1.     Introdução

O projeto pode ser definido como uma atividade que envolve a produção de desenhos, especificações e outras informações necessárias para construir um objeto. O processo de concepção do projeto inicia-se com um problema de engenharia que será solucionado, para isso faz-se necessário formular, desenvolver e validar soluções para esse problema. Como as variáveis envolvidas no projeto de uma embarcação são tão complexas e dependentes a ponto de não serem resolvidas diretamente por um conjunto de equações, faz-se necessário o desenvolvimento de métodos capazes de abordá-lo estrategicamente. Esse processo de concepção inclui a divisão do objeto por função, o particionamento do processo de projeto em um conjunto de decisões e o planejamento da sequência em que essas decisões serão tomadas.

2.     Objetivo

O referente trabalho tem como objetivo principal projetar um navio porta-contentor utilizando um método coerente e que seja capaz de organizar de forma lógica o proceso de obtenção da solução. Essa solução deve ter compromisso com o desejo dos projetistas.

3.     Contextualização

3.1.          Contexto técnico

3.1.1.   Contêiner

            O navio porta-contêiner ou navio porta-contentor é concebido especificamente para o transporte de contêineres. Existem duas padronizações de contêineres: os de 20 pés e os de 40 pés referentes a 1 TEU e 2 TEU’s (twenty feet equivalent unit) respectivamente. Suas dimensões externas e internas são:

20’: Comprimento = 6.058 mm; Largura = 2.438 mm; Altura = 2.591 mm (externas)

       Comprimento = 5.900 mm; Largura = 2.352 mm; Altura = 2.395 mm (internas)

40’: Comprimento = 12.192 mm; Largura = 2.438 mm; Altura = 2.591 mm (externas)

       Comprimento = 12.022 mm; Largura = 2.352 mm; Altura = 2.395 mm (internas)

40’ High Cube: Comprimento = 12.192 mm; Largura = 2.438 mm; Altura = 2.90 mm (externas)

Comprimento = 12.022 mm; Largura = 2.352 mm; Altura = 2.59 mm (internas)

Quanto à modalidade, esses podem ser classificados a seguir:

A)    Contêiner de carga seca: Adequado a qualquer tipo de carga que não demande controle de meio ambiente quando em trânsito. Uma variação vendo sendo utilizada, que consiste no carregamento pela lateral do contêiner.

B)    40’ (pés) High Cube: Sua altura é ligeiramente superior a de um contêiner de 40’ de carga seca. Utilizado para o transporte de cargas de alto volume e baixo peso. Uma variação vendo sendo utilizada, que consiste no carregamento pela lateral do contêiner.

C)    Contêiner Open Top: Utilizado para cargas com altura superior a do contêiner ou onde o carregamento e o descarregamento pelas laterais e portas finais não é possível.

D)    Flats: Especialmente utilizado para cargas onde as dimensões verticais e transversais da carga ultrapassem as do contêiner.

E)     Plataforma: Designado para cargas pesadas onde todas as dimensões excedem as do contêiner.

F)     Contêiner Ventilado: Designado para cargas especiais que necessitem de ventilação. A ventilação natural é providenciada por aberturas no topo e no fundo das calhas longitudinais.

G)    Contêiner Refrigerado (Reefers): Isolante e equipados com sistema de refrigeração embutido, gerado por conexões elétricas diretas. Os cabos conectores geralmente possuem um comprimento de 18 metros. Isso significa dizer que para um navio porta-contêiner a geração de energia é como fonte de suprimento para esse tipo de contêiner é de grande importância.

H)    Contêiner tipo Tanque: Designados para cargas líquidas; comidas e produtos químicos.

I)       Contêiner para o transporte de animais vivos: Configurado para o transporte de animais; os contêineres são disponíveis para o transporte de gado, aves domésticas e outros animais.

J)       Contêiner Isolante: Designado para cargas que não poderiam ser expostas a mudanças rápidas ou bruscas de temperatura. Disponíveis em versões ventiladas e não ventiladas. Algumas transportadoras provêm contêineres com sistema de aquecimento para uso especial.

Figura 1 - Tipos de contêineres

                O navio porta contêiner é dito linear, pois a carga transportada caracteriza as dimensões principais da embarcação. As dimensões do contêiner de 20’ ditam as medidas do pontal e da boca da embarcação, por conseguinte o comprimento da mesma.

3.1.2.    Navio Porta-Contêiner [u1] 

Essas embarcações realizam serviço de transporte fixo em intervalos regulares, entre portos e terminais portuários pré-estabelecidos e costumam ter uma velocidade de serviço superior à dos cargueiros tradicionais. A figura 4 ilustra as caracteristicas fisicas presentes nesse tipo de embarcação.

Figura 2 - Porta – Contêiner

O navio porta contêiner para esse projeto pode ser representado basicamente pelos seguintes elementos funcionais: Forma, Sistema de Governo, Superestrutura, Compartimentação/Arranjo[u2] , Sistema Propulsivo e Estrutura. Esses elementos funcionais são as características físicas propriamente ditas da embarcação. Existem outros elementos que constituem a embarcação, porém estrategicamente eles não serão colocados em evidência. As partes do navio porta contêiner evidenciadas para esse projeto são definidas abaixo.

Forma[RdC3] : Diz respeito à geometria do casco. Garante espaço para carga, acomodação, praça de máquinas dentre outros. Fornece parte do equilíbrio e da estabilidade, também gera resistência ao avanço e fornece junto com a inércia as características do seakeeaping e de controlabilidade.

Sistema de Governo: Diz respeito ao leme e seus equipamentos. Fornece a controlabilidade da embarcação.

Superestrutura[u4] : A superestrutura tem fundamental importância, pois é a estrutura física da embarcação que pode viabilizar um maior alcance de visada, transportando mais carga no convés, desde que não comprometa seu arranjo interno.

Compartimentação/Arranjo de contêineres[u5] : É a segregação dos espaços destinados aos porões de carga e consumíveis sendo realizado em conjunto com a localização dos contêineres a bordo tanto nos porões, quanto no convés. Define a distribuição de pesos, por conseguinte, é um fator importante no equilíbrio e na estabilidade.

Sistema Propulsivo: É a interação entre o casco, motor principal e propulsor capaz de propelir a embarcação a velocidade desejada.

Estrutura: Fornece consistência a forma e resiste às solicitações ambientais, da carga transportada e dos equipamentos de bordo. Ela deve trabalhar como um todo e como fornece o maior peso não rentável, a eficiência a ela atribuída deve ser atingida levando em conta o ganho da estrutura e o custo a ela associado.

3.1.2.1.               Operação

Na atividade de operação, existem algumas considerações a serem levantadas. Na manobra de carga e descarga devemos considerar a estivagem de carga em diferentes posições, minimizando o número de remoções. Isso acarreta um certo desequilíbrio na embarcação que deve ser contrabalanceada por um volume de lastro, de forma a haver uma compensação de trim e altura metacêntrica. As dimensões dos tanques de lastro devem ser tais que possibilitem um volume de lastro suficiente para essa operação e, ainda, para a inspeção humana. Para isso será estabelecido uma altura do duplo fundo de 1.7 m, facilitando também o acesso aos tanques.

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Figura 3 - Operação de Carga/Descarga

Se obtivermos um carregamento/descarregamento inadequado, corremos o risco de termos a embarcação com sérios problemas de estabilidade e de danos estruturais. Para facilitar a carga e a descarga, as escotilhas tomam praticamente 90% da boca, com isso há perda de parte do convés resistente e consequentemente problemas estruturais, principalmente torção, poderão surgir caso o projetista não se resguarde. Existem projetistas que adotam de 1 a 1.5m para o costado duplo, mas os projetistas mais conservadores utilizam de 2 a 2.5m. Para se resguardar de possíveis problemas[u6]  com torção será adotado a postura dos conservadores. A partir daí podemos tirar uma expectativa, a resistência estrutural.

 

                                                                  Figura 4 - Cargas sobre o navio Porta – Contêiner                                                                Figura 5 - Porta Contêiner Partido

Para o posicionamento dos contêineres no navio existe um sistema de referências que são mais conhecidas por jargões técnicos. Por isso, se faz necessário uma apresentação prévia para melhor identificação:

Bay:

Sentido longitudinal, da proa para popa, na bay ímpar, onde todos os contêineres de 40’ são posicionados na bay par.

Figura 6 - Bay

            Row:

            Sentido transversal, de BE para BB, onde é ímpar à BE e par à BB.

Figura 7 - Row

Tier:

Sentido vertical a partir do duplo fundo, onde é contado de 2 em 2. No convés a contagem é realizada de forma diferente: Inicia-se com a posição do contêiner mais alta no porão, e a unidade segue a contagem anterior, como por exemplo: 82,84...

Figura 8 - Tier

Guindaste

            Equipamento utilizado para auxiliar a estivagem dos contêineres. Geralmente muito requisitado em portos onde a infraestrutura é precária.

3.1.2.2.            Capacidade de Carga

Carga no Porão

Os porões do conteneiro são equipados com células guia (cell guides), que servem para receber e ajudar na estivagem dos contêineres. Para agilizar as operações de carga e descarga devemos considerar ainda uma condição satisfatória de trim que possibilite um encaixe do contêiner na célula guia. Para isso será estabelecido que a variação de trim, desde a situação totalmente carregada até a situação em que a embarcação terá o minimo dos consumíveis, será a menor possível. Nota-se que para esse tipo de embarcação o equilibrio é muito importante, por isso os projetistas o adotaram como uma expectativa.

Figura 9 - Cell guides

Carga no Convés

Como a carga está protegida no interior do contêiner, essa embarcação pode transportar carga no convés, com pilhas chegando até a sétima tier (contêineres empilhados na vertical) acarretando elevação do centro de gravidade e aumento da área exposta ao vento. Logo, a estabilidade deve ser tratada com rigor, tomando cuidado para não elevar demasiadamente a altura metacêntrica, pois ela influi nas respostas dinâmicas da embarcação fazendo com que os esforços sobre a estrutura do contêiner, dos equipamentos de peação e do navio cresçam demasiadamente e, como consequência, percam contêineres e desenvolvam avarias no navio e na carga. Outro fenômeno importante a ser evitado é a excitação paramétrica, que é a amplificação do roll causado pelo mar de proa. Esse efeito é dependente do período de encontro das ondas/ período natural de roll e da altura da onda. As questões levantadas sugerem as seguintes expectativas: Estabilidade e Seakeeping.

Para manter a visibilidade do passadiço[RdC7] , a altura da pilha de contêineres não deve exceder a linha de visada estabelecida que é determinada por regra, sendo definida como a reta que une o passadiço a um ponto localizado na superfície da água dada uma distância de dois comprimentos do navio ou 500 metros. Esse limite leva em consideração a altura vertical da superestrutura. Logo a expectativa visibilidade é requerida.

Figura 10 - Segurança da Carga

3.1.2.3.            Praça de Máquinas

            Como a velocidade dos navios porta-contêiner é relativamente alta, para poder cumprir os prazos de entrega da carga, faz-se necessário a utilização de motores de alta potência. Com o objetivo de termos a menor potência instalada possível é necessário que a resistência ao avanço seja baixa, introduziremos, portanto, a expectativa resistência ao avanço. Para este tipo de embarcação os motores de baixa rotação são os mais adequados, pois esses motores possuem maior eficiência e apresentam menor consumo comparado com os de média rotação, é conclusivo dizer que as dimensões do motor serão expressivas acarretando em uma localização do mesmo numa posição mais a vante, de modo a caber dentro da praça de máquinas. Mesmo com os motores de baixa rotação o consumo é bem alto, portanto introduziremos a expectativa eficiência propulsiva, vislumbrando o menor consumo.

            Na seção 3.1.1 deste relatório chamamos a atenção sobre os contêineres refrigerados que demandam um fornecimento de energia. Portanto, a praça de máquinas deverá ser equipada com um sistema de geradores voltados não somente ao consumo interno da embarcação, mas também, para o suprimento das necessidades dessas unidades. Para a embarcação desse projeto será considerado a estiva de contêineres refrigerados (Reefers) apenas no convés, na bay próxima a praça de máquinas. Nos navios em que os reefers são estivados dessa maneira, foram necessários três geradores de 1500W, para aproximadamente 120 reefers além das necessidades de bordo, não havendo problemas na obtenção dos geradores nem na sua localização, visto que o maior problema é alocar o MCP na praça de máquinas.

Figura 11 - Contêineres refrigerados

3.1.2.4.            Elementos de Peação

            Os elementos de peação são equipamentos destinados à fixação do contêiner no navio, que tem como objetivo restringir o movimento da unidade para que não ocorra nenhum tipo de acidente. Além disso, impedir que a carga seja lançada ao mar em alguns casos mais extremos. Os esforços admissíveis dos equipamentos de peação e do contêiner, com os fatores de segurança apropriados determinam as alturas das tiers no convés [RdC8] e no porão que a embarcação pode ter, considerando um peso uniforme ou variado para cada contêiner.

Figura 12 - Equipamentos de Peação

Identificação dos elementos de peação

 

Peação de convés/porão

1. Castanha ou cone de fixação.

2. Fueiro ou plugue circular.

5. Soquete, placa base (para ser usada com o 21)

15. U-frame, (base em U, podendo ser usada com os N° 13, 17)

22, 24. Chaves de inserir, 3 tipos (sunken, flush, raised)

 

Peação de contêineres

1. Pino de fundo, base cone ou castanha,  (… para ser usado com o n° 2)

21. bottom stacking cone ( para ser usado com o n°5, 12, 22, 23)

23. guide cone,

 

Sistemas de empilhamento de contêiners e travamento

4. Cone para empilhamento, Cone de empilhamento intermediário.

11. Cone de travamento, pino de travamento (withlocking pin)

14, 16, 17. Cone de torção e travamento (twistlock)

20. Espaçador, Cone de compensação, spacerfitting (with cone top andbottom)

8, 19. Bridge fittings (travas reguláveis/braçadeiras)

25. Duplo empilhador (non-adjustablebruisefitting)

 

Terminais de amarração (Lashing points)

6. D-ring, olhal de amarração (peação)

 

Equipamento de Peação

7, 9. Esticadores, correntes, esticadores ajustáveis (loadbinders)

7. Correntes para peação com macaco esticador, ou tensionador

9. Sistema usando cabos de arame, com tensionador tipo parafuso and (turnbuckle)

18. Travamento por antepara (bulkhead bridge fitting)

 

Outros equipamentos para peação

10. Barra de segurança, conector (penguin hook, elephant’s foot, eye hook)

3.1.2.5.            Porte dos navios

O aumento do porte dos navios foi um caminho traçado naturalmente, já que desde a inserção do contêiner era previsto ganhos com a economia de escala. O grande problema desta evolução, não está em construir grandes embarcações, pois os lucros da utilização do contêiner tornam viáveis tais construções, mas sim, de uma infraestrutura operacional rudimentar de muitos portos e profundidade das vias navegáveis limitadas que defrontam com as exigências de melhorias por parte das operadoras. Isso porque quanto maior o navio, maior a exigência de calado dos canais de acesso e dos berços de atracação dos portos.

A infraestrutura operacional limitada dos terminais portuários convencionais é definida pela pouca quantidade e capacidade dos guindastes e de outros equipamentos. Outro fator limitador para o acesso marítimo de alguns terminais é o calado aéreo.

Existem ainda algumas divisões atribuídas em relação à capacidade de carga transportada do navio porta-contentor. Sejam elas:

 

Classificação                                                 Capacidade de Carga

Small Feeder                                                  Até 1000 TEU’s

Feeder                                                            1.001 – 2.800 TEU’s

Panamax                                                        2801 – 5.100 TEU’s

Post-Panamax                                                5.101 – 10.000 TEU’s

New-Panamax                                                           10.001 – 14.500 TEU’s

ULCV (Ultra Large Container Vessel)         14.501 TEU’s

Essas divisões bem como a evolução do número de embarcações construídas podem ser vistas na figura abaixo.

Figura 13 - Evolução do número de embarcações construídas

3.1.2.6.            Feeder Service

As grandes empresas de navegação tem optado pela operação de navios feeders no chamado feeder service, já que o acesso a portos de países subdesenvolvidos tem crescido, e os navios utilizados neste serviço possuem características compatíveis com esses portos, gerando maior flexibilidade nas operações. O feeder service é caracterizado por operações de movimentação de grandes volumes de carga de importação e de exportação em portos concentradores (HUB’s) para posterior distribuição para portos e terminais portuários de menor capacidade, esse serviço é realizado em navios de menor porte (feeders) na navegação de cabotagem. Essas embarcações, alimentadoras possuem as seguintes características: capacidade de carga de 1001 a 2800 TEU e boca máxima de 30.2 m.

Figura 14 - Características Feeder (MAN)

Figura 15 - Número de Rows (MAN)

OBS: uma row corresponde a 2.5m da boca.

A utilização de navios feeders traz vantagens que geram ganhos econômicos para o setor portuário, pois não são necessários muitos investimentos na infraestrutura portuária e também para os operadores de contêiner, já que os contêineres conseguiriam chegar ao seu destino final. Com isso, as dimensões desses grandes navios não seriam mais um problema. Algumas vantagens percebidas são:

·         Redução dos custos gerados pela dragagem de aprofundamento e de manutenção dos portos menores, visto que o calado dos navios feeders será compatível com a profundidade dos portos;

·         Redução nos investimentos em equipamentos maiores e com maior capacidade, devido ao tamanho desta embarcação;

·         Torna possível a movimentação de contêineres em diferentes canais de acesso facilitando operações de transbordo;

·         Melhoria no transporte multimodal, gerando mais competitividade através do feeder service;

 

3.1.3.     Cabotagem

As companhias do setor enfrentam excesso de capacidade em relação à demanda. Esta realidade deixou ancorados nos portos, no início de janeiro, 246 navios ao redor do mundo, o equivalente a 595 mil TEU’s (contêiner equivalente a 20 pés), ou 3,9% da capacidade de carga da frota mundial, estimada em 15,4 milhões de TEU’s. E não está descartado que a frota de porta-contêineres parada possa chegar a um nível semelhante ao registrado no fim de 2009, quando o mundo ainda sentia os efeitos da crise financeira do ano anterior.

Ao contrário do que ocorreu em 2009, a crise econômica internacional não teve impacto na movimentação portuária brasileira em 2011. Muito pelo contrário. De janeiro a setembro de 2011, o volume de carga movimentada superou em 11,07% o total registrado ao longo de todo o ano de 2010.

É importante ressaltar com dados reais a evolução do transporte de contêineres na cabotagem brasileira.

Figura 16 a), b) - Evolução no transporte de contêineres

Ocorreu, de fato, um aumento muito grande da carga em contêineres, e a tendência é que ela continue crescendo, por isso escolheu-se a cabotagem brasileira como local de ação. Outro aspecto já mencionado é o aumento do porte dos navios. Porém, o Brasil esbarra nas seguintes limitações para aumentar a capacidade de carga dos navios porta- conteineres: Déficit da capacidade retroaérea dos terminais de contêiner e da infraestrutura de acesso (falta de dragagem nos canais). As consequências dessas limitações são: Longa espera para atracação dos navios, baixa prancha (taxa de movimentação dos contêineres) e utilização parcial da capacidade dos navios. Essas consequências interferem no projeto, logo é necessário ter em mente uma embarcação que tenha uma capacidade que garanta flexibilidade de acesso aos portos, que não seja exagerada para não ficar muito tempo no porto impossibilitando a entrega da carga internada a bordo. Isso pode ser contornado limitando o tamanho da rota, em distância, e/ou o número de portos. A consideração de todos esses fatores pode acarretar numa embarcação restrita a determinada(s) rota(s), ou seja, nada flexível a mudanças na estrutura portuária e nos fluxos de contêiner entre portos, então uma visão global do cenário incluindo os fatores que interferem no objeto de projeto deve ser considerada.

Para chegar a uma capacidade que atenda as questões acima serão analisadas as características portuárias, as empresas que prestam serviço na cabotagem e o tamanho das embarcações que estão em construção. A figura abaixo ilustra os portos fluviais e marítimos brasileiros.

Figura 17 - Portos Brasileiros

Os terminais de contêiner possuem equipamentos que auxiliam na movimentação de contêineres do porto para o navio e vice-versa. Em portos com pouca infraestrutura, nota-se apenas a presença de guindastes em pouco número, enquanto nos portos mais sofisticados observa-se a presença de Portêineres, equipamentos de maior capacidade de carga e maior velocidade de operação.

Figura 18 - Guindaste do porto de Manaus                                                            Figura 19 - Porteiner

 

Para restringirmos a operação de nossa embarcação, levantaremos a hipótese de somente incluirmos na rota os portos com uma movimentação relevante de contêineres. Para isso, foi feito um mapeamento da quantidade de TEU’s movimentado pelos portos brasileiros nos últimos anos, de acordo com a figura abaixo:

Figura 20 - Movimentação de Contêiner na cabotagem

Em seguida, foram escolhidos os dez portos com as maiores movimentações de contêineres e junto a isso, levantado os dados operacionais de todos esses portos. Esses dados estão apresentados na tabela 1. Nota-se que os portos limitantes em calado são os portos de Manaus e São Francisco do Sul, com calado de 10 m.

Tabela 1 - Características dos principais Portos por região

 

            Na tabela 2 a seguir, são listadas as informações acerca das frotas das empresas de navegação que realizam serviços na cabotagem brasileira. Essas informações dizem respeito ao ano de construção dos navios, da capacidade de carga, da situação (própria ou afretada), os meses de operação, a frequência, os portos atracados e as principais cargas transportadas. Ao observarmos os portos considerados, percebemos que são os portos de maior movimentação de contêineres. Esses dados confirmam a hipótese inicial dos projetistas de que as rotas praticadas pelas empresas cobrem os portos de maior movimentação.

Tabela 2 - Empresas que realizam serviços na cabotagem

                As figuras a seguir servem para ilustrar as rotas das empresas que prestam serviço na cabotagem brasileira.

Figura 21 - Serviço praticado pela Aliança

Figura 22 - Serviço praticado pela Login