sexta-feira, 30 de março de 2007

Critérios de Verificação de Estabilidade

A partir da tragédia da Fastnet Race de 1979, houve um movimento no sentido de criar critérios de segurança mais rigorosos para o projeto de barcos de oceano e, por extensão, de barcos de menor porte.

Com a criação da União Européia, o projeto de barcos de até 6m de comprimento está sendo regulado pela ISO 12217-3 que estabelece critérios a serem seguidos. Tais critérios estão se universalizando já que inúmeros fabricantes fora da UE têm interesse em manter aberta a possibilidade de exportação para aquele mercado.

A norma mencionada estabelece para os barcos pequenos duas classes, a C e a D. A primeira destinada aos barcos mais valentes, capazes de enfrentar ventos de 11m/s e a segunda, mais para barcos usados em águas abrigadas, com ventos de 6m/s. No caso presente, optamos por tentar classificar o barco nesta última categoria.


Não há na Internet local onde se possa ter acesso à ISO 12217-3, exceto se for comprada por um valor inexplicavelmente alto, em euros. Imagino que tornar esta norma de uso público seria uma forma de colaborar para o aumento na segurança das embarcações mas, aparentemente, o interesse comercial é outro. Desse modo, tentou-se obedecer a critérios inferidos a partir de referências indiretas ao que consta da norma e obedecer principalmente ao bom senso.

Acho uma pena não poder desenvolver o projeto como imaginava, atendendo a todos os requisitos da classe D, mas estou mais disposto a me divertir e não a ganhar dinheiro (e menos ainda a perder dinheiro comprando a norma). Assim, não há nenhuma garantia de que os critérios aqui seguidos dêem a segurança necessária para o barco. Apenas o meu bom senso julgou que eles são satisfatórios.

quinta-feira, 29 de março de 2007

Teste de Carregamento Excêntrico


O teste de carregamento excêntrico serve para prever uma situação acidental em que todas as pessoas se postem simultaneamente de um mesmo lado do barco. A ISO-12217-3 recomenda que se coloquem pessoas de 75kg nas posições de maior excentricidade e se verifique, a cada nova pessoa considerada, a borda livre e o ângulo de inclinação.

As pessoas têm que ser consideradas sentadas nos bancos a elas destinadas. No caso presente, a primeira pessoa foi considerada sentada no único banco existente e as duas outras foram supostas sentadas no chão, colocadas em direção à popa, onde a excentricidade é maior.

Na tabela abaixo estão indicadas as cargas consideradas e a sua respectiva posição. O sistema de coordenadas utilizado tem o centro colocado exatamente no meio do barco (a 165cm da popa e da proa), equidistante dos bordos e na mesma profundidade do ponto mais baixo do casco excluídos os apêndices (leme, bolina e quilha). O modelo testado foi o malucRaRemo. A hipótese que não considera a presença do motor (caso do barco utilizado a remo) foi ensaiada mas não é tão desfavorável quanto a indicada acima.



Na próxima tabela estão os resultados obtidos no modelo. Note-se que a inclinação transversal foi de 24graus mas como a inclinação longitudinal alcançou o valor de 7,3 graus, a inclinação máxima combinada resulta no valor de 24,8graus.



A vista em perspectiva indicada a seguir é bastante expressiva da gravidade da situação limite atingida. O terço final da borda de boreste está submerso. A água está prestes a alagar o barco pela alheta de boreste.



Conclusões:

A inclinação máxima permitida seria de 10 + (24 - LH) / 600
Com LH = 3,3m o valor do ângulo máximo é 24,8graus, exatamente igual a valor da inclinação máxima absoluta obtida.

Como esta é uma situação extrema, com carga bem acima do grau de carregamento "nominal" em que se pretende utilizar o barco (dois tripulantes, velejando), considera-se aceitável já se ter uma parte do convés lateral submersa, estar no limite de começar a embarcar água e ter atingido o ângulo máximo de inclinação permitido para este comprimento de barco, tudo ao mesmo tempo.

Observem-se os seguintes pontos:
  • A carga considerada é a capacidade máxima maximorum de carga do barco (330kg)

  • A posição dos tripulantes a bordo é a mais desfavorável ao equilíbrio já que produz a maior excentricidade transversal.

  • A carga de bagagens foi suposta deslocável, tendo sido considerada no local mais desfavorável, depois do deslocamento do barco considerado livre, sob o efeito das demais cargas.

Como a associação destas condições, todas adversas, não foram capazes de ultrapassar o limiar do naufrágio, consideramos atendidas as exigências de segurança do barco para até 3 passageiros, na versão Remo ou Motor.

Compartimentos e Flutuabilidade

O volume total do interior do barco, com água até a borda, é de 1040 litros. Cada compartimento lateral tem 165 litros o que perfaz um volume total dos compartimentos estanques de 330 litros. O volume do compartimento utilizável na proa (eventualmente inundável) é pouco mais de 80 litros.

Na tabela a seguir estão indicados os limites básicos dos compartimentos utilizados. Os compartimentos laterais foram modelados aproximadamente, definindo-se um compartimento com toda a largura do barco e um outro, central, com volume negativo, complementando aquele. Assim, a face interna dos compartimentos laterais foi admitida como vertical e plana, em vez de curva.

O cockpit foi considerado como um tanque contendo 10kg de água por tripulante, representando a bagagem pessoal. A água foi considerada se movimentando dentro do tanque conforme a inclinação do barco.





A carga máxima correspondente ao peso do barco sem mastreação, estimado em 50kg, 3 pessoas com 10kg de carga cada uma, mais o peso de 25kg de um motor de popa, chega a 330kg, o que é exatamente a flutuabilidade mínima garantida pelos compartimentos estanques. Os 80kg do compartimento de proa ficam como uma reserva, caso não venha a ser inundada por acidente. Caso necessário, pode ser criado mais um compartimento na popa, que sirva de banco e depósito.

No caso de uma virada, admitindo-se que duas pessoas aguardem na água que a terceira esvazie o barco, a carga total embarcada fica reduzida para 180kg o que é pouco mais de metade da carga mínima de flutuabilidade garantida pelos compartimentos estanques. A ISO 12217-3 exige, no caso dos barcos deste porte, que se demonstre a flutuabilidade do casco quando alagado. Adicionalmente, é desejável que esta flutuabilidade não seja apenas "escritural": o barco deve flutuar em nível e permitir o acesso a bordo de um tripulante, encarregado de esvaziar o barco com balde, esponja etc.

O barco deve poder ser desvirado por um único tripulante, em um tempo inferior a 5 minutos, na melhor de 3 tentativas.

quarta-feira, 21 de março de 2007

Plano Vélico



O comprimento do mastro é exatamente igual ao da retranca, de 325cm, permitindo que estas partes componentes da armação do veleiro possam ser estocadas no interior do barco (ou pelo menos no mesmo espaço ocupado pelo casco).

A carangueja, que é menor, tem comprimento de 245cm.

As seções de todas estas peças ainda estão por ser definidas, em função da resistência e flexibilidade requeridas.

As áreas da vela normal (6m2) e rizada (4m2) estão indicadas em escala, na figura. Apenas uma linha de rizos é necessária para permitir que um só tripulante seja capaz de manobrar o barco em segurança com o vento máximo de projeto.

Em regiões de vento fraco, pode ser interessante aumentar ainda mais a vela para alguma coisa entre 7m2 e 8m2. Nestas condições, no entanto, será difícil manter o tamanho das peças, especialmente do mastro, abaixo dos 330cm de comprimento máximo.

Neste caso, seria recomendável tentar um mastro em duas seções, para continuar obedecendo o limite proposto para o comprimento das peças. Ver artigo sobre o mastro tipo Gunther deslisante na Duckworks Magazine, que parece ser a solução caseira equivalente ao mastro em duas seções do Laser.

terça-feira, 20 de março de 2007

Plano de Linhas




Este plano de linhas foi criado originalmente com o programa Chine Hull Designer de Gregg Carlson (www.carlsondesign.com) e, em seguida, exportado para o programa Freeship que gerou esta imagem, com melhor acabamento.
Infelizmente, o autor do Freeship, Martijn v. Engeland, mudou o seu nome para Delftship e não o oferece mais como software livre. A última versão freeware, que é a 2.6, ainda pode ser encontrada em http://sourceforge.net/projects/freeship

segunda-feira, 19 de março de 2007

Comparação de Perfis para Leme e Bolina


Os dois perfis cogitados para ser usados no leme e na bolina (NACA-0012 e Pollock foil) são comparados no gráfico acima, feito para a bolina, que terá 30 cm de comprimento e 12% deste valor como espessura máxima (3,6cm).

O gráfico comparativo foi gerado a partir de uma planilha, utilizando as fórmulas indicadas no artigo Design and Costruction of Centerboards and Rudders , de Paul Zander.
As fórmulas de Pollock para fólios de faces paralelas, indicadas neste artigo estão, a meu ver, com duas incorreções. A fórmula para o trecho próximo ao bordo de ataque deveria ser:

y = (t/2) * ((8*SQRT(x) / (3*SQRT(Xle))) - (2*x / Xle) + ( x^2 / ( 3*Xle^2)))

A fórmula para o trecho próximo ao bordo de fuga deveria ser:

y = (t/2) * ((1 - 3*x^2) / (2*Xtl^2) + x^3 / (2*Xtl^3))

É fácil observar que o perfil proposto por Pollock, além de mais fácil de construir, possui maior espessura (e portanto resistência e durabilidade) na região central / posterior.

segunda-feira, 12 de março de 2007

Concepção Geral do Projeto



O barco foi modelado com dois compartimentos longitudinais junto aos costados com alguns septos intermediários. A antepara longitudinal que se constitui na face interna destes compartimentos é paralela ao costado, distando dele 15cm. Sua forma é exatamente igual à do costado, pelo fato do fundo não ter curvatura transversal. O topo deste compartimento será usado como banco pela tripulação quando for necessário escorar com mais eficiência e funcionará também como mesa de compressão para os momentos fletores do casco.

Duas anteparas transversais foram previstas. A primeira serve de apoio ao banco, além de servir como septo dando forma aos compartimentos longitudinais; a segunda, à frente do mastro, delimita um compartimento para guarda de objetos sob o convés de proa.

A bolina deslisante, tipo guilhotina, e o leme externo são absolutamente verticais e não têm ainda qualquer recurso para evitar danos em caso de choque com o fundo.

Imagina-se que as duas caixas longitudinais com diafragmas internos dêem ao barco uma rigidez à torção e à flexão que permitam o emprego de compensado de pequena espessura. Isso será verificado em etapa posterior. O determinante do dimensionamento não deve ser a rigidez da estrutura mas a flambagem local das folhas de compensado.

Está prevista a utilização de uma a três nervuras longitudinais no fundo do barco (a central necessariamente externa) para enrijecer o fundo pelo menos na região posterior do cockpit que é mais larga e mais carregada.

Os compartimentos laterais dão uma flutuabilidade interessante com o barco virado porque não permite que o cockpit retenha água resultando num barco provavelmente seco ao ser endireitado. Sua dimensão inviabiliza o uso como área de estocagem. Como sua função é apenas de flutuação, pode ser preenchido com material flutuante não saturável ou simplesmente com indestrutíveis garrafas pet usadas e bem fechadas.

O fundo plano, a boca larga e o baixo peso antecipam uma estabilidade confortável nos ventos mais fortes com boas possibilidades de planeio. A grande área molhada aponta para um baixo desempenho no vento fraco. Por essas razões, optou-se por uma vela quadrangular balanceada que tem as seguintes qualidades:


  • centro de gravidade mais baixo, facilitando a escora com vento forte e permitindo o uso de mastreação não estaiada e de uma área vélica maior do que a vela triangular convencional compatível com as dimensões do barco


  • maior facilidade de manobra com vento forte do que a vela triangular e desempenho similar com vento de popa e través folgado (perde na capacidade de orça)


  • conexões mais primitivas e portanto mais baratas e fáceis de se fazer com baixa tecnologia

Características de Leme e Bolina

Supondo uma área vélica de 6m2, as áreas recomendadas seriam:

leme (1,4%Sa) = 840cm2 = área submersa de 25cm x 35cm
bolina (3,5%Sa) = 2100cm2 = área submersa de 30cm x 70cm

A bolina está sendo definida intencionalmente longa para facilitar a operação de desvirar o barco em caso de tombamento. No caso do vento de popa ou través, ela pode ser recolhida e no caso da orça, a velocidade é baixa e o atrito deve atrapalhar pouco. O 'aspect ratio' da bolina fica em 2,3.

Quanto ao perfil, teoricamente seria ideal um perfil NACA de 4 dígitos para o leme (operacionalidade em faixa ampla de ângulos de incidência) e um de série 63 ou 65 para a bolina (empuxo grande com pequeno ângulo de incidência). A facilidade de construção é um dos pré-requisitos do projeto. A fabricação de uma bolina laminada com um perfil destes é difícil e não sendo perfeita, seu desempenho irá variar muito em função do sucesso na definição da forma.

Parece mais adequado portanto adotar um perfil mais fácil de fazer e que tenha desempenho razoável, compatível com um barco de recreio e não de regata. O perfil escolhido foi o desenvolvido por Pollock para bolinas com faces paralelas, com desempenho similar ao dos perfis NACA de 4 dígitos.

As espessuras escolhidas preliminarmente são:

leme = 3cm (12%L)
bolina = 4cm (~13%L)

Para facilitar a construção, o leme não será retrátil. Imagina-se que, dada uma inclinação de 15 graus ao espelho de popa, isto seja capaz de fazer saltar o leme fora do suporte no caso de choque com algum obstáculo. A construção do espelho de popa vertical, contudo, é mais simples e colabora para uma linha d´água mais longa, aumentando a velocidade.

Como o objetivo principal do projeto é a vela, optou-se por esta segunda alternativa, de mais fácil execução. Na bolina, nada foi previsto para evitar acidente em caso de choque. Talvez possa ser pensado algum recurso com a inclinação do eixo da bolina para trás, mas isso deve trazer muitas dificuldades para a construção da bolina e de sua caixa. Por outro lado, isso poderia permitir a colocação do mastro um pouco mais à frente, aumentando a área do cockpit. Pode ser cogitado.

O bordo de fuga de leme e bolina será chanfrado, até que se possa fazer testes de campo para verificar a ocorrência de vibrações indesejáveis. O bordo inferior será plano, o que permite melhor desempenho. Os dois ângulos entre os bordos verticais e o fundo serão arredondados apenas para evitar quinas vivas.

Verificação da Área Vélica

Considerada uma área vélica As=6m2 (vela cheia) ou As=4cm2 (vela rizada)
Força máxima na vela (As = 6m2 / cat D / força 4 / v = 6m/s c = 1.5):

Fv = c x ro x v x v x As / 2
Fv = 1.5 x 1.29 x 36 x 6 / 2
Fv = 209N

momento de tombamento (z = 2.29m aprox.):

Mv = 209 x 2.29 = 479Nm

Com a vela rizada (As = 4m2 ; z = 2m):

Fv = 139N
Mv = 139 x 2= 278Nm

Valores do braço de alavanca A:

A = M / deslocamento

para deslocamento com 1 tripulante, vela rizada:
Casco = 49,5kg
Mastro, vela, bolina etc = 37kg
tripulante = 75kg
bagagem = 10kg
Delta = 49,5 = 37 + 75 + 10= 171,5kg => A = 278 / 1715 = 0.162m

para deslocamento com 2 tripulantes + 20 kg, vela normal:
Delta = 171,5 + 75 + 10 = 256,5kg => A = 479 / 2565 = 0.187m

para deslocamento com 3 tripulantes + 30 kg, vela normal:
Delta = 256,5 + 85 = 341,5kg => A = 479 / 3415 = 0,140m

O pior caso é o de 2 tripulantes com a vela normal.
Contando apenas com o peso dos tripulantes (sem os 20kg de carga), o valor do braço de alavanca chega a:

A= 479 / 2365 = 0.203m

Hipóteses de Verificação de Estabilidade

Barco sem vela:

1) Downflooding height
Considerar que o barco alaga se o deckedge entrar na água
Carga máxima de 3 pessoas sentadas mais 30kg mais motor de popa com 25 kg de peso (só considerar o motor se for mais desfavorável)
Estudar a posição dos passageiros para ser desfavorável mas com todo mundo sentado nos bancos ou no fundo do barco


2) Offset load test
considerar que o barco não pode inclinar mais de 25 graus
Mesmas condições de carga do item anterior


Barco com vela:

3) Downflooding height com carga máxima
considerar que o barco alaga se o deckedge entrar na água
vela com a força e área máximas, equilibrada por duas (ou três) pessoas escorando a barlavento, com 10kg por pessoa a sotavento (vento força 4)

4) Downflooding height com carga mínima
considerar que o barco alaga se o deckedge entrar na água
Vela rizada com a força máxima, equilibrada por um tripulante escorando a barlavento, com 10 kg a sotavento (vento força 4)

5) Angle of vanishing stability
Verificar se o ângulo de perda de estabilidade é maior do que 90 graus na pior situação de carga entre as duas anteriores

6) Wind stifness test
Ainda é necessário estudar o que vem a ser isso