Projeto Preliminar VF

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Projeto Preliminar
Mineraleiro da Classe VALEMAX
Grupo 04:
Henrique Rossi Di Gioia Manhães
Pedro Baptista da Rocha Deus
Vinícius Dimetre Salomão
Introdução à Teoria de Projeto
Prof. José Henrique Erthal Sanglard
Prof. Carl Horst Albretch
Contextualização
Mineraleiro da Classe VALEMAX
Enorme demanda da China por commodities.
Necessidade de navios maiores para atender a demanda e competir com a Austrália.
Restrição dos portos de atuação, devido ao calado requerido.
Grande quantidade de carga transportada permite um menor custo de frete.
Requisitos e restrições de projeto
Restrições
Dimensões principais da classe VALEMAX.
Restrição de Calado máximo de 23,5 m - Porto Ponta da Madeira.
Requisitos
Capacidade para 400000 toneladas de minério de ferro.
Velocidade de serviço de 14,75 nós.
Autonomia para 90 dias.
Rota de navegação
Metodologia
Metodologia apresentada no trabalho 2.
Modificações:
Viabilidade econômica passou a ser o último processo.
Estimativa de peso leve após o dimensionamento do sistema propulsivo
Composição do cg da carga passou a ter um processo próprio.
Dimensionamento estrutural e topologia se tornaram virtualmente o mesmo
Definição do sistema propulsivo foi detalhado em sub-processos.
Forma do casco
Comparação com embarcações da classe VALEMAX (CHINAMAX).
Deslocamento
Dimensões principais
Características
Valores
Deslocamento [t]
455000
LOA [m]
360
B [m]
65
T [m]
23
D[m]
30
Forma do casco 
Geração da forma com auxílio de softwares de modelagem geométrica.
Desenho do plano de linhas.
Levantamento das características hidrostáticas.
Forma do casco
Plano de linhas
Arranjo Geral
Arranjo geral dos porões e dos tanques de lastro do costado.
Arranjo Geral
Arranjo geral dos tanques de lastro do fundo duplo.
Arranjo Geral
Arranjo geral dos tanques de consumíveis.
Arranjo Geral
Arranjo geral dos tanques de combustivel.
Compartimentação
Levantamento da compartimentação de embarcações semelhantes.
Regras da ABS.
Compartimentação obtida:
Topologia estrutural
Modelo geométrico de seção utilizado.
Topologia típica de graneleiros de graneis pesados.
Cavernamento predominante:
Longitudinal
Croqui da seção mestra ilustrando o cavernamento.
Dimensionamento estrutural
Critério: Atender ao módulo de seção estabelecido em regra.
Momento fletor máximo: 25.325.092,26 kN.m 
Tensão admissível por regra: 220 N/mm² (Aço comum)
Módulo de seção mínimo (MF): 115,1 m³ 
Ou
Módulo de seção mínimo:
Z0 = 138,67 m³
Topologia estrutural
Testado iterativamente até se atingir o módulo de seção calculado anteriormente
A estrutura final obteve:
 Z = 146,3256 m³ > 138,67 m³ 
Primeiramente apenas os reforços principais 
Ao atingir um valor próximo com a estrutura primária tentou-se alcançar a diferença de módulo de seção adicionando estruturas secundárias
Peso leve
Listagem dos itens que contribuem para o peso leve:
Peso em aço.
 43.123,68 toneladas
Peso do sistema propulsivo.
953 (MCP) + 4450 (Eq. Aux) toneladas
Peso da superestrutura.
368 toneladas
Peso de Outfiting.
Estimado: 4215 toneladas 
Conhecido: 1755 toneladas (escotilhas)
250 kg /m²
1170 m²
Outfit sem escotilha: 2457 t	
Iterativamente até encontrar a espessura equivalente
Centro de gravidade vertical (VCG)
Embarcação foi dividida em seções onde o reforço estrutural é semelhante.
Piques tanque de proa.
Pique tanque de popa.
Praça de máquina.
Região de carga.
O centro de gravidade vertical foi estabelecido para cada seção.
No caso do porões, onde já se dispunha da topologia estrutural, foi obtido diretamente.
Nas outras seções o CG foi assumido no centroide do volume moldado.
Baseado no peso leve, e na quantidade de reforços relativas de cada seção, foi calculado uma densidade linear para cada região longitudinal.
VCG do casco: 12,31 m 
Compondo...
VCG leve: 13,51 
Centro de gravidade (leve)
Casco
Watson: O peso linear ∝ Área das balizas.
LCG do casco: 189 metros 
Praça de Máquinas
Altura do fundo duplo + metade da altura do motor.
Superestrutura
Acima da praça de máquinas + metade da altura da superestrutura.
Outfit
Sobre a praça de máquinas na altura do convés.
Escotilhas
Longitudinalmente no meio de cada tanque na altura do convés.
Centro de gravidade (leve)
Centro de gravidade (leve) e peso leve obtidos:
Parâmetro
Valor
LCG [m]
178,75
VCG [m]
13,51
Peso leve [t]
48288,7
Centro de gravidade (carga)
 
Centro de gravidade da carga:
Modelagem da geometria que o minério adota ao se acomodar nos porões
Ângulo de repouso do minério de ferro.
Propriedade da esteira responsável por carregar os porões.
Desmanche da pilha de minério ao longo da viagem. 
Loop não previsto:
Estrutura => alterar o arranjo ou forma
Centro de gravidade (carga)
Resultados obtidos para o centro de gravidade da carga via modelagem geométrica:
Porão
LCG [m]
VCG [m]
Δ[t]
1
95,15
12,05
69496
2
139,45
12,11
69614
3
183,75
12,32
69878
4
228,05
12,40
70064
5
272,35
12,26
69764
6
316,65
10,85
53495
Equilíbrio e estabilidade
4 casos de análise de equilíbrio e de estabilidade
Partida do Brasil com 100% de carga, 100% de consumíveis e 0% de lastro
Chegada na China com 100% de carga, 50% de consumíveis e 0% de lastro
Saída na China com 0% de carga, 50% de consumíveis e 100% de lastro
Chegada ao Brasil com 0% de carga, 10% de consumíveis e 100% de lastro
Equilíbrio e estabilidade
Critérios da IMO 167:
GZ mínimo de 0,2 metros.
Ângulo de GZ máximo maior ou igual a 30°.
Altura metacêntrica mínima de 0,15 metros.
Área da CEE até o ângulo de 30° superior a 0,055 rad x m.
Área da CEE até o ângulo de 40° superior a 0,09 rad x m.
Área da CEE entre os ângulos de 30° e 40° ou até o ângulo de alagamento superior a 0,03 rad x m. 
Equilíbrio e estabilidade
Partida do Brasil com 100% de carga, 100% de consumíveis e 0% de lastro.
Posição de Equilíbrio
Trim[m]
-0,677
T [m]
23,248
Δ[t]
458954
LCB [m]
199,195
ϕ [graus]
-0,108
Parâmetro
Valor
Verificação
GZ [m]
6,443
Ok
Ângulode ocorrência do GZ máximo [graus]
50
Ok
Alturametacêntrica inicial [m]
15,809
Ok
Áreada curva de estabilidade até 30° [rad x m]
1,882
Ok
Áreada curva de estabilidade até 40° [rad x m]
2,954
Ok
Áreada curva de estabilidade de 30° até 40° [rad x m]
1,072
Ok
Equilíbrio e estabilidade
Chegada na China com 100% de carga, 50% de consumíveis e 0% de lastro.
Posição de Equilíbrio
Trim[m]
-1,801
T [m]
23
Δ[t]
453919,9
LCB [m]
200,816
ϕ [graus]
-0,287
Parâmetro
Valor
Verificação
GZ [m]
6,481
Ok
Ângulode ocorrência do GZ máximo [graus]
50
Ok
Alturametacêntrica inicial [m]
15,709
Ok
Áreada curva de estabilidade até 30° [rad x m]
1,891
Ok
Áreada curva de estabilidade até 40° [rad x m]
2,975
Ok
Áreada curva de estabilidade de 30° até 40° [rad x m]
1,083
Ok
Equilíbrio e estabilidade
Saída da China com 0% de carga, 50% de consumíveis e 100% de lastro.
Posição de Equilíbrio
Trim[m]
0,97
T [m]
17,7
Δ[t]
336337,4
LCB [m]
200,35
ϕ [graus]
0,154
Parâmetro
Valor
Verificação
GZ [m]
8,979
Ok
Ângulode ocorrência do GZ máximo [graus]
40
Ok
Alturametacêntrica inicial [m]
16,071
Ok
Áreada curva de estabilidade até 30° [rad x m]
2,247
Ok
Áreada curva de estabilidade até 40° [rad x m]
3,76
Ok
Áreada curva de estabilidade de 30° até 40° [rad x m]
1,513
Ok
Equilíbrio e estabilidade
Chegada ao Brasil com 0% de carga, 10% de consumíveis e 100% de lastro.
Posição de Equilíbrio
Trim[m]
0,053
T [m]
17,48
Δ[t]
332350,5
LCB [m]
202,135
ϕ [graus]
0,008
Parâmetro
Valor
Verificação
GZ [m]
9,161
Ok
Ângulode ocorrência do GZ máximo [graus]
40
Ok
Alturametacêntrica inicial [m]
16,292
Ok
Áreada curva de estabilidade até 30° [rad x m]
2,281
Ok
Áreada curva de estabilidade até 40° [rad x m]
3,823
Ok
Áreada curva de estabilidade de 30° até 40° [rad x m]
1,542
Ok
Sistema propulsivo
Definição do sistema propulsivo.
1 Motor principal de 2 tempos a Diesel
1 propulsor
Acoplamento direto (sem caixa redutora)
Motor MAN Engines
Aplicativo CEAS Calculations
Sistema propulsivo
Obtenção da resistência ao avanço para a velocidade de serviço.
Método estatístico de Holtrop
Resistência Total [kN]
Empuxo Requerido[kN]
2106
2713
Sistema propulsivo
Propulsores SérieB
4pás
10 metros de diâmetro
A0/Ae – 0.4, 0.55, 0.7, 0.85 e 1.00
RPM – 70, 75, 80
Cavitaçãode até 5% no dorso da pá
Definição do propulsor.
Série B
4 pás
Diâmetro
Relação P/D
Razões de áreas típicas de mineraleiros
 Rotações típicas de mineraleiros 
Cavitação admissível de até 5% no dorso da pá
Critérios de seleção:
Maior eficiência [η0]
Cavitação admissível
Sistema propulsivo
Uso da planilha “Hélice B” para levantamento de propriedades hidrodinâmicas.
Mais de 60 propulsores avaliados e 5 aprovados.
Propulsores
η0
0,55 - 0,65 - 70 RPM
0,383
0,7 - 0,65 - 70 RPM
0,379
0,55 - 0,6 - 75 RPM
0,377
0,7 - 0,6 - 75 RPM
0,374
0,55 - 0,55 - 80 RPM
0,372
Sistema propulsivo
Aplicação das margens de potência e de rotação.
Motores MAN sugeridos para Mineraleiros de 400000 toneladas de DWT.
Uso do aplicativo CEAS Engines.
Levantamento do consumo horário de combustível de cada combinação motor – propulsor possível.
Critério de seleção:
Menor consumo horário de combustível [kg/h]
Sistema propulsivo
Par motor-propulsor selecionado:
Propulsor 4 pás Série B
Diâmetro de 10 metros
A0/Ae de 0.7
P/D de 0.65
77 RPM
Motor MAN Diesel 5S90ME-C10.5
Potência – 24223 kW
Consumo horário – 3,924 toneladas/hora
Massa – 953 toneladas
Sistema de governo
Leme típico de mineraleiros
Semi - balanceado
Dimensões do leme
Área do leme de 1,4% a 2% do produto LPP x T
Envergadura
Corda
Razão de aspecto
Parâmetros do leme
Valor
Área do leme [m²]
160
Envergadura [m]
16
Corda [m]
9
Razão de aspecto
1,78
Sistema de governo
Vista lateral esquemática do leme.
Perfil típico
NACA simétrico
0015, 0018 ou 0021
Manobrabilidade
Estimativa das características de manobrabilidade:
Método estatístico de Lyster & Knights
Diâmetro de Giro (DG)
Diâmetro Tático (DT)
1º Overshoot (zig- zag de 10°)
Critérios da IMO:
Parâmetros normalizados pela LPP
Manobrabilidade
Parâmetros de Manobrabilidade
Valor
Valor normalizado
Critério da IMO
Verificação
Diâmetro de Giro [m]
405,1
2,3
< 4,5
Ok
Diâmetro Tático [m]
673,3
1,9
< 5
Ok
1º Overshoot [graus]
10,5
10,5
< 20°
Ok
Resultados obtidos:
Seakeeping
Estimativa do período de jogo para cada condição de equilíbrio analisada:
Aplicação do fator de Kempf para determinar se a embarcação é dura, confortável ou macia:
Fator de Kempf
Característica
Fk < 8
Dura
8 < Fk < 14
Confortável
Fk >14
Macia
Seakeeping
Resultados obtidos:
Posiçãodeequilíbrio
GM [m]
T [s]
Fk
Característica
1
15,809
13,24
5,14
Dura
2
15,709
13,28
5,15
Dura
3
16,071
13,13
5,09
Dura
4
16,292
13,04
5,06
Dura
Viabilidade econômica
Viabilidade econômica
Consumo de Bunker
3924
kg por hora
Consumo de Bunker
2900,16
toneladas por viagem
Consumo de Lubrificante
43
kg por dia
Consumo de Lubrificante
1.625,16
kg por viagem
Preço doBunker [US$]
250,00
US$ /mt
Preço doBunker [R$]
940,00
R$ /mt
Preço doLubrificante [US$]
800,00
US$ /mt
Preço doLubrificante [R$]
3.008,00
R$ /mt
Tripulação [R$]
80.000,00
por mês
Óleocombustível [R$]
24.163.911,06
porano
Consumíveis [R$]
43.330,24
por ano
Custos deoperação [R$]
25.167.241,30
porano
Custos deoperação [R$]
75.126,09
pordia
Custo diário total
R$ 87.951,41
Custo por viagem
R$ 3.324.074,57
Taxa de frete requerida R$ 8,31 R$ / t 
 US$ 23.400,00
Críticas e observações
Modelagem geométrica da carga deve ser mais estudada para melhorar as estimativas.
Escotilhas devem ser analisadas numa segunda fase de projeto:
Tensões no convés devido a flexão.
Análise estrutural local.
Risco de flambagem.
A embarcação se mostrou dura de acordo com o fator de Kempf.
Agradecimentos e considerações finais
Agradecimentos:
Aos professores, pela paciência e disponibilidade com relação à greve, reposição de aulas e mudança de apresentações.
Aos colegas da disciplina, pela ajuda durante o processo de projetação.
Aos professores e palestrantes convidados, pelo suporte técnico proporcionado.
Considerações finais:
Críticas (menos o Liad).
Sugestões.
Dúvidas.