 8–8,4 nós, leme neutro → momento p/ fora ao aproximar-se; modelo livre afastou-se do banco.

**Fig. 268** — Modelo livre afastando-se do banco

"Nas proximidades de um banco, o navio procura a água."

Banco longo: forças estabilizam com casco paralelo; bancos com mais de seis comprimentos do navio ≈ infinitos.
Forças transientes não são proporcionais a V²: podem atingir até a quinta potência da velocidade.
Tratar o efeito como simples Bernoulli só vale com o navio já em equilíbrio (banco longo).

**Fig. 269** — Efeitos de um banco CURTO sobre forca em sway e momento em yaw

**Fig. 270** — Efeitos de um banco LONGO sobre forca em sway e momento em yaw

**Fig. 271** — Dimensoes do banco circular e notacoes (Yasukawa 1991)

**Fig. 273** — Banco em forma de cunha (Kijima e H. Quing 1987)

**Fig. 274** — Coeficientes de forca lateral (CY) e momento em yaw (CN) vs angulo da cunha

Estudo	Banco	Achado
Yasukawa 1991	circular (h/T = 1,1)	forças sempre de atração; momento inicial de repulsão vira atração após o centro
Kijima e Quing 1987	cunha (h/T = 1,2, 4 nós, cargueiro 155 m)	fortes transientes na quina; mesmo com ângulo de 150° há transientes

DefiniçãoReações em navio contido entre duas geometrias paralelas; além da dependência posicional, entra a largura e a profundidade do canal.

Navio centrado e simétrico › escoamento simétrico, sem força nem momento › deslocado y₀ da linha de centro › simetria se perde

SentidoVelocidade sobe junto à parede próxima → Y(y₀) positiva (leva à parede próxima) e N(y₀) negativa (gira a proa p/ a parede distante). Cresce quando a largura diminui.

Em canal estreito, um ângulo de aproamento ψ cria momento que aumenta ψ: a derivada Nψ é sempre positiva (não estabilizadora) → equilíbrio instável com controles fixos.

Canal não tão estreito → existe uma margem central de estabilidade neutra (sem sucção nem momentos), de largura variável por navio.

**Fig. 275** — Navio deslocado y0 da linha de centro do canal

Ensaios (Eda, 1971–73)Petroleiro 250.000 TPB (335 m, CB 0,83) e cargueiro 180 m (CB 0,60), simuladores calibrados por modelos.

Três limites de segurança

Ângulo de leme p/ manter rumo paralelo (função de profundidade e largura);
o efeito squat no canal;
a estabilidade direcional (profundidade, distância das margens, efeitos de banco).

**Fig. 276** — Escoamento em canal com navio em angulo psi a linha de centro

Teste de instabilidadeDistúrbio de aproamento de 2°, controles fixos, ambos a 6 nós em canal de 158 m × 24 m. Ambos dinamicamente instáveis no canal com controles fixos — mesmo sendo estáveis em águas profundas.

Petroleiro encalhou na margem oposta ~500 s após o início; é mais instável que o cargueiro. Com controle PD (ganhos 4 e 4) ambos ficam estáveis.

**Fig. 277** — Angulo de leme necessario para manter o rumo (Eda)

**Fig. 278** — Angulo de leme (limite 15 graus) vs razao largura/boca do canal

**Fig. 279** — 1o limite: contorno leme para manter rumo (h/H x W/B)

**Fig. 280** — 2o limite: linhas de contorno de velocidade-limite em canais

Parâmetros aceitáveis (Eda, sem solução universal)

Item	Valor
leme p/ corrigir afastamento de 5–10% do comprimento	15° a 20°
estabilidade direcional	neutra
folga p/ squat — cargueiro	30 cm (1 pé)
folga p/ squat — petroleiro	60 cm (2 pés)

**Fig. 281** — Mudanca de aproamento apos perturbacao de 2 graus (controle fixo)

**Fig. 282** — Mudanca de aproamento com controle movel PD (ganho P=4, D=4)

**Fig. 283** — Os tres limites em uma unica linha de contorno operacional

**Fig. 284** — Curvas contorno-limite para estabilidade direcional em canais

Larguras variáveisMoody (1964, Panamá): alargar/aprofundar reduz muito as forças. Yasukawa (1991): na situação B (largura 0,5L, h/T 1,3) o navio é empurrado contra a margem ao entrar — cuidado em canais com margens assimétricas.

**Fig. 285** — Geometria de bancos e canal com larguras variaveis

**Fig. 286** — Forcas laterais (CY) e momentos (CN) assimetricos em bancos de largura variavel (Yasukawa)

DandNo canal curvo o momento para fora da margem externa, somado à sustentação e ao momento de Munk da deriva, pode ser aproveitado por quem manobra — chega a ser mais forte que o efeito de banco em trajetória reta.

**Fig. 287** — Bifurcacao de canal confinado e estreito (Dand)

Exemplo (Dand)Petroleiro carregado, h/T 1,16, 11,6 nós, talude 1:4: o prático busca alguma rejeição da margem externa e usa o leme p/ quebrar a guinada.

Nos EUA há práticos que fazem curvas dando ordens de governo pela razão de guinada, não por ângulo de leme — útil quando as forças externas são variáveis.

**Fig. 288** — Trajetoria de modelo em canal curvo (Dand)

Pela PIANC (relatório 121), três tipos de canal: irrestrito (aberto), restrito e confinado.

Símbolo	Significado
W	largura no fundo do canal
W_Top	largura projetada ao topo da calha (confinado)
h / h_M	profundidade da água / profundidade média
n	inclinação dos taludes = horizontal/altura = cot(θ)
A_C	área transversal molhada

Largura efetiva W_rnCanal irrestrito não tem W definida; usa-se W_rn = 8B a 12B. Para 1,10 ≤ h/T ≤ 1,40, função de C_B: petroleiros/graneleiros 8,1–8,9B; carga geral 8,6–9,4B; contêineros 9,4–10,7B.

Taludes suaves (1:10 ou mais) permitem tratar como irrestrito mesmo com W < W_rn; n típico ≈ 3 (talude 1:3).

**Fig. 289** — Tipos de canais (PIANC 121, 2014): irrestrito, restrito, confinado

Parâmetros combinados navio × canal

Razão de profundidade h/T — regra de segurança: mín. 1,1 a 1,15 em águas calmas e 1,15 a 1,4 com ondas.
Fator de bloqueio S = A_S/A_C — fração da seção ocupada pela meia-nau. Típico: 0,10 a 0,3 (restritos/confinados); ≤ 0,10 (irrestritos).
Fator de velocidade de retorno S₂ = A_S/A_W; número de Froude de profundidade F_h.
Velocidade crítica V_C: limite da resistência — ao atingi-la o navio ganha trim que altera resistência/manobra. Deve ser sempre evitada.

Em canais o squat é maior que em águas rasas; métodos empíricos. Römisch e Barrass 3 exigem explicitamente velocidade abaixo da crítica.

Método	Característica
Huuska/Guliev	qualquer canal; constante K₁ (Fig. 291) em função do fator de bloqueio S₁. Restrições: Fnh ≤ 0,7; 1,1 ≤ h/T ≤ 2,0; C_B 0,6–0,8
Römisch	squat na proa ou popa; fatores C_V, C_F, K_ΔT; K distingue os 3 tipos de canal
Ankudinov	S_máx = afundamento S_m + trim T_r. Trim negativo = proa; positivo = popa. Inválido se Fnh > 0,6
Yoshimura (japonês)	canais abertos/fechados; velocidade equivalente v* incorpora o bloqueio
Barrass 3	qualquer canal; função de V_k (nós), C_B e S. S = 0,10 = rio/canal sem restrição. Squat ∝ V²

**Fig. 291** — Dependencia entre K1 e S (metodo Huuska/Guliev)

**Fig. 293** — Variaveis de distancia da margem (metodo japones)

Os métodos supõem velocidade constante e canal reto — o squat aumenta em estado variável (aceleração, transição brusca de profundidade), perto de curvas e margens e com outro navio próximo. Dand (1981): modelo 5238, talude 1:4.

Método japonês (PIANC 121)Canal de acesso precisa de largura adicional p/ as forças de interação; estima-se a distância segura ao talude com leme predeterminado δ = 5° (quadro de 15 navios).

De que dependemDistância longitudinal x₀, distância transversal y₀ e ângulos de aproamento. Importantes em ultrapassagens, cruzamentos, manobra anticolisão e alívio de carga no mar.

Passagem por navio atracado (Pinkster, 2004)

SetupPetroleiro 30.000 TPB passando navio-tanque 100.000 TPB atracado, costado a costado 30 m, 7 nós, profundidade 1,15× o calado.

Cais vazado × parede sólida: a parede vertical aumenta o surge em ~80% e reduz sway e yaw em ~60% → forças em cais vazado não servem de comparação com cais sólido.

Recomendação PIANCBaixa probabilidade de perturbar o atracado: 4 nós ou menos p/ separação de 2B; 6 nós ou menos p/ separação de 4B.

Ultrapassagem (Newton, 1960)

Priorizada porque o período de ação é mais longo → maior risco que o cruzamento.
Casco fino A (225,5 m, CB 0,611) a 20 nós; cheio B (172,8 m, CB 0,714) a 10 nós; águas profundas 137 m.
Afastamento 50 pés (15,24 m): atração máx. 26 tf em A e 35 tf em B; posições de risco 3 (navio A) e 5 (navio B).
50 → 100 pés reduz a atração ~40%; dobrar a velocidade relativa (10 → 20 nós) quadruplica a atração (∝ V²).

Regra de Newton: colisão iminente na posição 3 → A (grande) diminui, B aumenta; na posição 5 → A aumenta, B diminui.

Kijima (1985)Alcançador 160 m (5 nós), alcançado 100 m (4 nós), canal 200 m (h/T₁ 1,20). O navio menor (alcançado) é muito mais influenciado pela interação. Risco de colisão/encalhe grande para L₁/L₂ > 0,8; maior velocidade relativa reduz o tempo de interação.

Distância longitudinal adimensional = stagger (S_τ): −1 proa-com-popa, 0 meia-nau, +1 popa-com-proa.

**Fig. 321** — Distancia de ultrapassagem Wov (metodo japones)

DefiniçãoNavios em rumos opostos paralelos, sem efeitos de ângulo de deriva.

Acontece rapidamente — navios de grande inércia muitas vezes não reagem a tempo. Efeitos dominantes = momentos para fora em ambos; crescem quando a separação diminui.

Confusão comum: o ângulo de deriva NÃO é efeito de interação — o Munk e a sustentação que ele gera são adicionais, aumentando ainda mais o momento para fora.

Efeitos combinados (Dand)

Benéfico: as proas se afastam no começo — efeito pequeno, controlável pelo leme-flape.
Perigoso: afastamento de proas mais forte no final da passagem → grande ângulo de deriva, impossível de controlar com o leme, podendo encalhar.

**Fig. 322** — Forcas e momentos no cruzamento de dois navios identicos

Solução marinheira (contraintuitiva): carregar o leme no sentido do navio que passa quando ambos estão no través de meio-navio — também previne o abalroamento se a separação for muito pequena.

Lembrete do autor: controle o navio com atenção especial ao ângulo de deriva — é o ângulo de ataque da asa-casco, governado pelo flape-leme.