Rebocadores Cap. 3 — Potência, Tração Estática e Número de Rebocadores

1. Visão geral

Fonte: SILVA, Otávio Augusto Fragoso Alves da; GONÇALVES, Marcelo Campello Cajaty. Rebocadores Portuários. 1. ed. Rio de Janeiro: Conselho Nacional de Praticagem (CONAPRA), 2002 — Capítulo 3, Potência, Força de Tração Estática e Número de Rebocadores. Edital: Anexo 2-A, Área II (Arte Naval), item 4 — Rebocadores · código de obra II.12.

Estabelecer o dispositivo de reboque adequado para uma manobra portuária começa pelo cálculo da força necessária para mover o navio nas condições previstas para o local da manobra. Dependendo do objetivo — reboque, atracação, desatracação ou acompanhamento — a força pode bastar para movimentar o navio longitudinalmente ou ter de ser grande o bastante para girá-lo numa direção e movê-lo transversalmente, sendo a força exigida para mover um navio transversalmente substancialmente maior que a longitudinal. Seja qual for a situação, a força do dispositivo de reboque deve ser suficiente não só para movimentar o navio, mas ainda ser capaz de superar as forças contrárias ao sentido do movimento desejado. A força requerida é calculada em função das características do navio — deslocamento, calado, área de obras vivas e de obras mortas — associadas às condições locais: intensidade e direção do vento, intensidade e direção da corrente, características das vagas e profundidade. O total assim calculado é o valor a que deve corresponder o somatório das forças aplicáveis pelos rebocadores que comporão o dispositivo de reboque.

Usa-se, em geral, o valor da força de tração estática dos rebocadores em toneladas força como indicador da força aplicável por cada um, mas esse dado pode ser insuficiente se não forem considerados o tipo de propulsão e a posição em que o rebocador será usado. Duas ressalvas relativizam o bollard pull declarado em teste: (1) o teste é de tração estática — ponto fixo, comprimento e ângulo do cabo ideais, tempo sempre bom, sem vento forte nem corrente — condição quase impossível de repetir numa manobra real; (2) a regra do teste exige que a tração seja mantida por um certo tempo, mas isso não significa que o rebocador produza aquela potência indefinidamente. Por isso é consenso na literatura especializada considerar apenas 80% da força de tração estática avaliada em teste como efetivamente aplicável durante a manobra. Deve-se ainda descontar os efeitos da corrente de descarga do rebocador contra o navio quando ele opera com volta no costado — praxe descontar 20% da força de tração estática por este efeito. Como o teste é feito, em geral, com o rebocador puxando para vante, num rebocador de propulsão convencional com volta no costado a força aplicável puxando para ré corresponde a aproximadamente metade da força declarada (salvo se o próprio teste já tiver avaliado a força para ré). Por fim, a posição do rebocador — mais próximo ou mais distante das extremidades do navio — e o ângulo do cabo em relação ao eixo diametral e ao plano horizontal influem fortemente na efetividade da força aplicada.

Fatores locais — ventos, correntes e vagas, fortemente influenciados pelo canal de navegação e pelos berços de atracação — fazem com que cada porto costume desenvolver fórmulas próprias, com aspectos empíricos da região. Ainda assim, algumas fórmulas se tornaram conhecidas e são adotadas por entidades internacionais; entre elas, as fórmulas japonesas, baseadas no deslocamento, são as mais utilizadas por atenderem a um conjunto amplo de tipos e tamanhos de navio. O capítulo está dividido nos seis itens do livro — influência do vento, influência da corrente, influência das ondas, bollard pull e número de rebocadores necessários em cada manobra, o aspecto comercial, e resistência dos cabos e pontos de aplicação de força, que encerram o capítulo na página 67. A síntese para o prático ao final desta apostila é acréscimo didático, não seção do livro.

Bollard pull baseado no deslocamento

O deslocamento é a característica mais óbvia para calcular, por modelo matemático, o bollard pull necessário para mover um navio. Das fórmulas pesquisadas, as japonesas são as mais utilizadas e as que atendem a um conjunto mais amplo de tipos e tamanhos de navios; ambas já embutem fatores de segurança conservadores.

2. Influência do vento (1)

A força produzida pelo vento sobre um navio varia basicamente em função da área da superfície do navio atingida por ele. Ventos com ângulo de incidência próximo da normal ao eixo longitudinal têm efeitos muito superiores aos que incidem longitudinalmente; quanto menor o calado ou maior a borda livre, maior a força sobre o costado. Por isso navios com grande área vélica, como os Roll on-Roll off, são muito mais suscetíveis aos efeitos do vento que um navio-tanque ou graneleiro; entre navios de mesma área vélica, o de maior calado sofre menos influência do vento, pela resistência ao abatimento oferecida pela água contra as obras vivas.

Três possibilidades de incidência do vento

Na avaliação do bollard pull requerido para manobrar um navio sob ação de vento, consideram-se três possibilidades: (1) a força produzida pela ação de vento lateral, assim considerado o de ângulo de incidência inferior a trinta graus em relação à normal; (2) a força produzida pela ação de vento longitudinal (de proa ou popa); (3) a força de torção, cujo maior efeito se dá com ventos que incidem na bochecha ou aleta do navio, variando com o formato do navio e com o trim. É na primeira possibilidade que se produzem as forças de maior intensidade e, por consequência, de maior impacto sobre as manobras.

Fórmula da força do vento lateral

A fórmula mais utilizada para o cálculo da força do vento lateral é F_lat = 0,5 . C_lat . r . V² . A_lat, sendo F_lat a força lateral em ton força; C_lat o coeficiente de força do vento lateral; r a densidade do ar (0,00128 ton/m³); V a velocidade do vento em m/seg; e A_lat a área longitudinal em m². O coeficiente C_lat depende do tipo de navio, variando entre 0,08 e 0,10 — de modo que F_lat varia de (0,000051 . V² . A_lat) a (0,000064 . V² . A_lat), dependendo do tipo de navio.

Fórmula sueca e a expressão simplificada

Outra fórmula bastante utilizada, de origem sueca, é F_lat = (área em m² . V²) / (1000 . 18), sendo V a velocidade do vento em m/seg e 18 um fator empírico — o que equivale a F_lat = 0,00005556 . (área em m² . V²). As duas fórmulas apresentam resultados próximos. Utilizando o dado mais conservador e acrescentando um fator de segurança de 25%, bastante razoável para o cálculo do bollard pull com rebocadores operando com cabo nas extremidades do navio, chega-se à fórmula simplificada:

3. Influência da corrente (2)

As forças produzidas pela corrente, como as do vento, variam em função da área do navio exposta à sua incidência: para navios de igual comprimento, quanto maior o calado, maior a força gerada pela corrente.

Folga sob a quilha

Muito importante na avaliação da força da corrente é a relação entre a folga sob a quilha e o calado do navio: quanto menor essa relação, maior a força exercida pela corrente. Em testes com modelos reduzidos em tanque, a força da corrente dobra quando a relação folga sob a quilha/calado se reduz de 1,6 para 0,2. Berços de atracação ou bacias de evolução com folga de 20% do calado sob a quilha são cada vez mais raros — a tendência é considerar até parte do material do fundo, de baixa densidade, como calado navegável, de modo que é normal trabalhar com folgas próximas de zero, o que torna a avaliação do efeito da corrente fundamental para a segurança da manobra. Os efeitos da pouca folga sob a quilha sobre a manobrabilidade são conhecidos: prejuízo no governo, redução da velocidade de giro, aumento do diâmetro tático e do avanço, e aumento do tempo necessário para parar o navio — casos em que é preciso considerar bollard pull adicional.

Fórmula da OCIMF (simplificação de Hensen)

A fórmula mais utilizada para o cálculo do bollard pull necessário para controlar um navio sob ação de corrente é a desenvolvida pela OCIMF, considerando três situações de incidência: (1) corrente incidindo perpendicularmente ao plano diametral do navio, ou em ângulos inferiores a trinta graus em relação à normal (transversal); (2) corrente incidindo longitudinalmente (proa ou popa); (3) força de torção, produzida principalmente por corrente incidindo na direção das aletas ou bochechas, ou pelas diferenças de formato das obras vivas a vante e a ré. O maior impacto, de forma geral, é o da corrente transversal. A fórmula da OCIMF, com a simplificação proposta por Hensen em Tug Use in Port, é F_cl = 0,5 . C_fcl . r . V² . L_bp . T, sendo F_cl a força da corrente lateral em ton força; C_fcl o coeficiente da força da corrente lateral (depende da razão folga sob a quilha/calado); r a densidade da água em ton/m³; V a velocidade da corrente em m/s; L_bp o comprimento entre perpendiculares em metros; e T o calado em metros.

A força produzida pela corrente, ao passar de águas profundas para um canal de navegação ou bacia de evolução — onde é comum haver folga sob a quilha de 10% do calado —, é multiplicada em quase cinco vezes, o que demonstra a importância desse dado na avaliação do bollard pull necessário. O mesmo parâmetro de segurança de 25% considerado para o vento pode ser utilizado para a força da corrente, no caso de rebocadores com cabo passado nas extremidades do navio.

4. Influência das ondas (3)

Não é fácil dimensionar a intensidade da força gerada pela ação de ondas sobre um navio em manobra. Quando as ondas têm dimensões capazes de produzir efeitos importantes, dificilmente uma manobra portuária com rebocadores pode ser realizada, pelas limitações dos próprios rebocadores, principalmente se utilizados no costado. Também não há, em geral, pista suficientemente extensa para o desenvolvimento completo de ondas com essas características, já que as áreas portuárias costumam ficar em baías ou foz de rios e, mesmo quando em mar aberto — caso de alguns terminais na costa brasileira —, são protegidas das ondas oceânicas por quebra-mares.

Em condições de tempo extremas, as ondas podem produzir, especialmente em navios com pouca carga, força de torção que, dependendo da proximidade do berço, é capaz de provocar choques com velocidade superior à suportável pelas defensas, com danos ao navio e ao cais; além disso, da mesma forma que os balanços e as arfagens, os cabeceios podem provocar a quebra dos cabos de reboque, o que pode redundar em acidente grave. Estes são considerados os principais efeitos negativos das ondas sobre as manobras nos portos brasileiros.

Fórmula de Hensen para a força das ondas

A fórmula citada por Hensen para a avaliação da força gerada pelas ondas sobre o navio, aplicável apenas a ondas formadas por ação do vento em áreas limitadas, é F_ondas em ton força = 0,112 . L . H_s², sendo L o comprimento entre perpendiculares em metros e H_s a altura das ondas medida do cavado à crista em metros. O resultado já inclui fator de segurança de 25%.

5. Bollard pull e número de rebocadores necessários em cada manobra (4)

A determinação do total do bollard pull indicado para uma manobra, a partir dos conceitos e fórmulas apresentados, é o desenvolvimento natural deste capítulo: é a combinação das condições locais com as características do navio que indica, empiricamente, o bollard pull e o número de rebocadores adequados. As fórmulas ou tabelas são instrumento auxiliar, mas não substituem a prática e a observação locais. As condições do navio indicam, em geral, que elementos terão maior ou menor efeito: para um VLCC totalmente carregado, o resultado baseado no deslocamento ou na corrente tende a superar em muito o baseado no vento; para um Ro-Ro, o efeito do vento tende a superar o da corrente e, com frequência, o bollard pull calculado a partir do vento supera até o necessário pelo deslocamento.

Sete exemplos numéricos

Os resultados, comparados com a experiência prática, podem parecer exagerados para alguns ou insuficientes para outros, sempre em função das condições locais. Duas percepções importantes: a grande influência da folga sob a quilha sobre o efeito da corrente, e a diferença entre a força produzida por vento e corrente em função do calado e da área vélica do navio. Não foi considerada, nesses exemplos, a influência das ondas, por sua pouca expressão diante dos demais efeitos; tampouco foi avaliado isoladamente o impacto da massa hidrodinâmica — a massa de água arrastada junto ao costado quando o navio se move lateralmente, que se soma ao deslocamento no momento de parar o movimento transversal. Esse efeito, importante para o dimensionamento de defensas, é pouco considerado na definição do bollard pull necessário; testes indicam que, com folga sob a quilha muito reduzida, a massa hidrodinâmica pode alcançar até 100% do deslocamento do navio — normalmente os valores são bem mais baixos (menos de 20%) e são facilmente compensados pelos fatores de segurança das fórmulas.

Número ideal de rebocadores

Definido o total do bollard pull, resta dividi-lo por um número ideal de rebocadores — decisão baseada no tipo de manobra e, principalmente, no bollard pull individual de cada rebocador disponível. Em geral esse número varia entre dois e seis. Menos de dois rebocadores, considerando o porte dos navios mercantes atuais, são insuficientes para uma manobra segura, salvo se o navio tiver recursos adicionais como side-thrusters ou lemes especiais. Mais de seis rebocadores, mesmo num ULCC, resultam em bollard pull efetivo aplicado inferior ao que teoricamente somam, pela dificuldade de otimizar as posições de cada rebocador de forma a produzir um binário eficaz — tanto quanto ao ponto ideal de aplicação da força quanto ao sincronismo das atuações. Um número reduzido de rebocadores mais fortes aumenta a eficiência e a economia do sistema; já mais rebocadores com bollard pull individual menor garantem que, em caso de falha de um rebocador ou quebra de um cabo, apenas um pequeno percentual do bollard pull total seja perdido, sendo mais fácil substituí-lo ou reposicionar os demais.

Método europeu x método americano

Complica a comparação a diferença entre o método europeu — rebocadores operando com cabo nas extremidades do navio — e o método americano — operação push/pull no costado do navio. Com apenas dois rebocadores, o método europeu impõe o uso de embarcações de apoio para a passagem de cabos, especialmente em navios maiores ou com vento/corrente significativos: os rebocadores puxam o navio até certo ponto, mas precisam parar e mudar de bordo quando a distância ao cais se torna menor que o comprimento dos cabos, passando a controlar a velocidade de aproximação às defensas — havendo força contrária, o navio pode nem chegar a encostar. Pelo método americano essas dificuldades ficam superadas, mas é preciso acrescentar ao bollard pull um fator de segurança de até 20%, se os rebocadores forem azimutais ou cicloidais (perda de eficiência operando no costado), ou mais de 50%, se forem convencionais (compensando a redução do bollard pull puxando para ré).

O padrão médio internacional é de dois ou três rebocadores para navios com menos de 80.000 t de deslocamento, três entre 80.000 e 200.000 t, e de quatro a seis acima de 200.000 t — números que dependem das características dos rebocadores disponíveis no porto e do tipo de manobra. Uma desatracação costuma demandar menos rebocadores que uma atracação, e um navio leve pode ser manobrado com menos bollard pull que quando carregado.

Navios dotados de side-thrusters geralmente dispensam pelo menos um rebocador nas manobras de atracação e desatracação, não sendo normal dispensar rebocadores em manobras de acompanhamento; os equipados com lemes especiais também podem dispensar um rebocador, conforme a manobra. Ainda assim, é comum utilizar pelo menos um rebocador, mesmo que permaneça apenas stand by. Não se considera, como parte do bollard pull disponível, a força produzida pela ação do hélice do navio sobre o leme totalmente carregado para um bordo — embora essa força possa superar, em vários navios, o bollard pull de um rebocador, ela se decompõe em componente lateral e longitudinal (que dá seguimento ao navio); por isso práticos e comandantes só a utilizam em emergência, quando a ação dos rebocadores não basta para levar a popa à direção desejada.

6. O aspecto comercial (5)

A função do rebocador é permitir manobras que seriam demasiado arriscadas contando apenas com os recursos do navio; em última análise, sua finalidade numa manobra é prover segurança ao navio. Embora seja consenso que a segurança vem em primeiro lugar, o custo associado ao uso de rebocadores influencia as decisões tomadas a bordo — não fosse assim, adotar-se-ia como padrão o maior número possível de rebocadores da maior capacidade para uma manobra à prova de imprevistos, o que criaria custos insuportáveis para o comércio marítimo.

Toda manobra tem um grau de risco que varia com as condições e os recursos disponíveis; o usual é, a partir de um balanço dessas variáveis, optar por uma configuração de rebocadores que permita realizar a manobra dentro de um grau de risco aceitável. Técnicas de análise de risco vêm sendo usadas com frequência crescente nesse processo, elevando o nível de perícia exigido dos práticos, já que a tendência é usar apenas os recursos mínimos necessários.

Para buscar o menor custo possível, é útil conhecer a forma de cobrança dos serviços dos rebocadores: se a manobra é cobrada pelo tempo à disposição, o comandante deve saber dispensar os rebocadores tão logo seu uso se torne desnecessário; havendo preço diferenciado por tipo de operação — com cabo passado, empurrando no costado sem cabo, acompanhando sem cabo etc. —, essa diferença deve ser considerada ao definir o posicionamento dos rebocadores, buscando o melhor uso pelo menor custo. Embora a segurança seja indiscutivelmente o fator principal, decisões tomadas sem considerar esses outros aspectos podem trazer consequências negativas a interesses econômicos legítimos, sem qualquer redução efetiva dos riscos da manobra.

7. Resistência dos cabos e pontos de aplicação de força (6)

Práticos e mestres de rebocadores com algum tempo de atividade já se depararam com situações em que o cabo de reboque partiu, comprometendo a segurança da manobra — com perda do controle do navio manobrado e risco de vida para quem manipula os cabos, guarnições do navio e do rebocador, e mesmo amarradores, quando a manobra ocorre próxima do cais. Quando o cabo utilizado é o do navio, não há garantia prévia de sua qualidade e conservação, e a atenção é sempre redobrada — toda a manobra é orientada por essa preocupação.

Comprimento e resistência do cabo de reboque

Quando os rebocadores manobram com cabo no gato, é comum usar dois cabos saindo da mesma buzina ou tamanca do navio, ajustados ao mesmo comprimento; ainda assim, o bom resultado depende de os cabos serem compatíveis com a força de tração do rebocador e terem a mesma elasticidade e resistência. O comprimento do cabo é outro fator importante: quanto mais longo, maior a capacidade de resistir às lupadas e menor o ângulo em relação à horizontal — o que propicia melhor resultado na aplicação da força de tração. Um cabo muito curto pode fazer com que parte substancial da força do rebocador se perca pelo efeito da corrente de descarga do rebocador contra o costado; além disso, para rebocadores próximos à proa, a descarga do hélice ao contornar a proa cria uma corrente longitudinal ao casco no outro bordo, podendo resultar em queda de pressão significativa naquele bordo e levar o navio a se movimentar inesperadamente no sentido contrário à força do rebocador — efeito explicado pela lei de Bernoulli, segundo a qual o aumento de velocidade do fluido resulta em queda de pressão proporcional ao quadrado da velocidade. Esse fenômeno, conhecido em navegação como efeito Coanda, verifica-se com alguma frequência, principalmente em manobras em águas rasas.

Recomenda-se, em algumas publicações, um comprimento — operando com cabo da proa ou popa do navio — entre 1,5 e 2 vezes o comprimento do rebocador; outra referência frequente sugere um comprimento igual ao somatório da boca do navio com o comprimento do rebocador. O importante é que comandante, prático e mestre do rebocador avaliem, considerando o espaço disponível para a manobra, um comprimento de cabo que evite os efeitos negativos citados e permita, se necessário, a passagem segura de um bordo para o outro pela proa ou popa do navio.

Cabo do rebocador e fator de segurança dos cabos de reboque

Quando o cabo utilizado é o do rebocador, sua confiabilidade é substancialmente favorecida: é geralmente dimensionado para aquele rebocador específico, considerando potência, força de tração e características de manobra; se sai de um guincho, ainda melhor, pois permite administrar o comprimento conforme a necessidade do momento. Internacionalmente, os fatores de segurança para a resistência dos cabos de reboque variam entre duas e seis vezes o bollard pull do rebocador; o fator normalmente praticado é de quatro vezes o bollard pull — valor razoável, já que cargas superiores a duas vezes o bollard pull são frequentemente verificadas durante as manobras. Os cabos de aço, quando submetidos a carga correspondente a dois terços da carga de ruptura, deformam-se de forma definitiva; por esses parâmetros, fatores de segurança inferiores a quatro vezes o bollard pull são inaceitáveis para esse material.

As empresas de rebocadores, e especialmente suas guarnições, cuidam da manutenção desses cabos, com rodízio planejado das partes mais expostas e substituição periódica de todo o cabo — embora aconteça, é incomum que partam. Também não é comum, na maioria dos portos brasileiros, a quebra de guinchos e gatos de escape do rebocador: são bem dimensionados e mantidos, embora não exista norma que imponha a verificação desses equipamentos e dos cabos dos rebocadores no licenciamento pela Autoridade Marítima Brasileira. Mais raro ainda, até pouco tempo, era a ruptura de cabeços e buzinas de navios pela ação dos cabos em manobras com rebocadores — mas, com o aumento da potência dos rebocadores e o desenvolvimento de manobras que aplicam forças bastante superiores à tração estática do rebocador, esse fato vem se tornando perigosamente frequente, especialmente em operações de escolta, onde se concentram rebocadores de maior potência; mesmo em manobras portuárias, é comum que rebocadores dimensionados para navios de grande porte atuem em navios menores sem cabeços e buzinas compatíveis com a potência desses rebocadores. Um cabo partindo, ou um cabeço ou buzina quebrando, causa a indisponibilidade imediata do rebocador para auxiliar a manobra, além do risco de lesão ou morte de tripulantes do navio e do rebocador; o tempo até uma nova conexão, se o rebocador ainda estiver em condições, pode ser demasiado, permitindo que a manobra resulte em acidente.

8. Síntese para o prático

O bollard pull declarado em teste nunca é o bollard pull disponível na manobra: descontar 20% pela corrente de descarga contra o costado quando há volta no costado, contar apenas metade da força para rebocador convencional puxando para ré, e lembrar que só 80% da tração estática de teste é considerada efetivamente aplicável. O deslocamento dá o piso do bollard pull necessário (fórmula 1 para navios grandes, fórmula 2 — deslocamento/1.000 — para os menores que 100.000 t); vento, corrente e ondas somam-se ou substituem esse piso conforme o que for maior em cada caso — nunca se somam automaticamente vento e corrente sem checar se atuam no mesmo sentido ou em sentidos opostos.

A folga sob a quilha é o fator que mais amplifica a força da corrente — de 0,031 . V² . Lbp . T em águas profundas para 0,150 . V² . Lbp . T com folga de 10% do calado, quase cinco vezes mais —, o que torna a corrente, em canais e bacias de evolução rasos, muitas vezes mais determinante que o vento. O número de rebocadores segue o padrão de dois ou três abaixo de 80.000 t de deslocamento, três entre 80.000 e 200.000 t, e quatro a seis acima disso, sempre lembrando que menos de dois rebocadores raramente é seguro e mais de seis perde eficiência de binário. O método americano (push/pull) elimina a necessidade de embarcação de apoio para passar cabo, mas exige acrescentar até 20% (rebocadores azimutais/cicloidais) ou mais de 50% (convencionais) ao bollard pull calculado. No cabo de reboque, o fator de segurança internacional varia de duas a seis vezes o bollard pull, e o usualmente praticado é quatro vezes o bollard pull do rebocador, e um cabo curto demais expõe o navio à corrente de descarga e ao efeito Coanda — sobretudo em águas rasas. E, por trás de toda a conta, o aspecto comercial: a forma de cobrança do rebocador deve pesar na decisão de quantos e por quanto tempo usá-los, sem nunca comprometer a segurança da manobra.