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Existem diferentes tipos de modelos físicos hidráulicos reduzidos que podem ser aplicados a estudos na região costeira e estuarina1_{. Cada um destes} modelos tem objetivos distintos, e esta extensa gama ocorre pela impossibilidade de atender a todos os objetivos com um único tipo de modelagem.

Novak e Cabelka (1981) apontam como possíveis objetivos dos estudos em modelo físico: investigação do efeito de marés, correntes e ondas na morfologia estuarina e costeira; processos de formação e migração de praias;

1 _{Optou-se por descrever esse ambiente aquaviário, que é mais complexo e abrangente do que}

estudos de proteção costeira; estudos de arranjos portuários; efeitos de intervenções de dragagens; entre outras.

No caso dos modelos para otimização de arranjo portuário, Alfredini (1992) afirma que é possível estudar os seguintes aspectos:

 Abrigo de ondas e/ou correntes, intervindo na geometria de molhes, quebra-mares, espigões, canais de acesso, bacias, etc.

 Características dos berços, intervindo em sua orientação, tipo de estrutura, etc.

 Características de amarração e defensas, intervindo no arranjo dos cabeços, ou ganchos de desengate rápido, disposição e tipo das defensas, recomendações quanto ao número e tipo de cabos, bem como dos níveis de pré-tensões.

Os modelos físicos marítimos podem ser classificados de diversas formas. Hughes (2005), por exemplo, propõe a classificação destes modelos em dois tipos: fundo fixo e fundo móvel. Os modelos de fundo fixo, também chamados pelo autor de modelos hidrodinâmicos, seriam aqueles utilizados para estudar a influência da ação de ondas e correntes sobre a região costeira ou portuária. Já os modelos com representação de fundo com material granular solto (modelos de fundo móvel) seriam utilizados para avaliar efeitos de movimentação de material sólido devido ao transporte e deposição de sedimentos junto à costa. Uma classificação também bastante utilizada é aquela que separa os modelos marítimos em: modelos com sistema gerador de ondas de curto período e modelos com reprodução de ondas de longo período.

Os modelos para ondas de curto período são utilizados para estudar efeitos de ondas formadas pelo vento local, denominadas vagas (seas), ou ventos distantes da costa, denominadas ondulações (swell), sobre projetos portuários, formações costeiras ou navegação. Estes modelos podem ser de dois tipos:

 Bidimensional (2D), também chamado de canal de ondas (Foto 2.1): que são canais de longa extensão, mas largura limitada, usualmente utilizados para estudar efeito das ondas sobre o corpo de quebra- mares, a fim de definir sua estabilidade, dimensões de material de proteção, altura da crista, entre outros fatores;

Foto 2.1 – Modelo bidimensional com sistema gerador de ondas irregulares – Foto do acervo do Laboratório de Hidráulica da Escola Politécnica da USP – LHEPUSP.

 Tridimensional (3D), também chamado de bacia de ondas (Foto 2.2): que são modelos de maiores dimensões, que podem reproduzir todo o arranjo portuário, ou parte dele (tridimensional parcial), bem como as obras de abrigo, possuindo finalidades diversas como: verificação de estabilidade e otimização de quebra-mares (especialmente o cabeço destas estruturas, para o qual o efeito tridimensional de ação das ondas é importante), avaliação das ondas residuais dentro da zona portuária abrigada (devido aos efeitos de difração, refração e reflexão), condições de amarração de navios atracados em terminais portuários sobre ação de ondas, condições de estabilidade de embocaduras estuarinas ou entradas portuárias (no caso dos modelos com transporte de sedimentos), entre outras.

Foto 2.2 – Modelo tridimensional do estuário de Santos/SP com sistema gerador de ondas regulares – Foto do acervo do LHEPUSP.

Tanto nos modelos 2D quanto 3D, a geração das ondas de curto período pode ser do tipo regular ou irregular, dependendo do mecanismo de geração disponível. As gerações de ondas regulares, ou seja, com períodos constantes, são uma simplificação do fenômeno natural, mas sua representação pode ser suficiente para atingir os objetivos de uma série de estudos, como, por exemplo, a comparação de alternativas de arranjos. As ondas com períodos irregulares são mais realistas e aproximam as condições do modelo físico da realidade, desde que existam adequados levantamentos de campo que permitam construir séries temporais representativas do fenômeno local.

Ainda sobre os modelos hidráulicos com geração de ondas de curto período é preciso considerar que uma importante questão sobre a formação de ondas espúrias. Estas ondas podem surgir pela ação do próprio mecanismo gerador de ondas, ou por reflexão destas nas paredes do modelo. Darlymple (1985) apresenta uma discussão sobre os tipos de mecanismos geradores de ondas, bem como diferentes tecnologias para evitar formação de ondas espúrias durante a geração, bem como alguns tipos de sistemas mecânicos de absorção de ondas utilizados para evitar a propagação de ondas refletidas pelo efeito de parede dos modelos. Novak e Cabelka (1981) comentam sobre técnicas usualmente empregadas nos modelos para minimizar a reflexão de ondas por efeito de parede, tais como superfícies rugosas com perfis abatidos (tipo praia) nos limites do modelo.

No caso das bacias tridimensionais ainda há de se considerar o caso da necessidade de geração de ondas a partir de diferentes direções de modo a representar todas as variações importantes do fenômeno local. Nestes casos, o problema pode ser contornado por sistemas móveis de geração, ou ainda, por sistema de geração em módulos (batedor tipo serpente), que permite a reprodução do espectro direcional, dependendo das dimensões dos módulos e da área de reprodução do modelo.

Os modelos físicos de ondas de longo período são, na maior parte dos casos, para simulação dos efeitos de maré. As marés são ondas com período usual semi-diurno (aproximadamente 12 horas e 50 minutos) e sua principal

consequência sobre as regiões costeiras e estuarinas, além da elevação e rebaixamento periódicos da linha d’água, é a formação de correntes, que podem ser bastante significativas dependendo da amplitude da maré.

Os modelos para simulação de maré são geralmente de grandes dimensões e têm como finalidade avaliar as condições de fluxo de correntes na região costeira e estuarina, assim como suas consequências sobre estruturas portuárias. No caso de modelos com fundo móvel, podem ainda ter a finalidade de avaliar a capacidade de transportar sedimentos destas correntes em embocaduras estuarinas, ou a influência de intervenções de dragagem sobre a movimentação de sedimentos.

A reprodução da maré nos modelos físicos pode ser de dois tipos: dinâmica ou estática. No primeiro caso, a variação da maré ao longo do tempo (considerada a escala de tempo do modelo) é realizada por sistema de alimentação e comportas que controlam o fluxo e nível d’água no modelo. Allen (1952), Kobus (1980) e Alfredini, Arasaki e Amaral (2007) apresentam alguns tipos de mecanismos para variação automática da maré ao longo do tempo em modelo físico.

Conforme dito anteriormente, os modelos de reprodução de maré possuem geralmente grandes dimensões, de forma a permitir a reprodução de toda a área de interesse. Por este motivo, em muitos casos, é necessária uma grande redução na escala geométrica para atender a este propósito. Em casos assim, pode ser necessário a utilização da técnica de distorção de escala, ou seja, dimensões horizontais muito mais reduzidas do que as verticais, de tal forma a possibilitar a reprodução de áreas extensas, permitindo ainda a avaliação de efeitos verticais decorrentes das variações topobatimétricas, conforme discutido em Alfredini (1983 e 1988).

Allen (1952) apresenta dois exemplos de estudos realizados com maré dinâmica em regiões estuarinas. O primeiro na Baía de Liverpool na Inglaterra, onde foram estudados em modelo físico, com escala horizontal de 1:7.040 e escala vertical de 1:190 (taxa de distorção vertical de 37), melhorias para o

canal de aceso do Porto de Liverpool. O segundo modelo apresentado pelo autor tem escala horizontal de 1:8.060 e vertical de 1:192 (taxa de distorção vertical de 42) no qual foram otimizados os canais de aproximação ao Porto de Rangoon (atualmente Yangon) em Myanmar.

Alfredini et al. (2003) e Alfredini, Arasaki e Amaral (2007) apresentam dois exemplos de estudos realizados com maré dinâmica em regiões estuarinas brasileiras. O primeiro na embocadura marítima do Estuário do Rio Itanhaém (SP), onde foram estudados em modelo físico, com escala horizontal de 1:100 e escala vertical de 1:600 (taxa de distorção vertical de 6), melhorias para o canal de acesso ao Rio Itanhaém. O segundo estudo conta com modelo em escala horizontal de 1:1200 e vertical de 1:200 (taxa de distorção vertical de 6), no qual foram avaliados aspectos náuticos na Baía e Estuário de Santos (SP). Em ambos os estudos o fundo era fixo e inferiram-se padrões de transporte de sedimentos mediante a técnica de traçadores sedimentológicos, discutida em Alfredini (1988).

Motta (1965) construiu, operou e concluiu o primeiro estudo em modelo físico com fundo móvel no Brasil, o da regularização da Embocadura do Rio Tramandaí (RS) com escala horizontal 1:300 e vertical de 1:50 (taxa de distorção vertical de 6) para investigação de alternativas de molhes guias- correntes para o canal de navegação. Concomitantemente, no Laboratório de Hidráulica da Escola Politécnica (LHEPUSP) um grande modelo com fundo móvel da Embocadura Lagunar de Cananeia, com escala horizontal 1:400 e vertical de 1:100 (taxa de distorção vertical de 4) estava sendo calibrado para investigação de alternativas para melhoramento da barra homônima. Outro exemplo interessante de modelação com escalas geométricas distorcidas com fundo móvel para investigação do melhoramento do canal de navegação foi o da Barra de Santos, realizado na década seguinte.

Kobus (1980) mostra exemplos de estudos realizados em estuários alemães como Jade-Weser em Hamburgo, para o qual foi construído modelo físico com escala horizontal 1:800 e vertical de 1:100 (taxa de distorção vertical de 8) para investigação de alternativas de melhorias para os canais de navegação. Outro

exemplo interessante apresentado pelo autor é o estudo realizado no Estuário do Rio Elba, para o qual foi utilizado um modelo físico de mesma escala do anterior, mas com fundo móvel para investigação da estabilidade dos canais de navegação em função dos planos de dragagem previstos para recebimento de navios de maior porte.

Em alguns tipos de estudo não é necessário reproduzir a variação da maré ao longo do tempo, mas somente as condições de corrente para diferentes instantes de maré. Neste caso é possível utilizar modelos com sistema de controle de vazão e níveis d’água mais simples, ou seja, sem controle automático, e que trabalham, portanto, em regime permanente médio. São os denominados modelos de maré quase estática, nos quais as correntes são reproduzidas para um dado instante e nível de maré de cada vez. Trata-se portanto de uma “fotografia” de um dado instante considerado importante para avaliação do fenômeno.

Alfredini (1992) apresenta diversos estudos realizados no Terminal Ponta da Madeira, em São Luiz do Maranhão, para a qual foi construído um modelo físico reduzido de maré quase estática com escala de 1:170 (Foto 2.3), sem distorção de escala vertical. Nestes estudos foram avaliadas e otimizadas com extremo sucesso as condições de amarração de navios atracados, bem como obras de abrigo portuário contra ação de correntes (espigões). Portanto, nestes estudos, interessava a reprodução de cenários com as condições críticas de correntes em alguns instantes de marés enchente e vazante, considerando-se ainda diferentes amplitudes de maré, de tal sorte que não foi necessária a simulação da variação da maré ao longo do tempo.

Foto 2.3 – Modelo físico tridimensional do Terminal Ponta da Madeira/MA – Foto do acervo do LHEPUSP.

Este último exemplo mostra que, embora exista tecnologia para reprodução de maré dinâmica, os modelos físicos devem ser tão simples quanto possível, desde que atendam às necessidades do estudo. Quanto mais complexa a operação de um modelo, mais difícil e demorada é sua calibração, bem como maiores são as probabilidades de discrepâncias nos resultados. Por este motivo, é preciso antes do projetar um modelo, determinar claramente o propósito do estudo.

Em alguns tipos de estudo, tanto os efeitos de maré, quanto os efeitos de ondas de curto período são importantes para avaliação dos projetos de Engenharia, conforme apresentado em Alfredini (1988). Em casos como estes, Darlymple (1985) cita que há uma maior dificuldade para controlar e calibrar as duas ações ambientais simultaneamente, o que faz com que, na maior parte das vezes, os fenômenos sejam estudados separadamente.

Outra importante aplicação possível para os modelos físicos marítimos tridimensionais são os estudos de manobras de navios. Aproveitando-se das áreas reproduzidas de canais de acesso e bacias portuárias, devidamente calibradas com condições de níveis de maré, correntes, ondas e, eventualmente, até ventos, os grandes modelos marítimos podem servir para avaliação das condições de aproximação dos navios aos canais de acesso, giro em bacias portuárias e procedimentos de atracação e desatracação, utilizando-se de técnicas de manobras de modelos reduzidos de navios rádio

controlados. Como esta utilização do modelo físico é o foco principal deste trabalho, uma discussão detalhada será feita no item 3.2.2.

Além dos tipos de modelos físicos acima citados, existem outros que são muito importantes na determinação de informações sobre a resistência hidrodinâmica de navios sob diferentes condições de navegação. Estas informações são essenciais no desenvolvimento de projetos de navios, bem como fornecem importantes coeficientes aplicados na solução numérica das equações de movimento dos simuladores de manobra computacionais. Estes modelos e os principais tipos de ensaios realizados são apresentados de modo sucinto no apêndice A.2.