Número 26 – 2014
Revista Pesquisa Naval
ISSN 2179-0655
NÚMERO 26 – 2014
NÚMERO 26 – 2014
A Revista Pesquisa Naval tem como missão proporcionar à comunidade científica um canal formal de comunicação
e de disseminação da produção técnico-científica nacional, por meio da publicação de artigos originais que sejam
resultados de pesquisas científicas e que contribuam para o avanço do conhecimento nas áreas de interesse da MB.
Os artigos aqui publicados não refletem a posição ou a doutrina da Marinha e são da responsabilidade dos seus autores.
PATROCÍNIO
Secretaria de Ciência, Tecnologia e Inovação da Marinha – SecCTM
CONSELHO EDITORIAL
CMG André Luís Dias Gomes
CF André Luiz Trindade Gomes
EDITOR-CHEFE
Almirante-de-Esquadra Sergio Roberto Fernandes dos Santos
Secretário de Ciência, Tecnologia e Inovação da Marinha
EDITORES ADJUNTOS
C Alte Cid Augusto Claro Junior
Diretor do Centro de Análises de Sistemas Navais – CASNAV
C Alte Oscar Moreira da Silva Filho
Diretor do Instituto de Estudos do Mar Almirante Paulo Moreira – IEAPM
C Alte (EN) Humberto Moraes Ruivo
Diretor do Instituto de Pesquisas da Marinha – IPqM
CC Benjamin Dante Rodrigues Duarte Lima
2º SG-CN Mauricio Vila Pereira
CB-AD Andréia Cristina Rosa Costa
EDIÇÃO
Secretaria de Ciência, Tecnologia e Inovação da Marinha – SecCTM
www.secctm.mar.mil.br/Revista.php
PRODUÇÃO EDITORIAL
Zeppelini Editorial / Instituto Filantropia
www.zeppelini.com.br
COMISSÃO EDITORIAL
Silvio Eduardo Gomes de Melo – UFPE – Recife/PE/Brasil
Luiz Felipe Assis – UFRJ – Rio de Janeiro/RJ/Brasil
Mirabel Cerqueira Rezende – IAE – São José dos Campos/SP/Brasil
Regina Maria Queiroz de Mello – UFPR – Pontal do Paraná/PR/Brasil
Silmara Neves – Universidade São Francisco – São Paulo/SP/Brasil
Erasmo Felipe Vergara Miranda – UFSC - SC/Brasil
Leonardo Moreira Leodido – IFB - Taguatinga/DF/Brasil
Marco Antonio Arancibia Rodriguez - Católica De Santa Catarina - SC/Brasil
José Manuel Cárdenas Medina - UCSP - Arequipa/Peru
Marcos Julio Rider Flores - FEIS/UNESP - Ilha Solteira/SP/Brasil
Wilingthon Guerra Zvietcovich – Universidade Federal De Ouro Preto – Ouro
Preto/MG/Brasil
Cristiano Poleto – UFRGS-IPH – Porto Alegre/RS/Brasil
Magda Beretta – UFBA - Salvador/BA/Brasil
Alex Costa da Silva - Docean/UFPE – Recife/PE/Brasil
Javier Alcántara Carrió - USP - São Paulo/SP/Brasil
Leonam dos Santos Guimarães – Amazul – Rio de Janeiro/RJ/Brasil
Flávio de Marco Filho – UFRJ/DEM – Rio de Janeiro/RJ/Brasil
Juan Carlos Alvarado Alcócer – UNILAB – Redenção/CE/Brasil
Oldrich Joel Romero - UFES - ES/Brasil
Adilson Roberto Fontanetti - UNESP - Rio Claro/SP/Brasil
José Fernando Queiruga Rey - UFABC - Santo André/SP/Brasil
Afranio Rubens de Mesquita - IO-USP - São Paulo/SP/Brasil
Eduardo Marone - CEM-UFPR - Pontal do Paraná/PR/Brasil
Sueli Susane de Godoi - IO-USP - São Paulo/SP/Brasil
Roberto Lima Barcellos - UFPE – Recife/PE/Brasil
Valeria da Silva Quaresma - UFES - ES/Brasil
Waldemar de Castro Leite Filho - IAE/DCTA - São José dos Campos/SP/Brasil
Omar Lengerke - UFRJ – Rio de Janeiro/RJ/Brasil
Willen Borges Coelho - IFES - Cariacica/ES/Brasil
Marco Antonio Grivet Mattoso Maia - PUC-Rio - Rio de Janeiro/RJ/Brasil
Carlos Eduardo Parente Ribeiro - UFRJ – Rio de Janeiro/RJ/Brasil
A REVISTA PESQUISA NAVAL É PATROCINADA POR
Revista Pesquisa Naval / Secretaria de Ciência, Tecnologia e Inovação da Marinha
v. 1, n. 1, 1988 – Brasília – DF – Brasil – Marinha do Brasil
Anual
Título abreviado: Pesq. Nav.
ISSN 2179-0655
1. Marinha – Periódico – Pesquisa Cientifica. Secretaria de Ciência, Tecnologia e Inovação da Marinha.
CDU 001.891.623/.9
CDD 623.807.2
SUMÁRIO | NÚMERO 26 – 2014
1APRESENTAÇÃO
Sergio Roberto Fernandes dos Santos - Almirante-de-Esquadra - Secretário de Ciência,
Tecnologia e Inovação da Marinha
AMBIENTE OPERACIONAL
2
ESPECIFICAÇÃO, DESENVOLVIMENTO E VALIDAÇÃO DE UM MODEM
ACÚSTICO PARA COMUNICAÇÃO SUBMARINA
Specification, Development and Validation of an Acoustic Modem for Underwater
Communication
Jefferson Osowsky, Fábio Contrera Xavier, Celso Marino Diniz, Marcus Vinícius da Silva Simões,
Leonardo Martins Barreira
11
ESTUDO DA MATURIDADE DO MODELO DE UM ESCRITÓRIO DE
GERENCIAMENTO DE PROJETOS: O CASO DE UMA INSTITUIÇÃO
CIENTÍFICA E TECNOLÓGICA DA MARINHA DO BRASIL
Study of maturity of a project management office model: case of a scientific and
technological institution of the brazilian navy
Fernanda Gomes Fontes, Stella Regina Reis da Costa
22
PRODUTO ALTIMÉTRICO REGIONAL PARA A ÁREA DE INTERESSE DA REDE
TEMÁTICA DE MODELAGEM E OBSERVAÇÃO OCEANOGRÁFICA (REMO)
Regional altimetry product to the area of interests of the Oceanographic Modeling
and Observation Network (REMO)
Victor Bastos Daher, Paulo Roberto Costa Junior
ARQUITETURA NAVAL E PLATAFORMA
34
ALGORITMOS GENÉTICOS APLICADOS AO PROJETO DE CONCEPÇÃO
DE SUBMARINOS
Genetic algorithms applied to conceptual submarine design
Michel Henrique Pereira, Bernardo Luis Rodrigues de Andrade, Kazuo Nishimoto
48
INFLUÊNCIA DA TENSÃO RESIDUAL DE CONFORMAÇÃO MECÂNICA NA
FLAMBAGEM DE CASCOS RESISTENTES DE SUBMARINOS
Effect of cold bending residual stress in submarine pressure hull buckling
Paulo Rogério Franquetto, Miguel Mattar Neto, Kazuo Nishimoto
ENERGIA
56
CLASSIFICAÇÃO E LOCALIZAÇÃO DE FALTAS DE ALTA IMPEDÂNCIA EM
SISTEMAS DE DISTRIBUIÇÃO DE ENERGIA
Classification and localization of high impedance faults in power distribution systems
Jésus Anício de Oliveira Neto, Marco Aurélio Almeida Castro
67
SÍNTESE DE FASES LI4TI5O12 (LTO) PARA APLICAÇÃO COMO ÂNODO DE
BATERIA SECUNDÁRIA DE ÍON LÍTIO
Synthesis of Li4Ti5O12 Phases (LTO) for Application as Anode in Lithium Ion
Secondary Battery
Fernanda Regina Rocha Caldas, Eduardo Ariel Ponzio, Marta Eloisa Medeiros,
Francisco Manoel dos Santos Garrido
MATERIAIS ESPECIAIS
78
PREPARAÇÃO E CARACTERIZAÇÃO DE COMPÓSITO SPEEK/SPANI COM
POTENCIAL APLICAÇÃO COMO MEMBRANA CONDUTORA DE PRÓTON
PARA EMPREGO EM CÉLULAS A COMBUSTÍVEL
Preparation and characterization of SPEEK/SPANI composite with potential
application as proton conducting membrane to be used in Fuel Cells
Ana Paula Santiago de Falco
PROCESSO DECISÓRIO
89
CONTAMINAÇÃO POR HIDROCARBONETOS ALIFÁTICOS EM
SEDIMENTOS SUPERFICIAIS DE TRÊS REGIÕES PORTUÁRIAS DO
SUDESTE DO BRASIL (SANTOS, ARRAIAL DO CABO E MACAÉ)
Aliphatic Hydrocarbons Contamination in Surface Sediments of three Port
Regions of Southeastern Brazil (Santos, Arraial do Cabo and Macaé)
Pedro Paulo de Oliveira Pinheiro
102
MODELOS DE ANÁLISE DE CRÉDITO E MECANISMOS DE
SECURITIZAÇÃO ORIENTADOS AO FINANCIAMENTO DE PROJETOS
DE CONSTRUÇÃO NAVAL NO MERCADO BRASILEIRO
Models of Analysis of Credit and Mechanisms of Securitization Orientated to the
Financing of Shipbuilding Projects in the Brazilian Market
Ricardo Leonardo Rovai, Marcello Muniz da Silva
SENSORES, GUERRA ELETRÔNICA E GUERRA ACÚSTICA
114
CALIBRAÇÃO DE TRANSDUTORES HIDROACÚSTICOS POR
RECIPROCIDADE EMPREGANDO SALVAS DE SINAIS MONOTÔNICOS
E DE FREQUÊNCIA MODULADA
Calibration of hydroacoustic transducers by reciprocity method using burst
signals and chirps
Carlos Alfredo Orfão Martins, Sandro Aureliano Miqueleti, Carlos Eduardo Parente Ribeiro,
Rodrigo Pereira Barretto da Costa-Félix
APRESENTAÇÃO
APRESENTAÇÃO
A pesquisa, a inovação e o desenvolvimento científico constituem temas indissociáveis da missão atribuída à Secretaria
de Ciência, Tecnologia e Inovação da Marinha (SecCTM)
no âmbito do conhecimento. Por essa razão, a SecCTM, com
o concurso do Instituto de Pesquisas da Marinha (IPqM),
do Centro de Análises de Sistemas Navais (CASNAV ) e
do Instituto de Estudos do Mar Almirante Paulo Moreira
(IEAPM), tem a grata satisfação de apresentar aos seus leitores a 26ª edição do seu periódico científico.
Tal periódico corrobora, de maneira inconteste, o lema da
SecCTM “Imperium per Scientia” (Soberania pela Ciência),
procurando difundir, junto à sociedade brasileira e no âmbito
interno da própria Força, a necessidade da investigação científica, a qual constitui, por sua vez, um dos eixos estruturantes, vital para o crescimento do nosso País.
O Brasil vive uma nova realidade, com um grande espectro
de desafios no campo tecnológico. Nesse sentido, cabe reconhecer que as pesquisas desenvolvidas no âmbito da Marinha
do Brasil, mais especificamente nos seus Institutos de Ciência
e Tecnologia, são consideradas, atualmente, expoentes significativos, reconhecidos nacional e internacionalmente pela
qualidade e relevância dos seus projetos.
Nesse contexto, a Marinha do Brasil, em consonância
com as necessidades advindas do cumprimento da sua missão constitucional, a defesa da Soberania Nacional, com a
elevada competência dos seus pesquisadores e com o apoio
incondicional da academia, da comunidade científica e do
empresariado, vem apresentando expressivos resultados
para a geração de novos conhecimentos. Essa relevante
contribuição é mais um esforço para a consolidação de
uma mentalidade de ciência e tecnologia, que trará, com
certeza, consequências benéficas e permanentes para o
desenvolvimento nacional.
A SecCTM, por meio da Revista Pesquisa Naval, vem
contribuindo, ao longo de todos esses anos, para fomentar
uma salutar e indispensável troca de conhecimentos. Por ser
um vetor de divulgação dos trabalhos científicos das áreas de
interesse da comunidade científica brasileira, encontra-se permanentemente atenta às demandas e às exigências da coletividade, bem como aos desafios do crescente desenvolvimento
tecnológico, estejam eles inseridos nos âmbitos econômico,
humano ou ambiental.
Assim, expresso o meu profundo reconhecimento e agradecimento a todos aqueles que, direta ou indiretamente, participaram, com dedicação e empenho, da elaboração desta
Edição, que reflete o elevado patamar no qual se encontram
as pesquisas desenvolvidas na Marinha do Brasil e na sociedade brasileira.
Por fim, convidamos os senhores e as senhoras a usufruírem dos conhecimentos aqui contidos.
Boa leitura!
SERGIO ROBERTO FERNANDES DOS SANTOS
Almirante-de-Esquadra
Secretário de Ciência, Tecnologia e Inovação da Marinha
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AMBIENTE OPERACIONAL
ESPECIFICAÇÃO, DESENVOLVIMENTO E
VALIDAÇÃO DE UM MODEM ACÚSTICO
PARA COMUNICAÇÃO SUBMARINA
Specification, Development and Validation of an
Acoustic Modem for Underwater Communication
Jefferson Osowsky1, Fábio Contrera Xavier2, Celso Marino Diniz3,
Marcus Vinícius da Silva Simões4, Leonardo Martins Barreira5
Resumo: Este trabalho visa apresentar a especificação, desenvolvimento e validação de um protótipo de modem acústico para comunicação submarina. Este trabalho surgiu a partir de um experimento
de comunicação acústica que tinha por objetivo transmitir e receber textos curtos em código Morse através de um canal digital de
banda estreita. Nesta primeira versão, o modem utiliza a modulação e demodulação por chaveamento de frequência (frequency shift
keying - FSK) na transmissão e recepção dos dados, respectivamente.
Antes da transmissão, para melhorar sua confiabilidade, os dados são
processados por um código de correção antecipativo de erro (­ forward
error correction - FEC) convolucional e então embaralhados (do
inglês, interleaved) de forma a reduzir a distorção causada pelo canal
de comunicação e o erro de burst entre símbolos contíguos, respectivamente. Um experimento recente de transmissão/recepção de dados
em um canal de comunicação em águas rasas foi realizado em Maio
2012 na Enseada dos Anjos, Rio de Janeiro, para avaliar o desempenho deste primeiro protótipo.
Palavras-chave: Comunicação Digital. Comunicação Submarina.
Acústica Submarina. Modem Acústico Submarino. Modulação
por Chaveamento de Frequência. Código de Correção
Antecipativa de Erro. Codificação Convolucional.
Abstract: In this paper it is presented the specification, devel-
opment and validation of an acoustic modem prototype for
underwater communication. This work stemmed from an
acoustic communication experiment which had the aim at
transmitting and receiving short texts in Morse code by a
narrowband digital channel. In this first version, the modem
uses frequency shift keying (FSK) modulation/demodulation
to send/get data to/from the receiver. Before transmission, to
improve its reliability, data are coded via a convolutional forward error correction (FEC) code and then interleaved in order
to reduce the distortion yielded by the communication channel
and the burst error between successive symbols, respectively.
An recent experiment of data transmission/reception in a shal-
low water communication channel has been conducted in May
2012 at Enseada dos Anjos, Rio de Janeiro, to assess the first
prototype performance.
Keywords: Digital Communication. Underwater
Communication. Underwater Acoustic. Underwater Acoustic
Modem. Frequency Shift Keying Modulation. Forward Error
Correction Code. Convolutional Coding.
1. Doutorando em Modelagem Computacional no Laboratório Nacional de Computação Científica – Petrópolis, RJ – Brasil. Bolsista DTI/CNPq da Divisão de
Comunicação Submarina no Instituto de Estudos do Mar Almirante Paulo Moreira – Arraial do Cabo, RJ – Brasil. E-mail: [email protected]
2. Mestrando em Engenharia Oceânica na Universidade Federal do Rio de Janeiro – Rio de Janeiro, RJ – Brasil. Ajudante da Divisão de Comunicação Submarina no
Instituto de Estudos do Mar Almirante Paulo Moreira – Arraial do Cabo, RJ – Brasil. E-mail: [email protected]
3. Engenheiro Eletrônico pela Universidade Estadual de Campinas – Campinas, SP – Brasil. E-mail: [email protected]
4. Doutorando em Engenharia Oceânica na Universidade Federal do Rio de Janeiro – Rio de Janeiro, RJ – Brasil. Encarregado do Grupo de Acústica Submarina no
Instituto de Estudos do Mar Almirante Paulo Moreira – Arraial do Cabo, RJ – Brasil. E-mail: [email protected]
5. Doutor em Engenharia Oceânica pela Universidade Federal do Rio de Janeiro – Rio de Janeiro, RJ – Brasil. Encarregado do Grupo de Sistemas Acústicos
Submarinos no Instituto de Pesquisas da Marinha – Ilha do Governador, RJ – Brasil. E-mail: [email protected]
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Jefferson Osowsky, Fábio Contrera Xavier, Celso Marino Diniz, Marcus Vinícius da Silva Simões, Leonardo Martins Barreira
1. INTRODUÇÃO
Ao longo dos anos, a comunicação acústica submarina
vem atraindo a atenção de institutos de pesquisa ao redor
do mundo devido ao seu potencial de aplicação em áreas tais
como: oceanografia, petróleo e gás e defesa naval (CHITRE
et al., 2008a; CHITRE et al., 2008b; LACOVARA, 2008).
Além disso, dada a facilidade com que o som se propaga
no oceano, a comunicação acústica é um método de transmissão e recepção de dados mais adequado se comparado
à comunicação eletromagnética. Por exemplo, a atenuação de uma onda eletromagnética de 1kHz se propagando
no oceano é cerca de 60 vezes maior que a atenuação de
uma onda acústica de mesma frequência. Por outro lado, a
comunicação em alta velocidade em canais acústicos submarinos é um desafio, por possuir, dentre outros limitantes, a estreita largura de banda, os múltiplos percursos do
sinal transmitido e o efeito Doppler (LACOVARA, 2008;
LI et al., 2008a; 2008b).
Na literatura, pode-se encontrar trabalhos que visam
reduzir alguns desses efeitos por meio do uso de modulação
por multiportadora (BERGER et al., 2010; LI et al., 2008b;
YEUNG et al., 2003), em especial a modulação por divisão de frequências ortogonais (orthogonal frequency division
multiplexing – OFDM) (CARRASCOSA; STOJANOVIC,
2010; LI et al., 2008a; LEE et al., 2006; TU et al., 2011),
inclusive para canais acústicos em águas rasas, onde o efeito
de percursos múltiplos é ampliado (PANARO et al., 2012;
RADOSEVIC et al., 2010). Portanto, neste tipo de comunicação de dados, pode-se encontrar diversos problemas ainda
não solucionados.
Neste trabalho, os autores apresentam de forma sucinta
as etapas do desenvolvimento de um protótipo de modem
acústico implementado em ambiente MatLab, bem como
os resultados preliminares obtidos na transmissão/recepção
de dados via um canal acústico submarino, em águas rasas,
sujeito a ruído aditivo tratado como um processo gaussiano
branco (aditive white gaussian noise – AWGN). Tal projeto tem como objetivo principal o desenvolvimento de um
modem acústico totalmente nacional que possa ser incorporado aos sistemas de comunicação da Marinha do Brasil. Este
artigo está organizado da seguinte maneira: a Seção 2 relata o
experimento que originou o projeto do protótipo do modem
acústico para comunicação submarina; a Seção 3 descreve o
desenvolvimento de tal protótipo até o presente momento;
os resultados alcançados por outro experimento realizado na
Enseada dos Anjos e as conclusões obtidas são apresentados
nas Seções 4 e 5, respectivamente.
2. HISTÓRICO
O protótipo do modem acústico submarino surgiu a partir da implementação de um código de comunicação acústica simples, mas eficaz, desenvolvido em ambiente MatLab
pelos pesquisadores do Grupo de Acústica Submarina
(GAS) do Instituto de Estudos do Mar Almirante Paulo
Moreira (IEAPM), que tinha por objetivo principal a
transmissão em banda estreita de textos em código Morse.
Este experimento foi composto por dois módulos: módulo
de ­transmissão/codificação (MTx) e módulo de recepção/
decodificação (MRx).
O protocolo de comunicação especificado para este experimento inicial foi baseado na regra de pontos, traços e pausas
descrita pelo código Morse, i.e, um ponto foi codificado como
uma forma de onda senoidal contínua (continuous waveform –
CW) de 7 kHz, duração de 0,3 segundos e amplitude unitária; um traço foi representado pela combinação de três pontos consecutivos. Além disso, uma pausa codificada como um
período de silêncio de duração igual ao do ponto separava
pontos e traços. Duas letras e duas palavras eram separadas
por duas e três pausas, respectivamente. Como exemplificação deste protocolo, o sinal que codifica o texto “MARINHA
DO BRASIL” é mostrado na Figura 1.
O módulo MTx era responsável por, dado um texto
qualquer, codificá-lo em símbolos do código Morse para em
seguida construir o sinal a ser enviado, s(t), a partir do protocolo descrito acima. Cabe ressaltar que, como a implementação dos módulos foi realizada em ambiente MatLab, o sinal
s(t) foi discretizado em uma sequência s[k], com frequência
de amostragem de 44,1 kHz. O sinal discreto s[k] era então
transmitido para a porta de saída de áudio do computador,
conectada a um amplificador de áudio e a uma fonte acústica.
Assim, a energia sonora era transportada por um canal submarino aqui suposto como AWGN, cuja característica é a de
adicionar um ruído w(t) de média µ e variância σ2 ao sinal s(t).
No módulo MRx, o sinal recebido s(t) + w(t) era adquirido
via um hidrofone, digitalizado com janela temporal de 13 ms
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Jefferson Osowsky, Fábio Contrera Xavier, Celso Marino Diniz, Marcus Vinícius da Silva Simões, Leonardo Martins Barreira
A
B
G
H
I
J
K
L
A
B
C
D
E
F
M
N
O
P
Q
R
S
T
U
V
W
X
Y
Z
1
0,8
0,6
0,4
0,2
0
-0,2
-0,4
-0,6
-0,8
-1
M
A
R
I
N
H
A
D
O
B
R
A
S
I
L
Figura 1. Exemplo de um sinal transmitido pelo MTx. (A) símbolos do código Morse para o alfabeto; (B) texto
“MARINHA DO BRASIL” codificado pelo protocolo deste experimento.
canal AWGN
saída de
áudio
MTx
s[k]
+ w(t)
s(t)
s[k] + w[k]
s(t) + w(t)
texto
texto
MRx
entrada
de áudio
Figura 2. Diagrama em blocos do sistema de comunicação submarina utilizando código Morse.
e frequência de amostragem igual a 44,1 kHz. Em seguida, o
espectro do sinal discreto s[k] + w[k] era analisado e sua densidade calculada (OPPENHEIM; SCHAFER, 1999). Se a
densidade espectral fosse maior que um limiar, dependente
de w[k] naquele instante, o sinal era detectado e sincronizado
no tempo para uma decodificação mais eficaz. Finalmente,
s[k] era identificado e decodificado em tempo real. A Figura 2
mostra o diagrama em blocos deste sistema.
Cabe ressaltar que os resultados obtidos por este experimento realizado no tanque acústico de testes do IEAPM possibilitou o desenvolvimento do protótipo do modem acústico
para comunicação submarina a ser descrito na próxima seção.
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3. O MODEM
ACÚSTICO SUBMARINO
Na primeira etapa deste projeto, foram feitos alguns estudos
sobre técnicas de modulação e demodulação a fim de melhorar
o desempenho do experimento anterior, que até então tinha
sua eficácia garantida em ambiente controlado. Dentre as técnicas de modulação existentes, foi utilizada a modulação digital (frequency shift keying – FSK), por razões de simplicidade e
confiabilidade. Esta modulação consiste, resumidamente, em
associar cada símbolo a ser transmitido a um pulso senoidal de
frequência específica com duração predefinida. Desta forma, os
dados se transformam em uma série de pulsos modulados em
n frequências distintas sendo transmitidos sequencialmente
para o canal de comunicação (WATSON, 1980).
A fim de reduzir a taxa de erro de bit (bit error rate – BER)
e elevar a taxa de transmissão de dados (bits per second – bps)
neste tipo de canal de comunicação, um protocolo mais robusto
e eficaz foi especificado, fazendo com que os módulos MTx
e MRx fossem reprojetados. Primeiramente, foi escolhida a
modulação 16-FSK, chaveamento de 16 frequências distintas
(canais), a qual permite transmitir 4 bits por símbolo. A frequência fCk de cada canal é definida como fCk = f0 + (k - 1) Δf,
k = 1, ... , 16, onde f0 e Δf são a menor frequência utilizada na
modulação e o espaçamento entre os canais, respectivamente.
O k-ésimo canal modula a sequência de 4 bits que representa
o número k na base binária, i.e, o dado em binário 0111 é
transformado em k = 7 na base decimal que, por sua vez, será
modulado pelo canal 7, com frequência igual à fC7 = f0 + 6Δf.
O formato do protocolo de comunicação está exemplificado na Figura 3 e é descrito a seguir. A mensagem é empacotada de forma que no início e no final de cada transmissão
seja enviado um sinal CW_STT, que indica o seu início, e
um sinal CW_STP, que indica o seu final, com duração de
tCW segundos e frequência fCW, usado na etapa de demodulação como indicativo do momento de início e de término da
mensagem, permitindo que o sinal recebido seja analisado
dentro de uma janela temporal conhecida, facilitando assim
o sincronismo, detecção e decodificação dos seus símbolos.
Cada símbolo (SYMB #k), k = 1, ... , N, é codificado por um
pulso de duração igual à ts + tg segundos, onde nos primeiros ts
segundos reside o pulso senoidal que identifica o canal da modulação 16-FSK como já descrito anteriormente. Após este pulso,
segue-se um tempo de guarda ou silêncio de tg segundos necessário
para reduzir o efeito da interferência intersimbólica, causada, principalmente, pelo espalhamento de retardo (delay spread) do pulso,
devido aos múltiplos percursos a que ele está sujeito durante sua
propagação no meio de transmissão (VITERBI; OMURA, 1979).
Cabe ressaltar que um canal de comunicação acústica em águas
rasas exibe um tempo considerável de delay spread.
Note que, pela Figura 3, o pulso que identifica cada um dos
símbolos na mensagem não é definido por um sinal senoidal
puro, mas sim, pela multiplicação de um sinal senoidal por
uma janela cuja forma se assemelha à de uma onda senoidal de
meio ciclo conhecida na literatura como “Janela de Hanning”,
tendo como principais características a distinção eficiente
entre sinais de baixa e alta amplitude que possuam frequências próximas; a atenuação dos lóbulos laterais; e a redução
significativa de contaminação espectral (spectral leakage) do
sinal (OPPENHEIM; SCHAFER, 1999).
Na recepção, primeiramente, dentro do sinal discreto
recebido, s[k], devem ser identificados os pulsos CW_STT
e CW_STP, permitindo assim que apenas a sequência existente entre estes marcadores, chamada daqui em diante de
{s}, seja encaminhada para o processo de demodulação FSK.
Nesta etapa, a sequência {s} é dividida em subsequências {s}t
de duração igual a ts + tg segundos, que são analisadas por um
banco de filtros digitais passa-banda, cada um sintonizado em
uma frequência fCk, k = 1, ... , 16, que identifica o canal recebido. Contudo, pelo fato de {s}t estar corrompido por ruídos
inerentes ao meio de comunicação, delay spread e fading devido
aos múltiplos percursos e Doppler shift, este procedimento deve
ser realizado via um algoritmo de decisão que analisa a probabilidade da frequência fCk estar presente em {s}l. Ao final,
o símbolo correspondente ao canal que possui a maior probabilidade de ter sido recebido é armazenado em um buffer.
Até o presente momento, além das etapas de modulação
e demodulação 16-FSK do sinal transmitido e recebido, respectivamente, os módulos MTx e MRx realizam três outras
funções ilustradas nos diagramas em blocos da Figura 4.
Tais funções são descritas de forma sucinta a seguir.
• Conversor ASCII (binário) para binário (ASCII): converte um caracter da tabela ASCII para a sua representação na base binária e vice-versa. Por exemplo, o caracter
‘A’ é representado na tabela ASCII pelo número inteiro
65, que transformado em binário torna-se 01000001.
• Codificador (decodificador) convolucional (MUNIZ, 2011;
VITERBI; OMURA, 1979): sua função principal é a de
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CW_STT
tcw
SYMB #1
tg
ts
tg
SYMB #2
ts
tg
SYMB #3
ts
SYMB #N
ts
CW_STP
tg
tcw
Figura 3. Especificação do protocolo de comunicação do protótipo do modem acústico submarino.
Módulo de Transmissão/Codificação (MTx)
ASCII 2 BIN
converter
convolutional
coder
interleaver
16-FSK
modulator
Módulo de Recepção/Decodificação (MRx)
16-FSK
demodulator
convolutional
coder
deinterleaver
ASCII 2 BIN
converter
Figura 4. Módulos implementados para o sistema de comunicação submarina.
adicionar bits de redundância à sequência de bits contendo a informação desejada de forma que esta possa ser
recuperada no seu destino mesmo que a distorção causada
pelo canal de comunicação tenha corrompido alguns bits
originais. Tal técnica pertence à classe de códigos FEC.
Em relação ao decodificador, utilizou-se o Algoritmo de
Viterbi (VA), por possuir o melhor desempenho em relação
aos outros do ponto de vista probabilístico. O VA infere
os valores da sequência de entrada dos bits recebidos e
distorcidos pelo canal de comunicação de forma a produzir uma sequência de saída que possui a maior probabilidade de ter sido transmitida. Neste processo, os bits
corrompidos podem ser corrigidos.
• (Des)Embaralhador (VITERBI; OMURA, 1979): A
maioria dos canais de comunicação, na prática, possuem
dependência estatística entre os símbolos contíguos transmitidos. Tais canais são chamados “com memória” e degradam consideravelmente o desempenho de codificadores
projetados para operar em canais “sem memória”. Isso
ocorre porque esta memória reduz o número de graus
de liberdade independentes dos sinais transmitidos, causando o erro de burst (ELLIOTT, 1963). Se o número de
símbolos contíguos errados exceder a capacidade de correção de erro do código (forward error correction – FEC),
o decodificador falha na recuperação do sinal original na
sua íntegra. Uma técnica utilizada na prática para reduzir o erro de burst de forma a melhorar o desempenho
do FEC e que não requer nenhum conhecimento a priori
sobre a memória do canal de comunicação, já que na prática isso se torna impossível, é a de embaralhamento dos
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bits do sinal a ser transmitido, eliminando assim a dependência existente entre bits contíguos. O embaralhamento
consiste em separar dois bits contíguos provenientes de
um codificador FEC de uma distância L de forma que
após este processo a memória estatística entre bits consecutivos seja reduzida. Por exemplo, seja uma sequência
binária dada por 1,0,1,0,0,1,0,1 , os números em subs12345678
crito indicam a posição do bit na sequência, e seja L = 1
a separação entre bits do embaralhador. Então o sinal de
saída do embaralhador, tendo como entrada a sequência
acima, é dada por 1,0,0,1,1,0,0,1, . Cabe ressaltar que
15263748
quanto maior o valor de L, menor a dependência estatística entre os símbolos.
{
{
{
{
4. RESULTADOS E DISCUSSÕES
A fim de se avaliar o desempenho deste primeiro sistema de comunicação acústica submarina desenvolvido pelo
GAS/IEAPM, primeiramente foram realizadas simulações em ambiente MatLab. Neste contexto, um conjunto
com distribuição uniformemente aleatória contendo 2.000
bytes foi gerado. Esta sequência de bytes foi codificada
pelo MTx de forma a obtermos o sinal modulado a ser
transmitido. Os parâmetros de configuração do modem
acústico foram os seguintes: f0 = 4.235 Hz, Δf = 235 Hz,
ts = 10 ms, tg = 50 ms, tCw = 30 ms, fCw = 8.005 Hz e code
rate igual a1/2. Estes valores foram tomados a partir da
análise da faixa espectral de operação do projetor e do
hidrofone que foram utilizados no experimento realizado
na Enseada dos Anjos e da análise do fading que ocorre
neste canal de comunicação.
A este sinal foi adicionado um ruído gaussiano branco (AWG)
ou um ruído impulsivo (IMP), de forma a gerar um sinal ruidoso com um dado (signal-to-noise ratio – SNR) que em seguida
foi processado pelo MRx desenvolvido neste laboratório. Os
resultados alcançados de BER versus SNR para ambos os ruídos antes e depois do processo de decodificação — curvas em
azul e vermelho, respectivamente — são mostrados na Figura 5.
O experimento realizado para avaliar o desempenho do
protótipo de um modem acústico submarino em ambiente
real ocorreu em maio de 2012, na Enseada dos Anjos, Arraial
do Cabo, RJ. O hidrofone utilizado, modelo ITC 1001,
estava fundeado na Praia dos Anjos a uma profundidade de
7.3 metros e a fonte sonora, modelo Lubell 1424HP, estava
instalada no Aviso de Pesquisas Oceanográficas (AvPqOc)
Diadorim a 3 metros de profundidade e distante de 1.180 a
3.400 metros do hidrofone.
A mensagem escolhida para este teste de desempenho
do modem foi o pantograma em inglês “the quick brown fox
jumps over the lazy dog”, que possui a característica de compreender todas as letras do alfabeto, repetido 5 vezes com um
espaço entre frases, totalizando 219 caracteres, i.e., 1.752 bits.
Os parâmetros de configuração do modem foram mantidos
os mesmos daqueles utilizados nas simulações em MatLab.
Note que, com code rate igual a 1/2, o total de bits transmitidos foi de 3.504.
Seis mensagens foram transmitidas do AvPqOc Diadorim e
processadas de forma offline pelo algoritmo descrito neste trabalho. Para exemplificar o procedimento de transmissão e recepção
da mensagem, são plotados nas Figuras 6a e 6c os gráficos contendo os primeiros 7 segundos dos sinais transmitido e recebido,
respectivamente. Ao lado destes, Figuras 6b e 6d, são mostrados seus respectivos espectrogramas, onde a coloração vermelha
indica o símbolo que foi transmitido por seu respectivo canal.
Para avaliar o desempenho do modem, foram calculados
os BERs antes e depois da etapa de decodificação para cada
uma das mensagens. Note que, o BER obtido antes da decodificação é calculado a partir dos 3.504 bits recebidos — resultados mostrados em azul escuro na Figura 7 — e o BER após
a decodificação é calculado com os 1.752 bits da mensagem
original — resultados mostrados em azul claro na Figura 7.
O melhor desempenho foi obtido para a mensagem
rotulada de “28May2012-1215” com BER(1) = 3,14•103 e
BER(2) = 5,71•104, Sendo BER(1) antes da decodificação
(undecoded) e BER(2) depois da decodificação (decoded), e o
pior resultado foi alcançado pela mensagem “28May20121307”, BER(1) = 3,77•10-2 e BER(2) = 1,71•10-2. Para este
conjunto de dados, tem-se como BER médio os seguintes valores: BER(1) = 1,31•102 e BER(2) = 6,28•103. Cabe
ressaltar que, em vista dos BERs obtidos antes e depois
do bloco de decodificação, o método de codificação convolucional aplicado na versão deste modem se mostrou
eficiente e robusto, corrigindo significativamente os erros
ocorridos durante a transmissão dos dados. Por exemplo,
para as mensagens “28May2012-1215” e “28May20121307” seus BER (1) são 444,91% e 120,47% maiores que
seus BER(2), respectivamente.
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100
AWG - undecoded
IMP - undecoded
AWG - decoded
IMP - decoded
BER
10-1
10-2
10-3
-20
-19.5
-19
-18.5
-18
-18.5
-17
-17.5
-16
-16.5
-15
SNR (dB)
Figura 5. Resultados das simulações realizadas em MatLab para uma mensagem de 2.000 bytes.
Sinal Transmitido
0,5
0
-0,5
-1
0
1
2
Amplitude
C
3
4
Tempo (s)
5
6
7
1
0,5
0
-0,5
-1
0
1
2
3
4
Tempo (s)
5
10000
8000
6
7
Espectrograma do Sinal Transmitido
6000
4000
2000
D
Sinal Transmitido
Frequência (Hz)
1
Frequência (Hz)
B
Amplitude
A
10000
8000
1
2
3
4
Tempo (s)
5
6
7
Espectrograma do Sinal Recebido
6000
4000
2000
1
2
3
4
Tempo (s)
5
6
7
20
40
60
80
100
120
140
20
40
60
80
100
120
140
Figura 6. Sinais transmitido e recebido pelo modem acústico submarino durante os 7 primeiros segundos. (A) sinal
transmitido e (B) seu espectrograma; (C) sinal recebido e (D) seu espectrograma.
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100
28Maio2012-1153
28Maio2012-1201
28Maio2012-1215
28Maio2012-1236 28Maio2012-1307
28Maio2012-1311
BER Médio
10-1
10-2
10-3
Resultados antes da decodificação
Resultados depois da decodificação
10-4
1230 metros
1180 metros
2100 metros
2480 metros
3400 metros
3400 metros
Figura 7. BERs das mensagens transmitidas no teste de validação do modem acústico e seu valor médio.
5. CONCLUSÕES
Neste trabalho foram descritas as etapas de projeto e
implementação de um modem acústico para comunicação
submarina, definido por software com modulação 16-FSK e
codificação convolucional, bem como foram apresentados os
resultados preliminares obtidos durante sua validação. Ante os
resultados do experimento na Enseada dos Anjos, as seguintes alterações estão sendo implementadas:
• inserção de um sinal de chirp no lugar dos sinais CW_
STT e CW_STP a fim de melhorar o sincronismo entre
transmissor e receptor;
• selecionar as frequências fCk dos canais de forma a serem
ortogonais duas a duas no intuito de reduzir a interferência
intersimbólica;
• substituição dos bancos de filtros digitais passa-banda
por um banco de filtros casados (matched filters) a fim
de melhorar a identificação do canal recebido através da
maximização de sua relação sinal-ruído (NORTH, 1963;
SUSSMAN, 1960; TURIN, 1960);
• correção do efeito de Dopplerização via técnicas de interpolação; e
• utilização de técnicas de equalização adaptativa para compensar os efeitos de distorção do canal de comunicação.
6. AGRADECIMENTOS
Os autores agradecem à tripulação do AvPqOc Diadorim
pelo constante apoio nos diversos experimentos realizados pelo
GAS; ao 1° Ten (EN) Vale, ao 1°Ten (RM2-T) Giuseppe, ao
SO-EL (RM1) Nonato e ao estagiário Marcos Felipe Medeiros
pela condução, organização e participação eficaz no experimento realizado na Enseada dos Anjos; ao Conselho Nacional
de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq) pelo
suporte financeiro concedido mediante a subvenção número
381984/2012-5/DTI. Cabe ressaltar que, este trabalho tem
o suporte financeiro da Secretaria de Ciência, Tecnologia e
Inovação da Marinha do Brasil (SecCTM), processo número
TC 53000/2011-001/2011.
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REFERÊNCIAS
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AMBIENTE OPERACIONAL
ESTUDO DA MATURIDADE DO MODELO
DE UM ESCRITÓRIO DE GERENCIAMENTO
DE PROJETOS: O CASO DE UMA
INSTITUIÇÃO CIENTÍFICA E TECNOLÓGICA
DA MARINHA DO BRASIL
Study of maturity of a project management office model: case of a
scientific and technological institution of the brazilian navy
Fernanda Gomes Fontes1, Stella Regina Reis da Costa2
Resumo: Este artigo apresenta o estudo da avaliação do nível de maturidade do modelo de gerenciamento de projetos existente em uma
Instituição Científica e Tecnológica (ICT) da Marinha do Brasil (MB).
A abordagem metodológica utilizada consiste na aplicação de um
questionário de autoavaliação, baseado no modelo PMO Maturity
Cube, buscando obter uma avaliação a respeito do nível, tanto atual
quanto pretendido, das funções organizacionais cabíveis ao Escritório
de Gerenciamento de Projetos, em inglês, Project Management Office
(PMO), existente na Organização Militar (OM) estudada. Como um
dos principais resultados decorrentes do caso estudado, pode-se destacar o alinhamento das funções identificadas pela maioria dos entrevistados com os principais papéis de um PMO. Visando à elevação
do nível da maturidade organizacional em gerenciamento de projetos,
são feitas recomendações para os procedimentos pertinentes ao PMO.
Palavras-chave: Gerenciamento de Projetos. PMBOK.
Escritório de Gerenciamento de Projetos. PMO Maturity Cube.
Maturidade Organizacional.
Abstract: This article presents the study of the evaluation of the
level of maturity of an existing project management model in
a scientific and technological institution of the Brazilian Navy.
A self-assessment questionnaire of the applicable functions of
the Project Management Office (PMO) in the studied military organization, based on the PMO Maturity Cube model,
was administered to generate results concerning the current
and desired levels of maturity. The main finding of the case
study was the alignment of functions with the leading roles of
a PMO, which was highlighted by most of the respondents. To
improve the procedures and the level of organizational maturity in project management, some recommendations are made
to the studied PMO.
Keywords: Project Management. PMBOK. Project Management
Office. PMO Maturity Cube. Organizational Maturity.
1. INTRODUÇÃO
deparam-se com o conflito de adaptar-se a um cenário de
competição acirrada e escassez de recursos, sem desviar-se
de seu planejamento estratégico.
Neste aspecto, cresce o entendimento de que a adoção e o
desenvolvimento da metodologia de gerenciamento de projetos é fator importante na geração dos resultados alinhados
No atual contexto de economia globalizada, marcado por
concorrência desenfreada, clientes muito exigentes e extremo
dinamismo no cenário econômico, as empresas buscam incessantemente destacar-se no mundo corporativo. Nessa busca,
1. Mestre em Sistemas de Gestão pela Universidade Federal Fluminense – Niterói, RJ – Brasil. Servidora Civil do Centro de Análises de Sistemas Navais – Rio de Janeiro, RJ –
Brasil. E-mail: [email protected]
2. Doutora em Engenharia Química pela Universidade Federal do Rio de Janeiro – Rio de Janeiro, RJ – Brasil. Professora da Universidade Federal Fluminense – Niterói, RJ –
Brasil. E-mail: [email protected]
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Fernanda Gomes Fontes, Stella Regina Reis da Costa
aos objetivos estratégicos da Organização. De acordo com
Kerzner (2002), o gerenciamento de projetos gera diferencial
competitivo, melhora a eficiência e a eficácia, que concorrem
para a sobrevivência da empresa.
Como base teórica ao gerenciamento de projetos, foi elaborado, em 1987, o Guia do Conhecimento em Gerenciamento
de Projetos (Guia PMBOK®), que se encontra em sua quinta
edição. Trata-se de uma norma reconhecida para o gerenciamento de projetos, que descreve normas, métodos, processos
e um conjunto de boas práticas estabelecidas.
Além disso, o Guia PMBOK® fornece diretrizes, define o
gerenciamento e os conceitos relacionados e descreve o ciclo de
vida do gerenciamento de projetos e os processos relacionados.
O Project Management Institute (PMI) considera esta norma
como uma referência básica de gerenciamento de projetos para
seus programas de desenvolvimento profissional e certificações.
Segundo Xavier (2005), o PMBOK® serviu como referência para a norma brasileira NBR ISO 10.006 – Gestão da
Qualidade – Diretrizes para a gestão da qualidade no gerenciamento de projetos.
O PMBOK® orienta para a aplicação e integração apropriadas de 42 processos categorizados em cinco grupos (iniciação; planejamento; execução; monitoramento e controle; e
encerramento). Esses processos possuem um relacionamento
forte entre si e são compostos por entradas de informações,
técnicas e ferramentas para transformar a informação em um
resultado que poderá ser entrada de outro processo.
A Figura 1 faz uma analogia desses cinco grupos com o
ciclo Planejar–Executar–Verificar–Agir (Plan–Do–Check–
Act – PDCA).
PMBOK
Processes
Executing
& Controlling
Initiating
Planning
Closing
Fonte: Jim Hertzfeld (2006).
Figura 1. Analogia entre os cinco grupos do
gerenciamento de projetos e o ciclo Plan–Do–Check–Act.
Segundo Kerzner (2002), a implantação do gerenciamento
de projetos constitui a gestão avançada de projetos, cuja prática depende da existência de um mínimo de infraestrutura
de apoio aos gerentes e equipes de projeto, tais como padronização, recursos e sistemas de informação.
Para tal, as empresas têm implementado estruturas organizacionais às quais são atribuídas várias responsabilidades
relacionadas ao gerenciamento centralizado e coordenado
dos projetos sob seu domínio.
Estas estruturas são conhecidas como Escritórios de
Gerenciamento de Projetos ou Project Management Office
(PMO). Segundo Crawford (2002), o PMO é a estrutura organizacional estabelecida para facilitar as atividades do gerenciamento de projetos e trazer melhorias ao próprio processo
de gestão da Organização por meio da gestão do portfólio
e do alinhamento de projetos com a estratégia corporativa.
Na medida em que o foco do gerenciamento de projetos
migrou da teoria para a sua implantação, surgiu o conceito
de maturidade em gerenciamento de projetos que, de acordo
com Kerzner (2002), é o desenvolvimento de processos e sistemas repetitivos, de modo a aumentar a probabilidade de
sucesso dos projetos submetidos a estes processos e sistemas.
1.1. OBJETIVOS
As empresas brasileiras vêm concentrando investimentos
para obter melhores resultados em seus projetos. No entanto,
tem-se observado iniciativas fracassadas devido à falta de uma
abordagem consistente, muitas vezes em decorrência de metodologias que não estão alinhadas à cultura e às necessidades
organizacionais.
A investigação sobre a relação entre o nível de maturidade
de uma Organização e as diretrizes estabelecidas no Guia
PMBOK® podem contribuir com a indicação de novos pontos de melhoria de procedimentos e, ainda, o estabelecimento
de novas métricas para avaliação destes fatores.
Este artigo é produto de uma pesquisa que trata da maturidade organizacional em gerenciamento de projetos. No âmbito
geral, a pesquisa que originou este artigo tem o objetivo de
verificar o nível de maturidade de uma Organização em
Gerenciamento de Projetos, por meio da análise do modelo
de gerenciamento de projetos existente em uma Instituição
Científica e Tecnológica (ICT) da Marinha do Brasil (MB).
Cabe ressaltar que o foco deste estudo é a avaliação da
maturidade em gerenciamento de projetos de uma ICT da
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Fernanda Gomes Fontes, Stella Regina Reis da Costa
MB que desenvolve serviços técnicos especializados em diferentes áreas de atuação. Mais especificamente, trata-se de uma
autoavaliação empreendida pela Divisão que atua como PMO
na Organização Militar (OM) pesquisada, com a perspectiva
que possa se estender aos seus clientes internos.
Portanto, não foram investigados outros aspectos do
gerenciamento de projetos, sendo apresentadas apenas algumas definições e explicações existentes na literatura, com a
profundidade e objetividade necessárias ao entendimento dos
conceitos básicos de maturidade organizacional e dos modelos de avaliação de maturidade conhecidos.
1.2. MATURIDADE EM GERENCIAMENTO
DE PROJETOS
A necessidade de inovação das organizações tornou o
gerenciamento de projetos uma atividade, uma vez que o uso
de modelos de referência próprios para esse fim e a repetição de ações e práticas proporcionam agilidade e a possibilidade de aprimorar seus processos.
Segundo Prado (2008), na medida em que as práticas e
conhecimentos em gerenciamento de projetos são incorporados ao trabalho da empresa, o desempenho na realização de
projetos melhora, tornando-se possível otimizar seus resultados até o nível de excelência.
Portanto, a maturidade em gerenciamento de projetos
seria a naturalidade com a qual a Organização conduz o
gerenciamento dos seus projetos e a evolução e o amadurecimento das organizações podem e devem ser planejados
para que a aquisição de competências permita sua renovação e sobrevivência.
No entanto, esta maturidade pode estar em diferentes
estágios, dependendo da Organização ou da forma de condução de seus projetos, além de ser influenciada por diversos
outros fatores, como sua estrutura ou a cultura existente. Tal
maturidade organizacional permite identificar os fatores de
sucesso e as alternativas para correção e prevenção de problemas
ordinários que possam impactar na melhoria dos processos.
Assim, a maturidade em projetos seria a utilização de práticas adequadas às peculiaridades de cada Organização, como
sua área de atuação, complexidade, porte e recursos disponíveis, conforme seu planejamento e ações tomadas para a
aquisição de competências.
No Quadro 1, são comparadas algumas características das
organizações maduras e imaturas.
Observa-se, também, que a maturidade em gerenciamento
de projetos obedece a um ciclo de vida pelo qual passa a
maioria das empresas. Tal ciclo é representado no Quadro 2.
A avaliação do nível de maturidade utiliza a comparação
com parâmetros da própria Organização ou área analisada,
para calcular os níveis de maturidade em gerenciamento de
projeto atuais e desejados, além de proporcionar orientações
para alcançar seus objetivos. Ademais, ela é uma ferramenta
eficaz de benchmarking entre seus próprios processos ou comparativamente com outras empresas, no sentido de identificar práticas que geram melhores resultados para seu negócio.
Segundo Prado (2008), o mecanismo que quantifica a
habilidade das organizações nesse contexto é o modelo de
maturidade, o qual além de auxiliar na avaliação do grau de
maturidade, deve ser capaz de ajudar a organização a estruturar
um planejamento para o seu crescimento e melhoria neste aspecto.
Quadro 1. Organizações imaturas versus Organizações maduras.
Organizações Imaturas
Organizações Maduras
Ad hoc, processo improvisado por profissionais e
gerentes.
Não é rigorosamente seguido e o cumprimento dos
projetos não são controlados.
Altamente dependente dos profissionais envolvidos
nos projetos.
Coerente com as linhas de ação, o trabalho é
efetivamente concluído.
O cumprimento dos projetos é acordado, documentado
e melhorado continuamente.
Baixa visão do progresso da qualidade.
A funcionalidade e a qualidade do produto podem ficar
comprometidas para que prazos sejam cumpridos.
Arriscado do ponto de vista do uso de nova tecnologia.
Custos de manutenção excessivos.
Apoio visível da alta administração e outras gerências.
Bem controlado — fidelidade ao processo de gestão
projetos é objeto de auditoria e de controle.
São utilizadas medições do produto e de processo.
Uso disciplinado da tecnologia.
Custos planejados e controlados.
Fonte: Adaptado de Carvalho e Rabechini (2008).
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Fernanda Gomes Fontes, Stella Regina Reis da Costa
Quadro 2. Ciclo de vida da maturidade em gerenciamento de projetos.
Embrionária
Aceitação pela
gerência executiva
Aceitação pelos
gerentes da área
Reconhecer a
necessidade
Obter o apoio visível
dos executivos
Obter o apoio dos
gerentes de área
Reconhecer os
benefícios
Fazer com que os
executivos entendem
a gestão de projetos
Reconhecer a
aplicabilidade
Estabelecer
promotores no nível
executivo
Reconhecer o que
precisa ser feito
Estar disposto a
mudar a maneira
de conduzir o
empreendimento
Crescimento
Maturidade
Conseguir o
comprometimento
dos gerentes de área
Reconhecer a utilidade
das fases do ciclo
de vida
Desenvolver uma
metodologia de
gestão de projetos
Proporcionar
conhecimento aos
gerentes de área
Obter o
comprometimento
com o planejado
Desenvolver um sistema
de controle gerencial de
custo e programação
Integrar o controle
de custos e da
programação
Desenvolver um
programa de ensino
para melhorar as
competências em
gestão de projetos
Estar disposto a
Minimizar as oscilações
liberar os funcionários
de escopo
para treinamento em
Definir um sistema de
gestão de projetos
rastreamento do projeto
Fonte: Adaptado de Kerzner (2006).
Ainda de acordo com Prado (2008), os modelos de maturidade são organizados em níveis e as empresas cujos projetos
estão alinhados à sua estratégia, normalmente estão nos níveis
mais elevados, o que corresponde à percepção de que o aprendizado contínuo organizacional em gerenciamento de projetos
proporciona, como efeito, o alinhamento estratégico dos projetos.
Os modelos de maturidade também são observados em
nível nacional. De acordo com a PMSURVEY.ORG 2012,
23,4% das empresas brasileiras declararam pretender investir
em avaliação e diagnóstico do nível de maturidade em gerenciamento de projetos.
Por tudo que foi dito, observa-se a importância do entendimento de como a maturidade em gerenciamento de projetos influencia os resultados dos projetos e qual a sua relação
com a estratégia da Organização.
Consequentemente, constata-se a necessidade de um
instrumento de autoavaliação frente ao variado leque
de funções possíveis dos PMO. Mais ainda, este modelo de
avaliação de maturidade deve proporcionar a desejável
confrontação entre as funções existentes no PMO ao
mesmo tempo em que permite ao PMO identificar apenas as funções desejadas, gerando uma avaliação relativa
à necessidade existente e percebida.
Tal instrumento de autoavaliação deve permitir, adicionalmente, o registro das intenções de melhoria percebidas
no ato da avaliação de maturidade, o que facilitará a geração
de um plano de ações. A simplicidade do método permite
sua autoaplicação, sem necessidade de contratação de serviços de consultoria.
1.3. CONSIDERAÇÕES SOBRE PROJECT
MANAGEMENT OFFICE MATURITY CUBE
2. METODOLOGIA DA PESQUISA
O modelo PMO Maturity Cube foi idealizado por Américo
Pinto e desenvolvido em conjunto com Marcelo Foresti Cota,
contando ainda com a colaboração da Dra. Ginger Levin.
Segundo Pinto, Cota e Levin (2012), este modelo prevê
que o PMO gera valor para seus clientes e para a Organização
como um todo por meio das funções que exerce, as quais são
traduzidas em serviços. Dessa forma, a maturidade de um
PMO pode ser resumida pelo grau de sofisticação com que
ele provê cada serviço sob a sua responsabilidade.
Pelos critérios de taxionomia propostos por Vergara
(2007), esta pesquisa é classificada como investigação
explicativa, pois visa esclarecer quais fatores contribuem,
de alguma forma, para a ocorrência de determinado fenômeno. Neste trabalho, pretendeu-se investigar a aplicação
dos procedimentos de um PMO e sua relação com o nível
de maturidade organizacional.
Ainda segundo Vergara (2007), trata-se de uma pesquisa
aplicada e de campo, de acordo com as seguintes conceituações:
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(i) aplicada, pois foi motivada pela necessidade de resolver
problemas concretos, com finalidade prática;
(ii) de campo, por ser realizada no local onde ocorre o fenômeno ou que dispõe de elementos para explicá-lo.
Os critérios para a escolha do caso analisado foram assim
definidos:
(i) a existência de uma estrutura organizacional bem definida;
(ii) a prática de atividades de projeto;
(iii)uma Unidade Organizacional com características de
PMO implantado.
Com base nesses critérios foi escolhido o caso de uma
OM que adota a metodologia do PMI e desenvolve serviços
técnicos especializados, nas seguintes áreas de atuação: pesquisa operacional, criptologia, gestão da informação e desenvolvimento de sistemas.
A escolha do modelo a ser aplicado nesta pesquisa baseou-se
na experiência da autora no ambiente em estudo, na aplicabilidade do questionário na OM abordada e na novidade do modelo.
Assim, o PMO Maturity Cube foi considerado um modelo eficaz
e simples de ser aplicado, além de não necessitar de investimento
em software específico para compilação dos dados.
Como instrumento da pesquisa de campo foi aplicado um
questionário contendo o modelo de avaliação PMO Maturity
Cube. De modo a elucidar o objeto da pesquisa, foram acrescidas algumas questões fechadas, elaboradas com base em
algumas funções do PMO elencadas por Ortega (2009), as
quais poderiam ser realizadas em ambientes virtuais colaborativos e consultivos.
Para verificar a viabilidade da aplicação do questionário
do modelo PMO Maturity Cube ao PMO em estudo, foi
realizada uma validação das perguntas por um especialista
em gerenciamento de projetos da OM pesquisada. Como
resultado, foi possível verificar uma adequação de 85%
das questões às atividades executadas por esta Unidade
Organizacional.
Tendo em vista a recomendação dos próprios autores
do modelo PMO Maturity Cube de que o questionário seja
aplicado apenas aos próprios componentes do PMO, devido
à predominância de linguagem técnica, foram aplicados oito
questionários-teste de modo a identificar possíveis dificuldades de entendimento destes termos e de preenchimento
propriamente dito. Não foi observado nenhum problema
que pudesse comprometer a análise dos dados coletados e,
portanto, não foi considerado necessário elaborar mecanismos de esclarecimento da terminologia empregada, além
dos utilizados na apresentação do questionário.
A análise quantitativa utilizou a estatística descritiva, e a
qualitativa foi conduzida através da exposição, pela autora, da
percepção acerca dos resultados, visando indicar ações para
preencher as lacunas identificadas.
2.1. CRITÉRIOS DO MODELO PROJECT
MANAGEMENT OFFICE MATURITY CUBE
Cada estágio corresponde a uma pontuação específica e ao fim do preenchimento são obtidas as pontuações
totais correspondentes à situação atual da Organização
e à situação desejada pela Organização, divididas nas
abordagens Estratégica, Tática e Operacional. Com base
nessas pontuações são calculados os níveis de maturidade
Atual e Desejada.
O Nível de Maturidade Atual em cada uma das abordagens é dado pela comparação entre a pontuação relativa à
situação atual da Organização, com o total de pontos possíveis de serem obtidos no modelo. Já o Nível de Maturidade
Desejada é dado pela comparação entre a pontuação relativa
à situação desejada pela Organização, com o total de pontos
possíveis de serem obtidos no modelo.
A Maturidade Atual e a Maturidade Desejada são representadas por meio de percentuais. O nível de Maturidade
Atual representa o quanto o PMO está aderente a todos os
serviços possíveis a um PMO, em seu mais alto estágio de
maturidade. Já o nível de Maturidade Desejada representa
onde o PMO gostaria de chegar, situação na qual estaria plenamente aderente aos seus objetivos e missão, considerando
apenas os serviços que de fato lhe interessam, nos estágios
de maturidade esperados.
Os níveis de Maturidade são classificados de acordo com
a Tabela 1.
Tabela 1. Classificação do nível de maturidade por
percentual obtido.
Percentual obtido (%)
Classificação do nível de
maturidade
0 ≤ x ≤ 33
Básico
34 ≤ x ≤ 66
Intermediário
67 ≤ x ≤ 100
Avançado
Fonte: Pinto, Cota e Levin (2012).
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2.2. CONSIDERAÇÕES SOBRE O
CASO EM ESTUDO
O PMO estudado, ativado em 2003, sofreu uma profunda
reestruturação em 2008, passando a atuar mais fortemente na
elaboração de modelos e controles que auxiliassem as tarefas gerenciais ao mesmo tempo que viabilizavam uma maior
integração destes nas diversas fases do projeto. Atualmente,
o PMO atua com um portfólio aproximado de 60 projetos
de diferentes características e orçamentos, com uma equipe
de quatro profissionais.
O PMO dispõe de um modelo de gestão de projetos, com
metodologia e controles padronizados, fortemente implantado. Este modelo é bastante dinâmico, procurando sempre
oferecer soluções aos problemas encontrados e adaptandose às necessidades dos Gerentes e da Alta Administração.
Assim, o PMO atua predominantemente no gerenciamento
de integração, escopo, tempo, custo e recursos humanos.
As diretrizes determinadas pelo PMO estão descritas sob a
forma de Procedimentos Operacionais, os quais estão organizados em um Sistema de Gestão da Qualidade, acessíveis
por todos da OM.
Neste aspecto, existe um sistema para apoiar uma parte
destes processos, mas este foi desenvolvido em um aplicativo
limitado, que não emite os alertas necessários, funcionando
mais como um repositório de informações. Por este motivo,
são necessárias outras ferramentas para consolidar todas as
informações necessárias ao assessoramento à Alta Direção.
Ainda, existe um sistema de lançamento de recursos
materiais e serviços administrado por outro Departamento
da OM e planilhas eletrônicas individualizadas, elaboradas
manualmente, por outros setores, para seu próprio controle.
Desta forma, é necessária uma mobilização de diversos
setores da OM para que sejam extraídas as informações solicitadas. Não se pode deixar de mencionar que algumas destas
planilhas, por serem elaboradas manualmente, podem gerar
erros involuntários em informações extremamente sensíveis,
podendo gerar distorções críticas.
3. RESULTADOS
3.1. PARTE 1 – PERFIL DO RESPONDENTE
A Tabela 2 expõe o tempo médio que os entrevistados
estão na OM estudada e, ainda, o tempo médio que ocupam o atual cargo.
O elevado tempo médio na OM, observado em todos
os cargos, pode indicar uma alta familiaridade com a
estrutura e com a cultura organizacional. Percebe-se,
também, que os entrevistados apresentam pouco tempo
de ocupação no cargo atual, demonstrando que a maioria é contemporânea da nova estruturação do PMO. Esse
fato, porém, pode revelar pouco conhecimento das atividades exercidas pelo PMO, em especial por parte dos
Gerentes e Adjuntos.
Apesar de o tempo médio no cargo dos Encarregados de
Divisão ser ainda menor, em geral estes ocupam esta posição
após haverem passado pelo cargo de Gerente ou Adjunto, o que,
aparentemente, indica uma maior experiência organizacional.
3.2. PARTE 2 – MODELO DO PROJECT
MANAGEMENT OFFICE MATURITY CUBE
Sendo o PMO Maturity Cube uma ferramenta de autoavaliação, cada entrevistado fez sua avaliação individual.
A consolidação final dos questionários preenchidos pelos
componentes do PMO foi realizada segundo o seguinte critério, indicado pelos autores do modelo: (i)Conforme a mais baixa avaliação, no caso do nível atual
de maturidade;
(ii)Conforme a mais alta avaliação, no caso do nível desejado de maturidade.
Tendo em vista que este estudo propôs-se a verificar a
propriedade da extensão da aplicação do questionário do
modelo a outros que não os componentes do PMO, será apresentado um novo critério para a consolidação destes valores,
Tabela 2. Tempo médio por cargo ocupado.
Cargo ocupado
Componente do PMO
Encarregado de Divisão
De modo a permitir uma melhor visualização dos resultados obtidos, eles serão estruturados conforme as partes componentes do questionário aplicado.
Gerente ou Adjunto
Tempo médio Tempo médio
na OM
no cargo atual
18 anos e
1 mês
11 anos e
11 meses
8 anos e
9 meses
3 anos e
5 meses
1 ano e
7 meses
3 anos e
7 meses
PMO: Project Management Office; OM: Organização Militar.
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Tabela 3. Pontuação obtida para os níveis Atual e Desejado, por Abordagem, na avaliação pelos componentes do
Project Management Office.
Níveis
Maturidade
Estratégica
Abordagem
Tática
Operacional
5
29
4
27
4
22
Atual
Desejado
que pode vir a permitir a avaliação da maturidade do PMO
por estes outros atores.
Trata-se da utilização da medida Moda, que apresenta
ótima representatividade para um número maior de observações, em vez de Mínimo e Máximo, inicialmente indicados no
modelo. Moda é uma medida de posição, sendo o valor que
ocorre com a maior frequência em um conjunto de números.
(SPIEGEL, 1977, p. 74)
Para uma melhor análise, esta parte será apresentada dividida por grupo avaliador, assim distribuído:
(i) componentes do PMO;
(ii) Encarregados de Divisão;
(iii)Gerentes ou Adjuntos.
3.2.1. Componentes do Project Management
Office (utilizando Mínimo e Máximo)
A Tabela 3 mostra que os três âmbitos de Abordagem previstos no Modelo (Estratégica, Tática e Operacional) obtiveram
pontuação equilibrada, no nível Atual, na avaliação realizada pelos
componentes do PMO. No entanto, é possível observar uma
grande defasagem entre os níveis Atual e Desejado. Isto evidencia a percepção, por parte dos componentes do PMO, da necessidade de amadurecimento das funções por eles desempenhadas.
Em relação à categorização da maturidade do PMO
por cada Abordagem, percebe-se no Gráfico 1 que, atualmente, o PMO encontra-se no nível Básico (entre 0 e 33%).
Também é possível verificar que, atualmente, o PMO atua
com uma discreta tendência à Abordagem Operacional.
Isto condiz com sua realidade, uma vez que, logo após sua
reestruturação, em meados de 2008, o foco principal foi a
elaboração de modelos gerenciais para o planejamento e
controle dos projetos.
Já para o nível Desejado, os três âmbitos de Abordagem
foram avaliados no nível Avançado (entre 67 e 100%), tendo
as Abordagens Estratégica e Operacional uma discreta
predominância.
%
100
96,67%
93,10%
95,65%
80
60
40
20
0
16,67%
Estratégica
13,79%
17,39%
Tática
Operacional
Abordagem
Atual
Desejado
Gráfico 1. Índice de maturidade por Abordagem, na
avaliação pelos componentes do Project Management
Office.
3.2.2. Encarregados de Divisão (utilizando a
medida Moda)
A Tabela 4 mostra que os três âmbitos de Abordagem
(Estratégica, Tática e Operacional) obtiveram pontuação
equilibrada, no nível Atual, na avaliação realizada pelos
Encarregados de Divisão. Também é possível observar uma
grande defasagem entre os níveis Atual e Desejado.
Em relação à categorização da maturidade do PMO
por cada Abordagem, percebe-se no Gráfico 2, que
atualmente, na percepção dos Encarregados de Divisão,
o PMO encontra-se no nível Básico (entre 0 e 33%)
nas três Abordagens, com tendência às Abordagens
Operacional e Tática, apresentando, esta última, uma
discreta preponderância.
Já para o nível Desejado, os três âmbitos de Abordagem
foram avaliados no nível Avançado (entre 67 e 100%), com
preponderância das Abordagens Operacional e Estratégica,
respectivamente.
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Tabela 4. Pontuação obtida para os níveis Atual e Desejado, por Abordagem, na avaliação pelos Encarregados de
Divisão, utilizando a medida Moda.
Níveis
Abordagem
Tática
Operacional
7
28
8
26
6
22
Atual
Desejado
Maturidade
%
100
Estratégica
93,33%
89,66%
95,65%
80
60
40
20
0
23,33%
Estratégica
27,59%
26,09%
Tática
Operacional
Abordagem
Atual
Desejado
Gráfico 2. Índice de maturidade por Abordagem, na
avaliação pelos Encarregados de Divisão, utilizando a
medida Moda.
3.2.3. Gerentes ou Adjuntos (utilizando a
medida Moda)
A Tabela 5 mostra que dois âmbitos de Abordagem
(Estratégica e Tática) obtiveram pontuação equilibrada, no
nível Atual, na avaliação realizada pelos Gerentes ou Adjuntos.
Também é possível observar uma grande diferença entre os
níveis Atual e Desejado.
Em relação à categorização da maturidade do PMO por cada
Abordagem, percebe-se no Gráfico 3, que atualmente, na percepção dos Gerentes ou Adjuntos, o PMO encontra-se no nível
Básico (entre 0 e 33%) nas Abordagens Operacional e Estratégica
e no nível Intermediário (entre 34 e 66%) na Abordagem Tática.
Já para o nível Desejado, os três âmbitos de Abordagem
foram avaliados no nível Avançado (entre 67% e 100%), com
predominância da Abordagem Estratégica.
3.3. PARTE 3 - QUESTÕES FECHADAS,
APRESENTADAS NO ANEXO
Nesta parte do questionário, foram apresentadas 19 funções
possíveis de serem executadas por um PMO, com o intuito de
verificar o atual estágio de oferta e as possibilidades para o futuro.
O Quadro 3 mostra as funções consideradas interessantes, de
serem implementadas, pela maioria dos entrevistados dos três cargos.
As funções identificadas no Quadro 3 estão perfeitamente alinhadas com a definição, pelo PMI, descritas no Guia
PMBOK®, dos principais papéis de um PMO, tais como:
(i) gerenciar recursos compartilhados nos projetos;
(ii) identificar e desenvolver as melhores práticas e padrões;
(iii)promover instrução, treinamento e supervisão.
Também é possível perceber que estes mesmos anseios
são compartilhados com outras empresas brasileiras entrevistadas na PM SURVEY.ORG 2012, assim representados:
• 18,4% dos problemas mais frequentes em projeto referem-se à falta de uma ferramenta de apoio;
• 70% das empresas afirmaram não utilizar ferramentas
para a gestão (armazenamento e recuperação) do conhecimento adquirido em projetos. No entanto, 64% pretendem reverter esta situação e
• 42,6% das empresas consideram que o monitoramento
do portfólio de projetos é uma das funcionalidades mais
importantes dos softwares de gerenciamento de projetos.
Não houve convergência quanto às funções consideradas indiferentes de serem implementadas pelos entrevistados dos três cargos.
4. CONCLUSÕES
Neste estudo, o objetivo principal foi avaliar o nível de
maturidade do modelo de gerenciamento de projetos existente em uma ICT da MB. A partir dos resultados obtidos
é possível contribuir com a indicação de novos pontos de
melhoria de procedimentos, bem como delinear recomendações, visando auxiliar outras Organizações no alinhamento
de seus processos de gerenciamento de projetos.
É importante ressaltar que, à primeira vista, a relação entre
maturidade em gerenciamento de projetos e o desempenho
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Tabela 5. Pontuação obtida para os níveis Atual e Desejado, por Abordagem, na avaliação pelos Gerentes e
Adjuntos de Projeto, utilizando a medida Moda.
Níveis
100,00%
82,76%
80
Abordagem
Tática
Operacional
10
30
10
24
6
21
Atual
Desejado
Maturidade
%
100
Estratégica
91,30%
60
40
33,33%
34,48%
Estratégica
Tática
Operacional
Abordagem
26,09%
20
0
Atual
Desejado
Quadro 3. Funções consideradas interessantes, pela
maioria dos entrevistados dos três cargos, de serem
implementadas.
Funções possíveis de serem executadas pelo PMO
- Identificação, análise, implantação e divulgação de
melhores práticas
- Suporte, análise e monitoramento centralizado do
gerenciamento de portfólio, garantindo a ligação
entre os relatórios de desdobramento de metas e os
escopos dos projetos
- Ferramenta de apoio ao gerenciamento de recursos
críticos
- Disponibilização de área virtual para atividades de
mentoring ou coaching em gerenciamento de projetos
PMO: Project Management Office.
Gráfico 3. Índice de maturidade por Abordagem,
na avaliação pelos Gerentes e Adjuntos de Projeto,
utilizando a medida Moda.
dos projetos parece ser diretamente proporcional. No entanto,
um nível mais elevado de maturidade em gerenciamento de
projetos favorece, mas não assegura, que um número maior
de projetos seja executado com sucesso, apenas indicando
que a Organização possui as capacidades e está apta à execução, com sucesso, de seus projetos. Cabe também destacar
a importância no que se refere à percepção da continuidade
de sucesso dos projetos.
Este estudo propôs-se a investigar um possível instrumento que possa auxiliar a OM em foco e, em especial, seu
PMO, na medição da efetividade de suas ações no sentido de
alcançar as expectativas organizacionais. No entanto, a real
efetividade deste instrumento só pode ser verificada com a
repetição do experimento, com seus devidos ajustes.
É inegável que o sucesso do gerenciamento de projetos
depende de um bom modelo de gestão e, portanto, o monitoramento e controle dos procedimentos determinados neste
modelo são de extrema importância.
Também, não se pode deixar de reconhecer que a automatização e a integração de todos os processos que afetam o
PMO minimizariam fortemente os erros involuntários provenientes do trabalho manual, evitando distorções em informações extremamente sensíveis para a OM.
É notório que a Tecnologia da Informação (TI) é
capaz de suportar várias funções, aplicações e ferramentas facilitadoras para o gerenciamento de projeto e, consequentemente, contribuir para o seu amadurecimento
organizacional.
Assim, com base nas observações obtidas na pesquisa,
recomenda-se:
(i) a implantação de um sistema integrado de gerenciamento que venha a possibilitar ao PMO a execução
das funções desejadas apontadas e, consequentemente,
elevar o nível da maturidade organizacional em gerenciamento de projetos. Esta necessidade é especialmente
importante quando se verifica que todas as funções não
exercidas atualmente pelo PMO e que foram consideradas interessantes pelos entrevistados dos três cargos,
apresentadas no Quadro 3, necessitam de uma forte
estrutura tecnológica;
(ii) que estas soluções de TI sejam compatíveis, o máximo
possível, com a realidade da Organização e seus recursos humanos e físicos.
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REFERÊNCIAS
CARVALHO, M.M; RABECHINI, Jr. R. Construindo competências
Gestão) – Departamento de Engenharia de Produção, Universidade
para gerenciar projetos: teoria e casos. 2 ed. Rio de Janeiro: Atlas,
Federal Fluminense, Niterói, 2009.
2008. 430 p.
PRADO, D. Maturidade em gerenciamento de projetos. Série
CRAWFORD, J.K. The Strategic Project Office: A Guide to Improving
Gerência de Projetos v.7. Nova Lima: INDG tecnologia e serviços
Organizational Performance. New York: Marcel Dekker Inc, 2002. 367 p.
LTDA. 2008. 206 p.
Guia PMBOK®: Um Guia do Conhecimento em Gerenciamento de
PINTO, A.; COTA, M.F.M.; LEVIN, G. “PMO Maturity Cube”, um
Projetos. 5 ed. Newtown Square, Pennsylvania: PMI, 2013. 595 p.
modelo de avaliação de maturidade exclusivo para Escritórios de
HERTZFELD, J. 2006. Figura 1 - Analogia entre os cinco grupos do
gerenciamento de projetos e o ciclo PDCA. Disponível em: <http://
Projetos. Disponível em <www.pmomaturitycube.org>. Acesso em:
23 mar 2012.
www.mpmm.com/project-management-best-practices.php>. Acesso
PM SURVEY.ORG 2012 Edition. Project Managemente Institute
em: 12 abr. 2012.
Chapters. Disponível em: <http://www.pmsurvey.org>. Acesso em:
KERZNER, H. Gestão de Projetos: as melhores práticas. São Paulo:
Bookman, 2002. 519 p.
13 fev 2013.
SPIEGEL, M.R. Estatística: Resumo da Teoria. São Paulo: McGraw-Hill
______. Gestão de Projetos: as melhores práticas. São Paulo:
Bookman, 2006. 821 p.
do Brasil, 1977.
VERGARA, S.C. Projetos e relatórios de pesquisa em administração. 9.
ORTEGA, E.S. Virtualização do escritório de gerência de projeto:
ed. São Paulo: Atlas, 2007. 92 p.
uma proposta de convergência das decisões estratégicas em
XAVIER, C.M.S. Gerenciamento de projetos: como definir e controlar
resultados operacionais. 161p. Dissertação (Mestrado em Sistemas de
o escopo do projeto. São Paulo: Saraiva, 2005.
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ANEXO
QUESTIONÁRIO UTILIZADO NA PESQUISA
Parte 1. Perfil do respondente
Tempo que está lotado na Organização:
Cargo que ocupa atualmente:
Tempo que está no atual cargo:
___ ano(s) ___ meses
□ Membro do □ Gerente ou Adjunto □ Encarregado de Divisão, Chefe de
PMO
de Projeto
___ ano(s) ___ meses
Departamento ou Alta Direção
Parte 2. Modelo do PMO Maturity Cube - Fonte: Pinto, Cota e Levin (2012)
Parte 3
Atualmente
Futuro
Exercida Interessante Indiferente
FUNÇÕES DO PMO
1) Fornecimento de modelos (templates), listas de verificação
(checklist), ferramentas, formulários, relatórios e procedimentos em
gerenciamento de projetos;
2) Coletor de dados, arquivamento e manutenção do histórico e lições
aprendidas dos projetos;
3) Ferramenta de apoio ao gerenciamento das atividades e tarefas dos
projetos;
4) Identificação, análise, implantação e divulgação de melhores práticas;
5) Consultoria e assessoria em gerenciamento de projeto;
6) Comunicação de papéis, responsabilidades e limites de autoridade dos
gerentes de projetos;
7) Elaboração e manutenção de todos os planos de gerenciamento dos
projetos e do acompanhamento de indicadores de projetos;
8) Suporte, análise e monitoramento centralizado do gerenciamento de
portfólio, garantindo a ligação entre os relatórios de desdobramento
de metas e os escopos dos projetos;
9) Avaliações e apoio na recuperação ou aceleração de projeto;
10) Comunicação de eventos, grupos focais, grupos de trabalhos e reuniões;
11) Coordenação central das comunicações entre projetos;
12) Ferramenta de apoio ao gerenciamento de recursos críticos;
13) Distribuição e controle dos recursos humanos;
14) Disponibilização de área virtual para atividades de mentoring ou
coaching em gerenciamento de projetos;
15) Apoio tecnológico à realização de desenvolvimento de carreira para
os gerentes de projeto e equipe de projeto;
16) Comunicação de programas de treinamentos;
17) Personalização e configuração flexível para administração do portal
de gerenciamento de projeto da organização;
18) Edição de relatórios executivos e de governança contendo as
informações do portfólio dos projetos e
19) Suporte e assessoria à alta administração da organização.
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AMBIENTE OPERACIONAL
PRODUTO ALTIMÉTRICO REGIONAL PARA
A ÁREA DE INTERESSE DA REDE TEMÁTICA
DE MODELAGEM E OBSERVAÇÃO
OCEANOGRÁFICA (REMO)
Regional altimetry product to the area of interests of the
Oceanographic Modeling and Observation Network (REMO)
Victor Bastos Daher1, Paulo Roberto Costa Junior2
Resumo: Neste trabalho foram analisados dados de Altura
da Superfície do mar medidos por satélites processados exclusivamente para serem assimilados nos modelos numéricos da
REMO. Estes dados são processados pelo Instituto Francês
Collecte Localisation Satellite (CLS) dentro do projeto
denominado Altimetry Tailored and Optimized for Brazilian
Applications (ATOBA) que foi assinado em 2012 entre a
REMO e o CLS. Os dados do ATOBA foram analisados e
comparados com os produtos altimétricos globais de uso livre
e com dados in situ.
Palavras-chave: Altimetria. Satélite. Oceanografia.
Abstract: In this study, data from the Sea Level Anomaly (SLA)
1. INTRODUÇÃO
armazenado na coluna d’água, variações na profundidade da
termoclina, interações entre maré oceânica e ondas internas
(DUCET et al., 2000; POLITO et al., 2000; RYAN et al.,
2006). Devido a esta característica e outras como a precisão
e grande abrangência espacial dos dados altimétricos, a técnica tornou-se igualmente importante também no campo da
assimilação de dados em modelos numéricos oceanográficos.
Dessa forma, torna-se cada vez mais difícil encontrarmos na
literatura recente estudos da dinâmica oceânica que prescindam
da utilização direta ou indireta desse tipo de dado (PUJOL e
LARNICOL, 2005; RIO et al., 2007; PASCUAL et al., 2006).
A altimetria por satélite modificou a forma com que se
pode analisar um dado medido remotamente. Isso acontece
pois, ao contrario da maioria dos dados obtidos por sensoriamento remoto que permitem a obtenção de informações de
processos oceânicos que ocorrem na superfície ou no máximo
na zona fótica, as medidas altimétricas da superfície do oceano
permitem que obtenhamos informações sobre processos que
ocorrem também em subsuperfície. Eles permitem estimarmos, por exemplo, correntes geostróficas, quantidade de calor
measured by satellite and processed in order to be assimilated in
the REMO oceanic numeric model were analyzed. These data
are processed by the French Institute Collecte Localisation
Satellites (CLS) as part of the project called Altimetry Tailored
and Optimized for Brazilian Applications (ATOBA), which
was signed in 2012 by REMO and CLS. The data were ana-
lyzed and compared with global altimetry products and with
in situ measurements.
Keywords: Altimeter. Satellites. Oceanography.
1. Oceanógrafo no Centro de Hidrografia da Marinha – Niterói, RJ – Brasil. Mestre em oceanografia Física pelo Instituto Oceanográfico da Universidade de São Paulo –
São Paulo, SP – Brasil. E-mail: [email protected]
2. Capitão-de-Corveta na Marinha do Brasil – Niterói, RJ – Brasil. Mestre em engenharia oceânica pelo Instituto Alberto Luiz Coimbra de Pós-Graduação e Pesquisa de
Engenharia da Universidade Federal do Rio de Janeiro – Rio de Janeiro, RJ – Brasil. E-mail: [email protected]
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Victor Bastos Daher e Paulo Roberto Costa Junior
Diante da preocupação da equipe Rede de Modelagem
e Observação Oceanográfica - Centro de Hidrografia da
Marinha (REMO-CHM – http://www.rederemo.org) em
manter-se atualizada na pesquisa e na modelagem oceanográfica, foi firmado no ano de 2012 um contrato com o Collected
Localisation Satellites (CLS – http://www.cls.fr/). Essa aliança
deu origem ao projeto denominado Altimetry Tailored and
Optimized for Brazilian Applications (ATOBA). Este tem
como objetivo o refinamento e desenvolvimento de dados de
Anomalia da Altura da Superfície do Mar (AASM), processados especificamente para as regiões de interesse da REMO.
Informações que devem auxiliar a pesquisa da oceanografia
observacional e a assimilação de dados em modelos numéricos.
A análise dos resultados obtidos pelo projeto ATOBA
é apresentada neste trabalho de forma a validar e verificar
as melhorias obtidas pelo novo processamento aplicado aos
dados altimétricos.
2. OBJETIVO
O objetivo deste trabalho é analisar o produto regional
de altimetria por satélite desenvolvido especificamente para
a área de interesse da REMO e realizar a inter-comparação
entre estes dados e aqueles processados com a metodologia
já existente e ajustada à dados globais. A comparação é feita
utilizando-se dados along track (dados medidos ao longo da
trajetória do satélite) e os satélites utilizados são os satélites
de ciclo repetitivo Jason1 e Jason2.
3. DADOS
Atualmente, existe uma gama variada de dados de altimetria por satélites. Eles diferenciam-se, entre si, basicamente
pelos tipos de correções realizadas, pela filtragem de determinados comprimentos de onda, ou ainda pelo esquema de
interpolação e tempo para disponibilização.
As correções aplicadas aos dados de AASM são divididas
em correções atmosféricas e geofísicas. Elas visam corrigir
as variações da velocidade de propagação da onda de radar
ao longo da atmosfera e as oscilações da altura da superfície
do mar causadas por fenômenos geofísicos, respectivamente.
A filtragem dos dados altimétricos tem por objetivo eliminar ruídos de pequena e média escalas existentes nos dados
along-track. Após a filtragem, pode ser aplicada uma sub-amostragem along track para diminuir a quantidade de dados,
uma vez que parte do sinal é eliminada durante a filtragem.
Para preservar ao máximo a energia presente em certos
comprimentos de onda por regiões, os comprimentos dos
filtros utilizados e a sub-amostragem dos dados along-track
podem variar por faixa de latitude. Abaixo são apresentadas
as características principais que tornam os dados do projeto ATOBA diferentes dos dados processados globalmente
(dados distribuídos gratuitamente pelo Archiving, Validation
and Interpretation of Satellite Oceanographic data – AVISO).
3.1. DADOS GLOBAIS
Para padronizar e agrupar os dados de múltiplos satélites altimétricos, o CLS mantém, junto ao Centre National
D’études Spatiales (CNES), um projeto denominado Ssalto
multimission ground segment/Data Unification and Altimeter
Combination System (Ssalto/Duacs). O referido projeto disponibiliza dados através do AVISO, que são calibrados e
homogeneizados entre si, conferindo aos mesmos uma das
melhores precisões existentes. Estes permitem ainda a realização de estudos de processos oceanográficos em escalas
espaciais e temporais impossíveis de serem realizadas utilizando-se dados de apenas um satélite. A Tabela 1 apresenta
as características que diferenciam os dados processados pelo
projeto Ssalto/Duacs e ATOBA.
3.2. DADOS REGIONAIS
Dentro do projeto ATOBA, foram selecionadas três diferentes áreas: V0 (Oceano Atlântico, longitudes 98°W a 20°E
e latitudes 50°N a 78°S); V1 (Atlântico Tropical e Sul, longitudes 68°W a 18°W e latitudes 10°N a 45°S); e V2 (longitudes
54°W a 32°W e latitudes 11°S a 35°S). A Figura 1 apresenta
as áreas citadas. Para cada uma dessas áreas os dados altimétricos são processados com diferentes filtragens, resoluções
e correções de maré oceânica.
O produto gerado para a área V0 contempla apenas
dados along-track com resolução de aproximadamente 20 km.
As únicas diferenças entre estes e os disponibilizados
pelo Salto/Duacs envolvem somente os comprimentos
dos filtros utilizados e a resolução espacial (Tabela 1).
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Revista Pesquisa Naval, Brasília - DF, n. 26, 2014, p. 22-33
Victor Bastos Daher e Paulo Roberto Costa Junior
Nos dados processados para a região V1, além das mudanças de filtragem e sub-amostragem, é aplicada como correção
de maré oceânica as alturas de maré estimadas pelo modelo
hidrodinâmico FES-2012. Os dados do Salto/Duacs, assim
como os dados ATOBA, na região V0, utilizam como correção
de maré oceânica as alturas de maré estimadas pelo modelo
50°N
V0
25°N
GOT4.8. Os dados along-track da região V1 possuem resolução espacial de aproximadamente 6 km. Nesta região, também
são gerados dados em grade regular com resolução espacial
de 1/8°, cujo método de interpolação segue a metodologia
desenvolvida por Le Traon et al. (1998). Cabe ressaltar que a
análise destes campos não faz parte do escopo deste trabalho.
A resolução do dado along-track do produto V2 é de aproximadamente 1.5 km e a correção de maré oceânica é feita utilizando o modelo FES-2012. Quando da redação final deste
artigo, estes dados se encontravam em desenvolvimento no
CLS e os resultados estavam sendo avaliados pelo instituto.
3.3. DADOS DE MARÉGRAFOS
Para dar mais robustez aos resultados, foram selecionados
23 marégrafos ao longo da costa brasileira. Suas constantes
harmônicas foram obtidas do arquivo da Fundação de Estudos
do Mar (FEMAR). A lista dos marégrafos, assim como suas
coordenadas e números de dias utilizados para estimar as constantes harmônicas de maré, é descrito na Tabela 2. Foram analisadas as oito principais componentes diurnas e semidiurnas
de maré (M2, S2, N2, K1, O1, K2, P1 e Q1), as quais possuem a
maior parte da energia do sinal da maré nesta área.
V1
0°
V2
25°S
50°S
4. METODOLOGIA
75°S
90°W
60°W
30°W
0°
A metodologia empregada na análise do produto ATOBA
baseou-se na comparação desses dados com aqueles fornecidos pelo Ssalto/Duacs, disponibilizados pela AVISO. Para os
dados along-track, foram feitas comparações envolvendo análise
espectral along-track, análise nos pontos crossover, correlação
30’
Figura 1. Áreas de estudo do Projeto ATOBA: V0
(verde), V1 (azul) e V2 (vermelha).
Tabela 1. Característica que diferenciam os dados utilizados.
Faixas de Latitude
Ssalto/Duacs
(em graus)
Comprimento dos filtros aplicados nos
dados colineares (along track)
Resolução dos dados colineares
Resolução dos dados em grade regular
Correção de Maré oceânica
0–10
10–20
20–30
30–40
40–90
0–10
10–20
20–30
30–90
–
–
235 km
190 km
135 km
90 km
58 km
45 km
40 km
25 km
20 km
1/4°
GOT4.8
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ATOBA
V0
98 km
63 km
ATOBA
V1
ATOBA
V2
98 km
78 km
65 km
76 km
52 km
20 km
~6 km
1,5 km
–
GOT4.8
1/8°
FES2012
1/12°
FES2012
Victor Bastos Daher e Paulo Roberto Costa Junior
dos dados de satélite com dados de marégrafos, conforme
descrito a seguir. Também foi realizada uma comparação dos
resultados dos modelos de maré FES2012 e GOT4.8 com
as constantes harmônicas de marégrafos.
10°N
0°
4.1. ANÁLISE ESPECTRAL DOS DADOS
ALONG-TRACK
10°S
A análise espectral along track é uma forma de se observar a quantidade de energia presente nos comprimentos de
onda, de pequena à grande escala, para cada tipo de dado altimétrico. Com isto, é possível verificar o efeito da filtragem e
sub-amostragem aplicada para cada tipo de dado e em cada
faixa de latitude. Neste trabalho, a análise espectral é feita
para cada track de uma mesma faixa de latitude e, por fim, é
calculado o espectro médio para a referida faixa latitudinal.
A Figura 2 representa a divisão da METAAREA-V por faixa
de latitude com os tracks do satélite Jason-2.
20°S
30°S
40°S
60°W
50°W
40°W
30°W
20°W
Figura 2. Faixas de latitude utilizadas para a análise
espectral dos dados colineares.
4.2. ANÁLISE DE PONTOS CROSSOVER
Os pontos de crossover representam as regiões onde dois
tracks se cruzam (Figura 3). Ao considerarmos que a AASM
Tabela 2. Lista dos marégrafos utilizados.
Marégrafos
Lat (o)
Long (o)
1
Penrod 06
3,0000
-49,2850
Dias
30
2
3
4
5
6
7
8
9
Arquipélago São Pedro e São Paulo
Mucuripe
Ilha de Fernando de Noronha 05
Natal
Ilha de Itamaracá
Recife
Plataforma OCM1 - Oceanica
Aratu
0,9200
-3,7150
-3,8283
-5,7900
-7,7750
-8,0566
-11,0000
-12,7900
-29,3433
-38,4766
-32,4000
-35,2233
-34,8883
-34,8650
-34,9933
-38,4950
424
30
30
31
31
352
31
30
10
11
Terminal Usiba
Ilhéus
-12,8216
-14,7983
-38,2166
-39,0383
30
31
12
13
Abrolhos
Tubarão
-17,9600
-20,2850
-38,7033
-40,2416
27
31
14
15
Ilha de Trindade
Enchova II
-20,5033
-22,7000
-29,3116
-40,8366
360
10
16
17
Montao de Trigo
Ilha das Palmas
-23,8583
-24,0083
-45,7800
-46,3266
29
29
18
19
20
21
22
23
Ilha das Cobras
Guaratuba
Ilha da Rita
Ilha do Arvoredo
Torres
Sarita
-25,4816
-25,8733
-26,2516
-27,2833
-29,3466
-32,6300
-48,4316
-48,5816
-48,7133
-48,3583
-49,7250
-52,4283
121
30
30
20
30
14
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Victor Bastos Daher e Paulo Roberto Costa Junior
não deve mudar em um intervalo de tempo pequeno (5 dias)
(LE TRAON e OGOR, 1998) e sabendo que os tracks se
cruzam no tempo que varia de 0,5 a 10 dias para os dados dos
satélites Jason-1 e Jason-2, é possível analisar o desempenho
dos altímetros utilizando-se a AASM medida nos pontos
crossover. Em outras palavras, se calcularmos a diferença das
AASM medidas em duas passagens consecutivas em um
crossover (diferença crossover), dependendo do tempo entre
essas duas passagens, o resultado deveria ser nulo. Assim, uma
forma de avaliar o desempenho da estimativa da AASM é
calcular a variância da diferença crossover, onde, para dois tipos
de dados submetidos a uma mesma filtragem, quanto menor a
variância da diferença crossover, melhor é considerado o dado.
4.3. COMPARAÇÃO ENTRE AASM MEDIDAS
POR SATÉLITE E AASM MEDIDAS POR
MARÉGRAFOS
Como para todos os aparelhos e medidas de sensoriamento
remoto, a forma de se avaliar o desempenho dos satélites altimétricos e o processamento de seus dados é compará-los com
medidas in situ. Assim, os dados de altura da superfície do mar
medidos por marégrafos, após tratamentos específicos, são indicados para a validação dos dados de AASM medidos por satélites.
Uma vez que os dados de AASM medidos por satélites são corrigidos de efeitos geofísicos como maré, pressão
atmosférica (correção de barômetro invertido) e variações
de alta frequência causados pelo vento, os dados dos marégrafos devem ser tratados de forma a retirar dessas medidas
tais efeitos. O efeito de barômetro invertido, junto com as
variações do nível do mar causadas por variações de alta
frequência dos ventos, são retirados dos dados dos marégrafos (da mesma forma que são retirados dos dados dos
satélites) utilizando-se o modelo denominado Dynamic
Atmospheric Correction (DAC). Este modelo realiza uma
combinação ótima da alta frequência do modelo barotrópico MOG2D/TUGO e a baixa frequência relativa ao
efeito do barômetro invertido (CARRÈRE e LYARD,
2003). Para retirar as variações do nível do mar causadas
por maré oceânica, subtrai-se, dos dados dos marégrafos, a
altura de maré prevista utilizando as componentes harmônicas calculadas para os referidos marégrafos (Equação 1).
TGcorr = TG – DAC – Tide_pred
10°N
(1),
em que TGcorr é o dado do marégrafo corrigido,TG é o dado do
marégrafo bruto, DAC é a correção de alta frequência do modelo
barotrópico MOG2D mais a baixa frequência do efeito de barômetro invertido e Tide_pred é a maré oceânica prevista palas
constantes harmônicas estimadas com os dados do marégrafo.
0°
10°S
4.4. COMPARAÇÃO ENTRE OS MODELOS
DE MARÉ GOT4.8 E FES2012 E
MARÉGRAFOS
20°S
30°S
40°S
60°W
50°W
40°W
30°W
20°W
Asteriscos vermelhos: Pontos de crossover.
Figura 3. Pontos crossover para os dados do satélite
Jason-1 na METAAREA-V.
Como já descrito anteriormente, para o processamento dos
dados ATOBA-V0, foram utilizadas como correção de maré
oceânica as estimativas de maré feitas pelo modelo hidrodinâmico de maré GOT4.8. Já para o processamento dos dados
do ATOBA-V1, foi utilizado o FES2012. Para quantificar
a diferença entre a amplitude e a fase das componentes de
maré estimadas por estas duas fontes de dados e as estimadas pelo marégrafos, utilizou-se o RMSmisfit (Equação 2).
RMSmisfit=(∑1/2[(H1cos(g1)-H2cos(g2)]2+[H1sin(g1)H2sin(g2)]2)1/2(2),
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em que H1 e g1 são, respectivamente, a amplitude e a fase das
componentes de maré obtidas pelos modelos, e H2 e g2 são,
respectivamente, a amplitude e a fase obtidas por outro modelo
ou resultado da analise harmônica dos dados dos marégrafos.
A comparação entre marégrafo e modelo foi feita para o ponto
de grade dos modelos mais próximo aos marégrafos.
5. RESULTADOS E DISCUSSÕES
Na Figura 4, são apresentados os espectros médios do ano de
2011 por faixa de latitude para os dados ATOBA-V0 (vermelho), Duacs filtrado (azul) e Duacs sem filtro (preto) do satélite
Jason-2. É possível observar que, nas faixas de latitude onde o
comprimento do filtro utilizado nos dados ATOBA e DUACS
são diferentes (de 0 a 30° – Tabela 1), o dado ATOBA-V0
conserva mais energia na meso-escala. Esta maior energia
observada nos dados ATOBA-V0 demonstra o efeito da filtragem e sub-amostragem utilizadas, conforme apresentado
na Tabela 1. Vale lembrar que, entre estes dois tipos de dados,
somente estes dois processamentos foram alterados. Todas as
correções atmosféricas e geofísicas foram mantidas inalteradas
para todas as faixas de latitude. Diante disso, nas latitudes acima
de 40°, os dados ATOBA-V0 e Duacs filtrado são idênticos.
O mesmo padrão é observado quando são analisados os
espectros dos dado along track do satélite Jason-1 (Figura 5).
A Figura 6 representa a comparação entre os dados
along track do ATOBA-V0 e ATOBA-V1. Para estes
dois tipos de dados, além de se alterar o comprimento
do filtro, foram alteradas as correções de maré oceânica,
GOT4.8 para o V0 e FES2012 para o V1. Pelos espectros, pode-se notar que a maior diferença entre os dois
Espectro da SLA-J2 media de 2011 (Latitudes 10-20)
105
100
cm2/km
cm2/km
Espectro da SLA-J2 media de 2011 (Latitudes 0-10)
105
Duacs vfec
ATOBA vfec
100
Duacs vfec
ATOBA vfec
Duacs vxxc
10
1
10
Comprimento da onda (km)
2
Duacs vxxc
10
10
3
1
cm2/km
cm2/km
Duacs vfec
ATOBA vfec
100
Duacs vfec
ATOBA vfec
Duacs vxxc
10
1
10
Comprimento da onda (km)
2
Duacs vxxc
10
10
3
1
Duacs vfec
ATOBA vfec
10
Comprimento da onda (km)
2
100
Duacs vfec
ATOBA vfec
Duacs vxxc
101
102
Comprimento da onda (km)
103
Espectro da SLA-J2 media de 2011 (Latitudes 50-60)
105
cm2/km
cm2/km
Espectro da SLA-J2 media de 2011 (Latitudes 40-50)
105
100
103
Espectro da SLA-J2 media de 2011 (Latitudes 30-40)
105
Espectro da SLA-J2 media de 2011 (Latitudes 20-30)
105
100
10
Comprimento da onda (km)
2
Duacs vxxc
103
101
102
Comprimento da onda (km)
103
Figura 4. Espectros médios do ano de 2011 por faixa de latitude para os dados colineares ATOBA-V0 (vermelho),
Duacs filtrado (azul) e Duacs sem filtro (preto) do satélite Jason-2.
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Victor Bastos Daher e Paulo Roberto Costa Junior
Duacs vfec
Duacs
ATOBAvfec
vfec
Duacs
vfec
ATOBA
vfec
Duacs vxxc
ATOBA
vfec
Duacs vxxc
2 2 2
cm
/km
cm
cm
/km
/km
102
101
103
Duacs vxxc
102 da onda (km)
101
103
Comprimento
102 da onda (km)
101
103
Comprimento
Espectro da SLA-J1
media de da
2011
(Latitudes
Comprimento
onda
(km) 20-30)
Espectro
da SLA-J1 media de 2011 (Latitudes 20-30)
105
Espectro
da SLA-J1 media de 2011 (Latitudes 20-30)
105
105
100
100
100
Duacs vfec
Duacs
ATOBAvfec
vfec
Duacs
vfec
ATOBA
vfec
Duacs vxxc
ATOBA
vfec
Duacs vxxc
2 2 2
cm
/km
cm
cm
/km
/km
3
101
102
Duacs vxxc 10
101
102 da onda (km)
103
Comprimento
Comprimento
101
102 da onda (km)
103
Espectro da SLA-J1
media de da
2011onda
(Latitudes
Comprimento
(km) 40-50)
Espectro
da SLA-J1 media de 2011 (Latitudes 40-50)
105
Espectro
da SLA-J1 media de 2011 (Latitudes 40-50)
105
5
10
100
100
100
101
101
101
Duacs vfec
Duacs
ATOBAvfec
vfec
Duacs
vfec
ATOBA
vfec
Duacs vxxc
ATOBA
vfec
Duacs vxxc
3
102
Duacs vxxc 10
2
3
10
10
Comprimento
2 da onda (km)
3
10
10
Comprimento da onda (km)
Comprimento da onda (km)
2 2 2
cm
/km
cm
cm
/km
/km
100
100
100
Espectro da SLA-J2 media de 2011 (Latitudes 10-20)
Espectro
da SLA-J2 media de 2011 (Latitudes 10-20)
105
Espectro
da SLA-J2 media de 2011 (Latitudes 10-20)
105
5
10
Duacs vfec
100
100
100
Duacs
ATOBAvfec
vfec
Duacs
vfec
ATOBA
vfec
Duacs vxxc
ATOBA
vfec
Duacs vxxc
102
101
103
Duacs vxxc
102 da onda (km)
101
103
Comprimento
102 da onda (km)
101
103
Comprimento
Espectro da SLA-J1
media de 2011
(Latitudes
Comprimento
da onda
(km) 30-40)
Espectro
da SLA-J1 media de 2011 (Latitudes 30-40)
105
Espectro
da SLA-J1 media de 2011 (Latitudes 30-40)
105
105
2 2 2
cm
/km
cm
cm
/km
/km
2 2 2
cm
/km
cm
cm
/km
/km
Espectro da SLA-J1 media de 2011 (Latitudes 0-10)
Espectro
da SLA-J1 media de 2011 (Latitudes 0-10)
105
Espectro
da SLA-J1 media de 2011 (Latitudes 0-10)
105
105
dado ATOBA-V0 possui uma maior variância da diferença
crossover, pois é menos filtrado que o dado DUACS
(Tabela 1). Nas latitudes superiores a 30°S os dados são
os mesmos (Tabela 1), o que explica os valores zero da
diferença representada pelo eixo y da Figura 7.
Porém, para um ponto crossover específico, o valor
da diferença é superior em até três ordens de grandeza
do que qualquer outro ponto. Isto demonstra que, neste
ponto, a filtragem aplicada ao dado ATOBA-V0 não foi
capaz de eliminar algum erro de correção (atmosférica
ou geofísica), o qual foi eliminado com a filtragem aplicada ao dado DUACS. Para sabermos em que região ocorreu esta discrepância entre as variâncias das diferenças crossover, foi
plotado o mapa da região com as diferenças entre as
100
100
100
Duacs vfec
Duacs
ATOBAvfec
vfec
Duacs
vfec
ATOBA
vfec
Duacs vxxc
ATOBA
vfec
Duacs vxxc
3
101
102
Duacs vxxc 10
Comprimento
101
102 da onda (km)
103
2 da onda (km)
Comprimento
101 da SLA-J1
103
Espectro
media 10
de 2011
(Latitudes
50-60)
Comprimento
da
onda
(km)
Espectro
da SLA-J1 media de 2011 (Latitudes 50-60)
105
Espectro
da SLA-J1 media de 2011 (Latitudes 50-60)
105
105
2 2 2
cm
/km
cm
cm
/km
/km
tipos de dados se deve principalmente à filtragem aplicada. Ou seja, as maiores diferenças ocorrem nas faixas
de latitude onde os comprimentos dos filtros estão mais
distantes um do outro (Tabela 1). Assim, a mudança nas
correções de maré não alteram significativamente os
espectros médios along track.
A primeira análise dos pontos crossover verifica a
diferença entre as variâncias das diferenças crossover dos
dados ATOBA-VO e Duacs. A Figura 7 representa os
resultados dessa análise, sendo que o eixo x representa
os pontos crossover, e o eixo y representa a variância da
diferença crossover do dado ATOBA-VO menos a variância
da diferença crossover do dado Duacs. Observa-se que os
valores das diferenças das variâncias são todos positivos
ou nulos, o que mostra o efeito da filtragem. Ou seja, o
100
100
100
101
101
101
Duacs vfec
Duacs
ATOBAvfec
vfec
Duacs
vfec
ATOBA
vfec
Duacs vxxc
ATOBA
vfec
Duacs vxxc
3
102
Duacs vxxc 10
2
3
10
10
Comprimento
2 da onda (km)
3
10
10
Comprimento da onda (km)
Comprimento da onda (km)
Figura 5. Espectros médios do ano de 2011 por faixa de latitude para os dados colineares ATOBA-V0 (vermelho),
Duacs filtrado (azul) e Duacs sem filtro (preto) do satélite Jason-1.
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Victor Bastos Daher e Paulo Roberto Costa Junior
222
cm
cm
cm
/km
/km
/km
0
0
10
10
100
ATOBA-VO
ATOBA-VO vfxc
vfxc
ATOBA-VO vfxc
ATOBA-V1
ATOBA-V1 vfxc
vfxc
ATOBA-V1 vfxc
222
cm
cm
cm
/km
/km
/km
10111
10333
10222
10
10
10
10
10
10
Comprimento
da
onda
(km)
Comprimento
da
onda
(km)
Comprimento da onda (km)
Espectro
da
SLA-J2 media
media de
de 2011
2011 (Latitudes
(Latitudes 20-30)
Espectro
da
SLA-J2
20-30)
Espectro
da SLA-J2 media de 2011 (Latitudes 20-30)
10555
10
10
0
0
10
10
100
10222
10
10da onda (km)
Comprimento
Comprimento
da onda
onda (km)
(km)
Comprimento da
222
cm
cm
cm
/km
/km
/km
10111
10
10
ATOBA-VO vfxc
vfxc
ATOBA-VO
ATOBA-VO vfxc
ATOBA-V1 vfxc
vfxc
ATOBA-V1
ATOBA-V1 vfxc
Espectro
da
SLA-J2 media
de 2011
(Latitudes 10-20)
Espectro
da
Espectro
da SLA-J2
SLA-J2 media
media de
de 2011
2011 (Latitudes
(Latitudes 10-20)
10-20)
10555
10
10
10000
10
10
ATOBA-VO
ATOBA-VO vfxc
vfxc
ATOBA-VO vfxc
ATOBA-V1
ATOBA-V1 vfxc
vfxc
ATOBA-V1 vfxc
11
10
10
101
222
cm
cm
cm
/km
/km
/km
222
cm
cm
cm
/km
/km
/km
Espectro
da
SLA-J2 media
de 2011
(Latitudes 0-10)
Espectro
da
Espectro
da SLA-J2
SLA-J2 media
media de
de 2011
2011 (Latitudes
(Latitudes 0-10)
0-10)
5
5
10
105
10
10222
10
10 da onda (km)
Comprimento
Comprimento
Comprimento da
da onda
onda (km)
(km)
Espectro da
SLA-J2 media
media de
de 2011
2011 (Latitudes
(Latitudes
Espectro
da
SLA-J2
Espectro
da
SLA-J2
media
de
2011
(Latitudes
5
5
10
10
105
10000
10
10
10333
10
10
10111
10
10
ATOBA-VO vfxc
vfxc
ATOBA-VO
ATOBA-VO vfxc
ATOBA-V1 vfxc
vfxc
ATOBA-V1
ATOBA-V1 vfxc
10222
10
Comprimento
da
onda
(km)
Comprimento10da
da onda
onda (km)
(km)
Comprimento
3
3
10
10
103
30-40)
30-40)
30-40)
10333
10
10
Espectro
da
SLA-J2
de
(Latitudes
Espectro
da
SLA-J2 media
media
de 2011
2011
(Latitudes 40-50)
40-50)
Espectro
da SLA-J2
media de
2011 (Latitudes
40-50)
5
5
10
10
105
10000
10
10
10111
10
10
ATOBA-VO vfxc
vfxc
ATOBA-VO
ATOBA-VO vfxc
ATOBA-V1 vfxc
vfxc
ATOBA-V1
ATOBA-V1 vfxc
10222
10
10
Comprimento
Comprimento da
da onda
onda (km)
(km)
Comprimento
da
onda
(km)
10333
10
10
Figura 6. Espectros médios do ano de 2011 por faixa de latitude para os dados colineares ATOBA-V0 (azul) e
ATOBA-V1 (vermelho) do satélite Jason-2.
VAR (diff (ATOBA_VO)) - VAR (diff (DUACS_vfxc))
Jason 2
0,05
0,045
0,04
0,03
Latitude
m2
0,035
0,025
0,02
0,015
0,01
0,005
0
VAR (diff (ATOBA_VO)) - VAR (diff (DUACS_vfxc))
Jason 2
0,05 m2
5
0,04
0
0,03
-5
0,02
-10
0,01
-15
0
-20
-0,01
-25
-0,02
-30
20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220
Número do ponto Crossover
Figura 7. Análise crossover entre o dado ATOBA-V0
e Duacs. O eixo x representa os pontos crossover e o
eixo y representa a variância da diferença crossover
do dado ATOBA-VO, menos a variância da diferença
crossover do dado Duacs.
-0,03
-35
-0,04
-40
-60 -55 -50 -45 -40 -35 -30 -25 -20
Longitude
-0,05
Figura 8. Variância da diferença crossover do dado
ATOBA-VO, menos a variância da diferença crossover
do dado Duacs.
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Revista Pesquisa Naval, Brasília - DF, n. 26, 2014, p. 22-33
Victor Bastos Daher e Paulo Roberto Costa Junior
variâncias da diferença crossover dos dados ATOBA-VO
e DUACS em escalas de cor (Figura 8). Na Figura 8,
pode-se observar que o maior valor da diferença ocorreu
próximo a Foz do Rio Amazonas. Como é sabido que,
nesta região, a maré oceânica possui uma grande amplitude e uma grande complexidade, pode-se atribuir esta
discrepância aos erros advindos da correção de maré, que
VAR (diff (ATOBA_V1)) - VAR (diff (ATOBA_VO_vfxc))
Jason 2
0
-0,05
-0,01
m2
-0,015
-0,02
-0,025
-0,03
-0,035
20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220
Número do ponto Crossover
Eixo x: pontos crossover, Eixo y: variância diferença
crossover do dado ATOBA-V1 menos a variância da
diferença crossover do dado ATOBA-V0.
Figura 9. Análise crossover entre o dado ATOBA-V0 e
ATOBA-V1.
VAR (diff (ATOBA_V1)) - VAR (diff (DUACS_vfxc))
Jason 2
c
5
0,03
0
0,02
-5
Latitude
-10
0,01
-15
0
-20
-25
-0,01
-30
-0,02
-35
-40
-0,03
-60 -55 -50 -45 -40 -35 -30 -25 -20
Longitude
Figura 10. Variância da diferença crossover do dado
ATOBA-V1 menos a variância da diferença crossover do
dado ATOBA-V0 para o ano de 2011.
não foram eliminados durante a filtragem along track do
dado ATOBA-V0.
Esta mesma análise de crossover foi aplicada na comparação do dado ATOBA-V0 e ATOBA-V1 (Figuras 9 e 10).
Neste caso, observa-se uma homogeneidade na distribuição
espacial dos pontos onde ocorrerram reduções da variância da
diferença crossover com os pontos onde ocorreram aumento
da mesma.
Porém, para os pontos onde houve a redução da variância,
a magnitude desta é até duas ordens de grandeza maior que
a magnitude do aumento da variância para os outros pontos
(Figura 9). Em outras palavras, comparado ao processamento
do dado ATOBA-V0, o processamento do dado ATOBA-V1
ocasionou uma maior diminuição da variância da diferença
crossover. Além disto, nota-se que para o ponto próximo a Foz
do Rio Amazonas, onde a variância da diferença crossover do
dado ATOBA-V0 era maior do que a do dado Duacs. Este
foi o ponto onde o processamento do dado ATOBA-V1 mais
conseguiu reduzir a variância da diferença crossover.
Como o comprimento dos filtros aplicados por banda de
latitude no dado ATOBA-V0 são bem próximos dos aplicados ao dado ATOBA-V1, pode-se atribuir às mudanças da
variância da diferença crossover a alteração das correções de
maré oceânica (ATOBA-V0 utiliza GOT4.8 e ATOBA-V1
utiliza o FES2012).
Para comparar os resultados dos processamentos do
ATOBA-V0 e ATOBA-V1 com o marégrafo da Ilha Fiscal –
RJ, são mostrados dois mapas de correlação, um para cada
tipo de processamento. A Figura 11 mostra os resultados
destas correlações considerando o satélite Jason-2. Pela
escala de cor, fica evidente na Figura 11, que nas proximidades do marégrafo os dados processados pelo ATOBA-V1
estão mais correlacionados com os dados do marégrafo do
que os dados do ATOBA-V0.
A Figura 12 mostra o mesmo resultado para o satélite
Jason-1. Nesta Figura 12, ainda é possível observar que, na
região ao norte de Cabo Frio, nas proximidades da latitude de
21°S, os dados do ATOBA-V1 possuem uma menor correlação com o marégrafo do que os dados do ATOBA-V0. Como
é bem conhecido na literatura, a região de Cabo Frio pode
ser considerada uma região de intensa mudança das condições dinâmicas do oceano local, separando a região ao sul de
Cabo Frio da região ao norte. Isto corrobora com o fato do
dado do ATOBA-V1 representar melhor as condições locais
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Revista Pesquisa Naval, Brasília - DF, n. 26, 2014, p. 22-33
Victor Bastos Daher e Paulo Roberto Costa Junior
A
B
Ilha Fiscal Tide Gauge & J2 data VO TGcorr (filtHP)
(Correlation coefficient)
1
0,8
21°S
22°S
Ilha Fiscal Tide Gauge & J2 data VO TGcorr (filtHP)
(Correlation coefficient)
1
0,8
21°S
0,6
Ilha
Fiscal
22°S
0,4
0,2
23°S
0,6
Ilha
Fiscal
0,4
0,2
23°S
0
24°S
0
-0,2
-0,4
25°S
-0,6
-0,8
26°S
24°S
-0,2
-0,4
25°S
-0,6
-0,8
26°S
46°W 45°W 44°W 43°W 42°W 41°W 40°W
46°W 45°W 44°W 43°W 42°W 41°W 40°W
O triângulo vermelho na costa representa a posição do marégrafo.
Figura 11. Correlações entre os dados do marégrafo da Ilha Fiscal-RJ e os dados do satélite Jason-2 processados pelo
ATOBA-V0 (A) e ATOBA-V1 (B).
A
B
Ilha Fiscal Tide Gauge & J1 data VO TGcorr (filtHP)
(Correlation coefficient)
22°S
1
Ilha Fiscal Tide Gauge & J1 data VO TGcorr (filtHP)
(Correlation coefficient)
1
0,8
Ilha
Fiscal
0,6
0,4
23°S
Ilha
Fiscal
22°S
0
0,2
0
24°S
-0,2
-0,4
25°S
-0,2
-0,4
25°S
-0,6
26°S
-0,8
45°W 44°W 43°W 42°W
41°W 40°W
0,6
0,4
23°S
0,2
24°S
0,8
-0,6
26°S
-0,8
45°W 44°W 43°W 42°W 41°W 40°W
O triângulo vermelho na costa representa a posição do marégrafo.
Figura 12. Correlações entre os dados do marégrafo da Ilha Fiscal-RJ e os dados do satélite Jason-1 processados
pelo ATOBA-V0 (A) e ATOBA-V1 (B).
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Revista Pesquisa Naval, Brasília - DF, n. 26, 2014, p. 22-33
Victor Bastos Daher e Paulo Roberto Costa Junior
de meso-escala do que o ATOBA-V0. Ou seja, os processos
que ocorrem ao norte de Cabo Frio devem possuir uma baixa
correlação com os processos que ocorrem próximos a cidade
do Rio de Janeiro. Para dar mais robustez aos resultados, serão apresentados os resultados da comparação entre os modelos de maré utilizados no processamento dos dados
altimétricos e os 23 marégrafos selecionados ao longo
da costa brasileira (Tabela 2). Os resultados das comparações são apresentados na Figura 13. Nesta figura,
fica evidente que o modelo FES2012 possui um melhor
desempenho que o modelo GOT4.8 nas regiões Norte e
Nordeste do Brasil. Para a região Sudeste, as melhorias
RMSmisfit (FES2012_TG) - RMSmisfit (GOT4.8_TG)
(North Region)
RMSmisfit (FES2012_TG) - RMSmisfit (GOT4.8_TG)
(East Region)
1
2
0
0
-1
-2
cm
cm
4
foram pequenas onde os RMSmisfit entre os marégrafos e os modelos reduziram no máximo 1,3 cm para as
componentes S2 e K2. Para a componente M2, a melhoria não ultrapassa 1 cm. Na região Sul, os resultados
mostram que, para alguns marégrafos, os resultados do
modelo FES2012 são melhores e para outros os resultados do modelo GOT4.8 são superiores. As diferenças
de RMSmisfit variam de 4 à -4 cm.
Uma visão geral das avaliações dos dois modelos
estudados faz concluir que o modelo FES2012 apresenta
um melhor desempenho na METAAREA-V, pois este
conseguiu reduzir o RMSmisfit entre os resultados de
modelo e as medidas de marégrafos.
-4
-6
Ilha de Itamaraca - 19.0655 km
Natal - 29.2853 km
Fernando de Noronha - 18.7852 km
Mucuripe - 20.0225 km
spesp.txt - 15.6123 km
Penrod - 20.8064 km
-8
-10
-12
1
M2
S2
N2
K1
O1 K2
Constantes de Maré
P1
Abrolhos - 18.9356 km
Ilheus - 18.3804 km
Terminal Usiba - 27.403 km
Aratu - 20.7833 km
Plataforma OCM1 0 km
Recife - 14.8501 km
-5
-6
Q1
RMSmisfit (FES2012_TG) - RMSmisfit (GOT4.8_TG)
(Southeast Region)
M2
S2
N2 K1
O1 K2 P1
Constantes de Maré
Q1
RMSmisfit (FES2012_TG) - RMSmisfit (GOT4.8_TG)
(South Region)
4
3
2
1
0
cm
cm
-3
-4
0,5
-0,5
0
-1
Ilha das Palmas - 15.9233 km
Montao de Trigo - 23.7667 km
Enchovall - 25.0026 km
Ilha de Trindade - 19.234 km
Tubarao - 31.52 km
-1
-1,5
-2
M2
S2
N2
K1
O1 K2
Constantes de Maré
P1
Q1
Sarita - 10.911 km
Torres - 22.8437 km
Ilha do Arvoredo - 24.2042 km
Ilha da Rita - 14.2336 km
Guaratuba - 14.3508 km
Ilha das Cobras - 5.0304 km
-2
-3
-4
M2
S2
N2 K1
O1 K2 P1
Constantes de Maré
Q1
Figura 13. RMSmisfit entre o dado dos marégrafos e do modelo GOT4.8 menos o RMSmisfit obtido da comparação
entre os marégrafos e o modelo FES2012.
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Victor Bastos Daher e Paulo Roberto Costa Junior
6. CONCLUSÕES
A análise dos produtos ATOBA V0 e V1 mostrou que esse
novo conjunto de dados apresenta maior energia em meso-escala em relação aos dados disponibilizados pelo Ssalto/Duacs.
Apenas na região da Foz do Rio Amazonas, os dados do Duacs
apresentaram uma menor variância da diferença crossover que
o ATOBA-V0. Isto mostrou que, utilizando-se a mesma correção de maré (modelo GOT4.8), a filtragem aplicada no
processamento do Duacs consegue reduzir mais os erros provenientes da maré quando comparado com o ATOBA-V0.
Esse processo foi resolvido com o desenvolvimento do produto ATOBA-V1, quando a utilização do modelo FES2012,
para se estimar a maré, fez com que os dados apresentassem
uma menor variância da diferença crossover.
Em outras palavras, a comparação entre as variâncias das
diferenças crossover dos dados ATOBA-V0 e V1 mostra que
este último apresenta uma melhor acurácia em relação ao
anterior, especialmente nas regiões costeiras como Foz do
Rio Amazonas e Bacia do Prata. A comparação dos dados
altimétricos com o marégrafo da Ilha Fiscal permitiu verificar
que os dados ATOBA-V1 estão mais próximos dos dados in
situ do que o ATOBA-V0.
Quando analisados os modelos de maré utilizados,
pode-se concluir que as componentes de maré estimadas
pelo FES2012 possuem valores de amplitude e fase mais
próximas das obtidas pela análise dos dados dos marégrafos
(RMSmisfit – até 11 cm menor).
Espera-se, com isso, um aumento na qualidade dos resultados dos modelos oceanográficos operacionais da REMO,
rodados no CHM, após a assimilação dos dados altimétricos ATOBA.
7. AGRADECIMENTOS
Este trabalho foi realizado com financiamento da
PETROBRAS e ANP, dentro do projeto REMO.
REFERÊNCIAS
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description of the ocean mesoscale variability by combining
ocean to atmospheric wind and pressure forcing - comparisons with
four satellite altimeters. Geophysical Research Letters, v. 33, i. 2,
observations. Geophysical Research Letters, v. 30, n. 6, p. 1275, 2003.
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CARRÈRE, L.; LYARD, F.; GUILLOT, A.; CANCET, M. FES 2012: A
POLITO, P.S.; SATO, O.T.; LIU, W.T. Characterization and Validation
new tidal model taking advantage of nearly 20 years of altimetry
of the Heat Storage Variability from TOPEX-POSEIDON at Four
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Research: Biogeosciences (2005–2012), v. 111, i. G2, 10.1029, 2006.
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Revista Pesquisa Naval, Brasília - DF, n. 26, 2014, p. 22-33
ARQUITETURA NAVAL E PLATAFORMA
ALGORITMOS GENÉTICOS APLICADOS
AO PROJETO DE CONCEPÇÃO DE
SUBMARINOS
Genetic algorithms applied to conceptual submarine design
Michel Henrique Pereira1, Bernardo Luis Rodrigues de Andrade2, Kazuo Nishimoto3
Resumo: Apresenta-se neste artigo um estudo sobre a aplicabilidade de algoritmos genéticos ao projeto de concepção de submarinos. Neste estudo, o problema de projeto é tratado como um
problema de otimização (mono e bi-objetivo). Três figuras de
mérito de interesse são analisadas: 1) Minimização de Resistência
ao Avanço (Rav); 2) Maximização de Área de Conveses (Atotal) e
3) Minimização da relação Peso Estrutural/Deslocamento (P/∆).
Modelos analíticos de baixa e média fidelidade são usados para a
obtenção de Rav, Atotal e P/∆. Uma rotina de otimização multiobjetivo, baseada em uma adaptação do algoritmo NSGA II, é utilizada para a determinação de uma Fronteira de Pareto (objetivos
“1” e “2”). Posteriormente, uma rotina de otimização (objetivo “3”),
também baseada em algoritmos genéticos, é aplicada às soluções
pertencentes àquela fronteira. Ao final do processo, um conjunto
de soluções, adequadas às restrições estabelecidas e às figuras de
mérito adotadas, estará disponível para análise e comparação.
Palavras-chave: Otimização. Algoritmos Genéticos. Projeto de
Submarinos.
Abstract: This article presents a study regarding the applicability of genetic algorithms to conceptual submarine design.
In this study, the design problem is treated as an optimization problem (single and bi-objective). Three figures of
merit are analyzed: 1) Minimizing Drag (R av); 2) Maximizing
Deck Area (A total) and 3) Minimizing the Structural Weight/
Displacement ratio (P/Δ). Low and medium fidelity analytical models were used for obtaining R av, Atotal and P/Δ. A
multiobjective optimization routine, based on an adaptation
of the NSGA II algorithm, was used to determine a Pareto
Front (objectives “1” and “2”). Subsequently, another optimization routine (objective “3”), also based on a genetic algorithm, was applied to the solutions of that Pareto Boundary.
At the end of that process, a set of feasible solutions, in accordance with the constraints and adopted figures of merit, will
be available for analysis and comparison.
Keywords: Optimization. Genetic Algorithms. Submarine Design.
1. INTRODUÇÃO
2. A complexidade e considerável amplitude do espaço
de soluções.
O projeto de sistemas complexos de engenharia geralmente apresenta pelo menos duas características que inserem dificuldade na avaliação e escolha das possíveis soluções:
1. A existência de objetivos de projeto múltiplos e, não
raro, conflitantes;
A multiplicidade e a natureza antagônica de certos objetivos e/ou de certos requisitos de projeto tornam complexa a
hierarquização das diversas soluções viáveis. Frequentemente,
as soluções diferem entre si quanto ao grau de atendimento aos
1. Engenheiro Naval pela Escola Politécnica da Universidade de São Paulo – São Paulo, SP – Brasil. Encarregado da Divisão de Arranjos, Superintendência de Projeto
de Submarinos, Centro Tecnológico da Marinha em São Paulo – São Paulo, SP – Brasil. E-mail: [email protected]
2. Doutor em Engenharia Naval pela Escola Politécnica da Universidade de São Paulo – São Paulo, SP – Brasil. Professor Doutor do Departamento de Engenharia Naval
e Oceânica da Escola Politécnica da Universidade de São Paulo – São Paulo, SP – Brasil. E-mail: [email protected]
3. Doutor em Engenharia Naval pela Universidade de Tóquio – Tóquio, Japão. Professor Titular do Departamento de Engenharia Naval e Oceânica da Escola Politécnica
da Universidade de São Paulo – São Paulo, SP – Brasil. E-mail: [email protected]
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Revista Pesquisa Naval, Brasília - DF, n. 26, 2014, p. 34-47
Michel Henrique Pereira, Bernardo Luis Rodrigues de Andrade, Kazuo Nishimoto
objetivos ou critérios de desempenho e há casos em que não é
possível estabelecer categoricamente se dada solução é superior
às outras. Nestes casos, a escolha da solução de projeto engloba o
estudo dos trade-offs envolvidos e a seleção de soluções de compromisso. Por seu turno, a complexidade do espaço de soluções
pode tornar proibitivo (ou mesmo impraticável) o estabelecimento de um modelo analítico que descreva o sistema em sua
totalidade. Além disso, a adoção de modelos de alta fidelidade
para representação da solução pode se revelar computacionalmente onerosa, sobretudo nas etapas iniciais do projeto.
O projeto de navios de guerra, em especial de submarinos, geralmente enquadra-se na descrição acima (BROWN,
2003). O objetivo deste trabalho é explorar a aplicabilidade
de algoritmos genéticos e modelos analíticos de baixa e média
fidelidade ao projeto de concepção de submarinos. Mais especificamente, propõe-se uma avaliação do espaço de soluções
viáveis, de acordo com figuras de mérito preestabelecidas,
baseada em modelos analíticos adequados às fases iniciais de
projeto e em estratégias de otimização evolutiva.
Neste trabalho, a busca da Fronteira de Pareto foi realizada
tanto por meio da formulação “clássica” de algoritmos genéticos como por meio do algoritmo NSGA II.
Após a etapa de otimização multiobjetivo, um novo processo de otimização, da figura de mérito restante, foi aplicado sobre algumas das soluções de projeto pertencentes à
Fronteira de Pareto obtida. A pesquisa empreendida ao longo
do trabalho permitiu a adaptação/elaboração de modelos
analíticos de baixa e média fidelidade para avaliação das três
figuras de mérito. Embora o caráter em geral sigiloso dos
projetos militares restrinja a disponibilidade de informações
acerca do projeto de concepção de submarinos, a bibliografia aberta ora disponível foi suficiente para subsidiar a elaboração de modelos analíticos satisfatórios para os propósitos
deste trabalho. Quanto aos Algoritmos Genéticos e seu uso
em Engenharia Naval, há extensa bibliografia à disposição.
Por fim, os resultados finais alcançados foram analisados e as conclusões e recomendações para trabalhos futuros apresentadas.
2. ABORDAGEM EMPREGADA
3. MODELOS ANALÍTICOS
O propósito deste trabalho é apresentar um procedimento
para o projeto de concepção de submarinos no qual o problema de projeto é tratado como um problema de ­otimização.
Três figuras de mérito foram consideradas como objetivos
do problema: (1) Minimização da Resistência ao Avanço;
(2) Maximização da Área de Convéses; (3) Minimização da
Relação Peso Estrutural/Deslocamento. Para simplificar o
procedimento e facilitar a busca das melhores soluções, o problema de projeto foi tratado de forma hierárquica. Inicialmente
consideraram-se apenas as duas primeiras figuras de mérito,
que são conflitantes, e tratou-se o projeto como um problema
de otimização multiobjetivo.
Em tal contexto, foi realizada a busca da Fronteira de
Pareto, ou seja, da região do espaço de soluções sobre a qual
a tentativa de melhorar o desempenho em um objetivo/
requisito específico vem necessariamente acompanhada de
uma redução ou degradação de desempenho em outro(s)
objetivo(s)/requisito(s). Para uma dada solução pertencente
a tal fronteira, não há como estabelecer em termos dos objetivos estabelecidos, categoricamente e a priori, uma relação
de superioridade em relação às demais soluções da fronteira.
3.1. DEFINIÇÃO GEOMÉTRICA DO NAVIO –
CASCO RESISTENTE E CASCO EXTERNO
Os submarinos contam com um casco resistente (interno)
e um casco não resistente (externo). Detalhes sobre as considerações de projeto envolvidas na definição da geometria
dos cascos fogem ao escopo deste trabalho e estão disponíveis
em Burcher (1994) e Jackson (1992). O parágrafo seguinte
apresenta uma breve explicação do tema, apropriada aos propósitos da presente discussão.
O casco interno deve resistir à pressão hidrostática e prover volume interno suficiente para abrigar os diversos sistemas de bordo. O casco externo (não resistente) abriga as áreas
de livre alagamento e costuma ser projetado para prover o
melhor desempenho hidrodinâmico possível. Considerações
sobre volume, peso estrutural, estabilidade, construtibilidade
etc., permeiam todo o projeto dos cascos e, não raro, soluções
de compromisso devem ser estabelecidas. Neste trabalho, o
modelo adotado para a definição do casco externo hidrodinâmico consta em Jackson (1992). A geometria do casco
resistente (interno) é obtida por meio de uma formulação
simplificada, compatível com o modelo anterior.
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O casco hidrodinâmico foi dividido em três seções; a seção
de ré (AR), o corpo paralelo médio (CPM) e a seção de vante
(AV). Os comprimentos recomendados das seções de ré (La)
e de vante (Lf ) são diretamente proporcionais ao diâmetro.
Arbitrando-se o comprimento total do navio (L), como é o
caso no presente trabalho, o comprimento do corpo paralelo
médio (Lpmb) decorre de imediato. As alturas de meia baliza,
de ré e vante, são definidas em função do diâmetro do submarino, de parâmetros de forma (na e nf ) e das coordenadas
longitudinais (xa e xf ) medidas a partir de referenciais específicos. As meias balizas ao longo do CPM têm altura igual
ao raio do submarino (Tabela 1 e Figura 1).
O casco resistente (CR) é admitido como sendo um cilindro com calotas de fechamento hemisféricas. As calotas têm
raio igual ao raio do submarino e a parte cilíndrica do CR
tem comprimento igual ao do corpo paralelo médio (Lpmb)
do submarino (Figura 2c).
3.2. RESISTÊNCIA AO AVANÇO
Considerações sobre a performance propulsiva desempenham um papel crucial no projeto de submarinos. Tanto
em submarinos convencionais quanto em nucleares, os
equipamentos relacionados à planta propulsora ocupam
considerável porção do volume total a bordo. Além disso,
requisitos de velocidade (máxima/patrulha) e autonomia
submersa costumam limitar consideravelmente a amplitude de soluções disponíveis (BURCHER, 1994). Embora
diversos aspectos de engenharia/arquitetura naval estejam
envolvidos na busca das melhores soluções de projeto,
considera-se de fundamental interesse a minimização da
resistência ao avanço da embarcação (BURCHER, 1994;
HART, 2010).
Em termos gerais, a resistência ao avanço (Rav) de um
corpo movendo-se em um meio fluido é função da densidade
do fluido, no caso a água do mar (ρsw), da velocidade (v), da
Tabela 1. Equacionamento (geometria dos cascos).
Equacionamento
Legenda
La = 3.6* D
Lf = 2.4* D
L = La + Lpmb + Lf
La = comprimento da seção de ré (m)
D = diâmetro do navio (m)
Lf = comprimento da seção de vante (m)
L = comprimento do navio (m)
Lpmb = comprimento do corpo paralelo médio (m)
ya = altura de meia baliza da seção de ré (m)
xa = abscissa da meia baliza (m)
na = fator de forma AR
yf = altura de meia baliza da seção de vante (m)
xf = abscissa da meia baliza (m)
nf = fator de forma AV
ypmb = altura de meia baliza no CPM (m)
n
⎡ ⎛ ⎞ a⎤
x
D ⎢
a
⎥
ya=
12 ⎢ ⎜ L⎟ ⎥
⎝ a⎠
⎣
⎦
nf 1/nf
⎡
⎤
D ⎢ ⎛ xf ⎞ ⎥
yf=
1- ⎜ ⎟
2 ⎢
⎝ Lf ⎠ ⎥
⎣
⎦
ypmb=
D
2
ya
La
xa
D
Lpmb
L
Figura 1. Geometria do casco externo. Adaptado de Jackson (1992).
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xf
yf
Lf
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superfície molhada total do corpo e de certos coeficientes
(friccional, de forma e residual). A potência requerida (P)
para mover um submarino é função das mesmas v­ ariáveis.
Como a parcela da potência requerida devida ao casco é de
cerca de 68% da total (BURCHER, 1994), optou-se neste
trabalho por analisar somente o componente de resistência ao avanço devido ao casco. Logo, apenas a superfície
molhada do casco externo (WS) é considerada (o valor de
WS é obtido por integração numérica a partir da forma geométrica do casco externo).
P=Rav*V=
1
*ρ *V 3*[WS*(Cf+δCf+Cr)](1)
2 sw
Na Equação 1 ( JACKSON, 1992), os termos entre colchetes dependem fundamentalmente da forma do casco
(exceto pelo número de Reynolds, que compõe o cálculo de Cf e depende da velocidade). Assim, o problema
de minimização da resistência foi tratado com foco apenas nestes termos. Uma velocidade de 5,14 m/s (10 nós)
foi utilizada nos cálculos. Os parâmetros, as variáveis de
entrada e o equacionamento do módulo de resistência são
fornecidos a seguir.
3.3. ÁREA DE CONVESES
O arranjo interno de submarinos é de complexidade considerável (BURCHER, 1994) devido ao espaço restrito d
­ isponível
para posicionamento dos sistemas de bordo. Os aspectos de
manutenção, operação e acesso (além dos requisitos de alinhamento/adjacência/justaposição entre sistemas) costumam inserir complexidade adicional à execução dos arranjos
internos. Embora o arranjo interno dos compartimentos não
seja uma tarefa empreendida nas fases iniciais do projeto de
concepção, uma análise preliminar da área de conveses permite avaliar, antecipadamente, a viabilidade de execução dos
arranjos. No presente trabalho, assume-se, por hipótese, que
a maximização da área de conveses seja de interesse do ponto
de vista da execução futura do arranjo do submarino. Para
tanto, um modelo analítico simplificado do cálculo da área
de conveses, adaptado de Hart (2010), foi adotado.
Os parâmetros, as variáveis de entrada do modelo simplificado de área de conveses e o equacionamento empregado são expostos a seguir (Tabelas 4 e 5). As alturas de
conveses são definidas no plano diametral do submarino.
Conforme descrito anteriormente, o casco resistente (CR)
é composto por um cilindro de certo comprimento (Lpmb)
Tabela 2. Parâmetros e variáveis de entrada (módulo de Resistência ao Avanço).
Parâmetros
Variáveis de Entrada
Par.
Definição
Valor
Var.
Definição
V
Velocidade
5,14 (m/s)
D
diâmetro do submarino
ν
viscosidade cinemática da água do mar
1,05 e-6 (m2/s)
L/D
razão comprimento/diâmetro
na
fator de forma AV
nf
fator de forma AR
Tabela 3. Equacionamento (módulo de Resistência ao Avanço).
Equacionamento
Legenda
Fav=WS*(Cf+δCf+Cr)
δCf=0.0004
0.075
Cf=
[log10(Re)-2]2
Fav = fator de resistência ao avanço (m2)
Cf = coeficiente de resistência friccional
Re = número de Reynolds
δCf = coeficiente de resistência residual
Cr = coeficiente de resistência de forma
WS = superfície molhada do casco (m2)
Cwsf = coeficiente de superfície molhada AV
Cwsa = coeficiente de superfície molhada AR
Cr= 0.00789
L/D-K2
WS=π*D2*(L/D-K2)
K2=6-2.4*Cwsf-3.6*Cwsa
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e por calotas de fechamento hemisféricas de raio idêntico
ao do submarino (Figura 2).
A divisão dos conveses é feita da seguinte maneira:
Inicialmente, admite-se que um espaço para máquinas auxiliares, baterias, tanques e/ou equipamentos da propulsão será
reservado na parte inferior do submarino. O pé direito, ou
altura (Hb), deste “compartimento” é definido arbitrariamente.
Neste trabalho, arbitrou-se uma altura de 2,2 m, divididos em:
1,8 m para circulação, 0,2 m para passagem de dutos e cabos
e 0,2 m para a espessura do convés superior (teto). O espaço
vertical restante é dividido em quantos conveses quanto possível, respeitando-se o pé direito mínimo, ou altura mínima,
dos conveses habitáveis (Htd). A altura mínima, ou pé direito
mínimo, dos conveses habitáveis foi definida arbitrariamente
como 2,5 m, divididos em: 2,0 m para circulação, 0,3 m para
passagem de dutos e cabos e 0,2 m para a espessura do convés superior/altura da caverna.
Como pode ser observado, o número mínimo de conveses
será 1 e o número máximo dependerá do diâmetro do navio
(para o limite máximo de diâmetro e Htd adotados neste
trabalho o número máximo de conveses será 4). A partir da
divisão de conveses, a área total (Atotal) pode ser calculada.
Para este cálculo, o “raio” da intersecção do plano do convés
com a calota esférica “ri” é de interesse. O equacionamento
utilizado é apresentado abaixo (Tabela 5 e Figuras 2b e 2c).
3.4. ANÁLISE ESTRUTURAL
A principal função do CR é prover resistência estrutural suficiente para garantir uma operação segura diante da
alta pressão hidrostática encontrada a grandes profundidades. Fixada uma dada profundidade de operação (MOD),
aspectos como custo, peso estrutural e volume interno
costumam ser considerados durante o projeto estrutural.
A minimização da relação Peso Estrutural/Deslocamento
favorece, implicitamente, muitos dos aspectos ligados a tais
considerações. O modelo utilizado para a análise estrutural
consta em Buelta (1987). Trata-se de um modelo de média
fidelidade e de relativa complexidade matemática, de forma
que os detalhes não serão expostos. Diversas novas variáveis são introduzidas nesta formulação (Tabela 6). Neste
módulo, a seguinte hierarquia de falhas é adotada para o
casco resistente:
1. Escoamento do flange das cavernas (primeiro modo de falha).
2. Colapso entre cavernas (segundo modo de falha).
3. Flambagem global (terceiro modo de falha).
Para um dado escantilhamento e dadas dimensões do CR,
o cálculo do peso estrutural (P) e do deslocamento do CR (Δ)
pode ser obtido com base nas respectivas geometrias e nas
densidades do aço e da água do mar. A relação P/Δ decorre
de imediato.
Tabela 4. Parâmetros e variáveis de entrada (módulo de Área de Conveses).
Parâmetros
Variáveis de Entrada
Par.
Definição
Valor
Var.
Definição
Hb
Altura do convés de auxiliares
2,2 (m)
D
Diâmetro do submarino
Htd
Altura dos conveses habitáveis
2,5 (m)
L/D
Razão comprimento/diâmetro
Tabela 5. Equacionamento (módulo de Área de Conveses).
Equacionamento
r i=
 D 2
 
2 
D

2
2


[Hb+(i-1)Htd]
Ai=2ri*Lpmb+πri2
Atotal=
∑
Legenda/Comentários
Ai
ri = raio de interseção do convés “i” (m)
D = diâmetro do navio (m)
Ai = área do convés “i” (m2)
Lpmb = comprimento do corpo paralelo médio (m)
Atotal = Área de conveses total (m2)
i=1 a nº conveses
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A
Htd
Htd
Htd
Hb
B
C
Htd
Lpmb
Htd
Htd
r = D/2
ri
r = D/2
Hb
Figura 2. (A) Casco resistente e divisão de conveses. (B) Divisão dos conveses. (C) Geometria do casco resistente.
Tabela 6. Modelo de análise estrutural.
Variáveis de Projeto
Parâmetros da Função
Var.
Definição
Min
Máx
Par.
Definição
Valor
D
diâmetro (m)
6
12
MOD
profundidade de operação (m)
350
L/D
relação comprimento/diâmetro
8
12
K
fator de segurança (1º modo de falha)
1,5
Lc
espaçamento de cavernas (m)
0,75
1
E
Módulo de Young (GPa) do aço
206
Hc
altura da caverna (m)
0,1
0,45
σy
tensão de escoamento do aço (MPa)
559
f
comprimento do flange (m)
0,1
0,4
ρs
densidade do aço (kg/m3)
7.850
tf
espessura do flange (m)
0,01
0,05
ν
coeficiente de poisson
0,3
tp
espessura do casco (m)
0,01
0,05
g
gravidade (m/s2)
9,81
tw
espessura da alma (m)
0,01
0,05
ρsw
densidade da água do mar (kg/m3)
1.025
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4. OTIMIZAÇÃO MULTIOBJETIVO
4.5. ALGORITMOS GENÉTICOS E
OTIMIZAÇÃO EM ENGENHARIA NAVAL
Algoritmos Genéticos (GAs) podem ser definidos como
rotinas heurísticas que tentam replicar o processo de seleção
natural. Eles têm sido geralmente utilizados em problemas de
busca e otimização, além de outras aplicações em ciência da
computação (GOLDBERG, 1989; SIVANANDAM, 2008;
MITCHELL, 1999). Embora o conceito de otimização aplicada ao projeto de navios não seja recente (EAMES, 1982;
REED, 1976), algumas características inerentes ao problema
(ex.: não linearidade/descontinuidade do espaço de soluções)
dificultam a aplicação de rotinas clássicas de otimização (ex.:
métodos baseados em gradiente). Algoritmos genéticos têm
se mostrado eficientes para abordar este tipo de problema
(BROWN, 2003).
4.6. FORMULAÇÃO GENÉRICA
DE UM ALGORITMO GENÉTICO
Em termos biológicos, o processo de seleção natural exige
a ocorrência de três condições: replicação, variação (mutação) e aptidão diferencial (competição) (DENNET, 2006).
A estrutura genérica de um GA, adaptado de Mitchell (1999)
e fornecida a seguir, evidencia como tais condições são reproduzidas pelo algoritmo genético.
1. Gere aleatoriamente uma população inicial P, composta
por N “indivíduos” viáveis (soluções candidatas).
2. Avalie o desempenho (fitness) de cada um dos N indivíduos (função objetivo).
3. Repita até que seja obtida uma população Q, composta
por M “indivíduos” viáveis.
(I) Selecione um par de indivíduos de P. A probabilidade de
seleção de um indivíduo para cruzamento deve aumentar
quanto maior for o seu fitness.
(II)Com uma dada probabilidade de cruzamento (pc),
realize o cruzamento do par de indivíduos (pais) para
formar um par de dois novos indivíduos (prole). Se
não houver cruzamento, o par de indivíduos é copiado
(prole = pais).
(III)Realize a mutação da prole com uma dada probabilidade
de mutação (pm), teste sua viabilidade e armazene os dois
novos indivíduos, se viáveis, na população Q.
4. Substitua a população corrente pela nova população
(P ← Q).
5. Se a condição de parada não for atendida, retorne à etapa 2.
O processo descrito é retratado graficamente na Figura 3.
P1 / P2
População
Viável
Viável (F1 / F2)
Nova
População
a) Seleção
F1 / F2
N
P1 / P2
c.2) Viabilidade
Cruzamento
F1 /F2
N
S
F1 / F2
b) Cruzamento
Mutação?
S
Figura 3. Algoritmo Genético (estrutura genérica).
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c.1 ) Mutação
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4.7. FORMULAÇÕES DE GA UTILIZADAS
PARA A OTIMIZAÇÃO MULTIOBEJETIVO
O problema de otimização multiobjetivo (MOP) foi
abordado por duas formulações de GA, uma “clássica”,
próxima aos modelos simplificados de GA, disponíveis
em Goldberg (1989), Mitchell (1999), e outra baseada em
uma adaptação do algoritmo NSGA II (Non Dominating
Sorting Genetic Algorithm) (DEB, 2002). O problema consiste em maximizar Atotal e minimizar Fav para uma dada
solução. Os objetivos são claramente conflitantes, uma vez
que a tentativa de maximização da área de convés conduzirá a soluções de maior deslocamento e a tentativa de
minimização da resistência ao avanço caminha em sentido
inverso. Ambas as formulações são aplicadas a uma população inicial de tamanho N, gerada aleatoriamente, e composta em sua totalidade por indivíduos viáveis. Indivíduos
viáveis são aqueles que obedecem às restrições dos limites
das variáveis de projeto e do valor máximo para o deslocamento de superfície (o deslocamento de superfície
pode ser estimado a partir do volume do CR). Os limites
de variação e a restrição de deslocamento utilizados são
expostos na Tabela 7.
Em ambas as formulações, a condição de replicação é
assegurada pela própria estrutura dos GAs (proles geradas a
partir dos pais). A condição de variação é assegurada por um
operador de mutação e, indiretamente, pela própria estrutura
de cruzamento adotada (crossover). Por seu turno, a condição de aptidão diferenciada é garantida por meio das restrições
(pressão de seleção por eliminação de indivíduos inviáveis) e
pela seleção para cruzamento com base no desempenho dos
indivíduos (pressão de seleção por meio de probabilidade de
cruzamento associada ao fitness).
Nos dois casos, é utilizada codificação binária para
as variáveis de projeto. O número máximo de gerações
(ng) é definido como critério de parada. As probabilidades de cruzamento (pc) e mutação (pm) utilizadas foram,
respectivamente, 98% e 5%. Foi adotado lócus de cruzamento duplo, e um par de pais gera um par de filhos a
cada cruzamento.
Na formulação “clássica”, o fitness dos indivíduos é calculado pela soma do valor das funções objetivo normalizadas. Pesos variáveis foram atribuídos a cada um dos o­ bjetivos
(é possível, assim, priorizar determinado objetivo em relação
ao outro). O equacionamento utilizado é apresentado na
Tabela 8. De forma a preservar as melhores soluções de cada
geração, é mantido um elitismo de 30% entre gerações sucessivas. Desta forma, os melhores indivíduos da geração atual
(30%) são copiados para a geração seguinte. A seleção para
cruzamento é realizada por “roleta enviesada” (MITCHELL,
1999). Ou seja, indivíduos de maior fitness têm maiores chances
de serem escolhidos para a reprodução. Após o cruzamento,
os filhos são testados quanto à sua viabilidade e armazenados,
até que o tamanho desejado da nova população seja atingido.
A formulação do NSGA II é distinta (DEB, 2002) e será
resumidamente exposta a seguir.
Primeiramente, antes da descrição do algoritmo, o conceito de dominância deve ser estabelecido. Um dado indivíduo x1 dominará um indivíduo x2 se:
Tabela 7. Variáveis de projeto e restrições (GAs).
Variáveis de Projeto
Variável
Definição
Min
Máx
D
Diâmetro (m)
6
12
L/D
Relação comprimento/diâmetro
8
12
na
Fator de forma AR
2
5
nf
Fator de forma AV
2
5
Restrição de Deslocamento de Superfície
Parâmetro
Definição
Máx
∆­↑
Deslocamento de superfície (t)
6.500
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Tabela 8. Equacionamento (função de desempenho do GA “clássico”).
Equacionamento
f1 _ médio
+ W 2*
f2
f2 _ médio
⎧
⎩
⎧
⎩
F = W1*
f1
Legenda/Comentários
f1=Atotal
f2=1/Fav
w1=w2=0,5
∀i:f i(x1)≤f i(x2)
∃i:f i(x1)<f i(x2)
F = fitness do indivíduo
f1 = “área de conveses do indivíduo (m2)
f1_médio = valor médio de f1 (população) (m2)
w1 = peso do objetivo 1
f2 = 1/Fav do indivíduo (1/m2)
f2_médio = valor médio de f2 (população) (1/m2)
w2 = peso do objetivo 2
F
2
Ou seja, para todos os objetivos “i” considerados, x1 tem,
ao menos, desempenho igual ao de x2. Além disso, há pelo
menos um objetivo “i” para o qual x1 tem desempenho melhor
que o de x2. As inequações acima são estabelecidas para um
problema de minimização dos objetivos, mas o conceito é
igualmente aplicável a um problema de maximização pela
mera variação do operador de comparação. Se x1 preservar a
relação de dominância em relação aos demais indivíduos de
sua população, diz-se que x1 é uma solução não dominada.
O NSGA II também utiliza um parâmetro de “distância
de agrupamento” (crowding distance), cuja definição não será
rigorosamente estabelecida aqui. Entretanto, em termos simplificados, a distância de agrupamento atua como um indicador de “isolamento” de dada solução em relação às outras.
Soluções com distância de agrupamento maior tendem a estar
situadas em regiões menos densamente povoadas do espaço
vetorial definido pelas funções objetivo. Como será posteriormente explicado, a distância de agrupamento desempenha um
importante papel na preservação da diversidade das soluções
obtidas por meio do NSGA II. Nesta formulação, o fitness e
a preservação dos indivíduos estão ligados à dominância e à
distância de agrupamento. Indivíduos “não dominados” e “distantes” entre si têm maior probabilidade de serem selecionados
para a reprodução e serem mantidos na geração subsequente
(Figura 4). A figura exemplifica um problema de minimização a dois objetivos. Os indivíduos não dominados dentre as
soluções (pontos preenchidos) formam um “front”. Dentro
de um front, as distâncias de agrupamento são calculadas
como a soma dos lados do retângulo representado na figura.
i -1
i
i +1
F
1
Figura 4. Fronteira de indivíduos não dominados e
distância de agrupamento. Adaptado de DEB (2002).
Dada uma população inicial viável, a formulação implementada ordena os N indivíduos da população atual P de
acordo com seu grau de dominância em fronts. Indivíduos
dentro de um mesmo front têm mesmo grau de dominância
e, conseqüentemente, não dominam uns aos outros. Os fronts
recebem uma numeração (1, 2, 3...). Desta forma, os indivíduos pertencentes ao front de número K dominam todos
os indivíduos pertencentes aos fronts cujo número é maior
que K. A seleção para cruzamento é realizada pelo sorteio
aleatório de dois indivíduos componentes de P. Se os indivíduos pertencem a fronts diferentes, o indivíduo do front
com número menor é escolhido. Se indivíduos do mesmo
front são escolhidos, o primeiro indivíduo é selecionado.
Um par de pais é assim selecionado e cruzado, gerando dois
filhos. Os filhos são testados quanto a sua viabilidade e armazenados, até que o tamanho desejado da nova população
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Q (M indivíduos) seja atingido. Este processo inicial é relativamente semelhante ao algoritmo clássico, os passos posteriores é que diferenciam o NSGA II e são responsáveis
por muitas das vantagens desta formulação.
De forma a manter o elitismo, uma nova população R
(de tamanho N+M) é gerada da união entre P e Q. A população R é então ordenada em fronts. Esse ordenamento
envolvendo a geração de pais e a prole (P e Q) garante
que o elitismo seja preservado. O passo seguinte consiste
na obtenção da nova população P (geração seguinte). Ela é
feita por meio do armazenamento direto dos fronts sucessivos de R, até que o tamanho desejado seja atingido. Haverá
muito provavelmente um front de corte, cujos elementos
não serão todos incorporados a P. Este front de corte é
então ordenado pela distância de agrupamento (da maior
para a menor). Desta forma, a diversidade das soluções é
preservada uma vez que soluções muito próximas umas das
outras, pertencentes ao front de corte, tenderão a ser descartadas em detrimento das soluções com maior distância
de agrupamento (Figura 5).
Ordenamento de soluções
não dominadas
5. OTIMIZAÇÃO ESTRUTURAL
Após a obtenção das soluções não dominadas pelo processo de otimização multiobjetivo, um dado número de
cascos é escolhido uniformemente ao longo da Fronteira
de Pareto. Para estes cascos o processo de otimização estrutural é conduzido por meio de uma adaptação do GA clássico (adequado para o problema de otimização de apenas
um objetivo). Um conjunto de escantilhões viáveis é gerado
para cada navio. O processo de otimização se dá sobre esta
população de escantilhões (minimização da relação P/Δ)
durante um número estabelecidos de gerações. Após isso, o
valor mínimo e o escantilhamento que minimiza a função
objetivo são armazenados.
Os parâmetros do GA (limites das variáveis, tamanho
das populações, número de gerações, probabilidades de cruzamento e mutação, percentual de elitismo etc.) foram estabelecidos por meio de uma bateria de testes envolvendo o
dimensionamento estrutural de três cascos para as condições
estabelecidas anteriormente (Tabela 6).
Ordenamento por
distância de agrupamento
(front de corte)
Pt + 1
F1
Pt
F2
F3
Solu ções rejeitadas
Qt
Rt
Figura 5. Dinâmica do NSGA II. Adaptado de DEB (2002).
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É interessante destacar que o número de operações realizadas neste módulo é consideravelmente maior do que
nos módulos anteriores, daí a necessidade de uma calibração adequada dos parâmetros de forma a acelerar o processo
de cálculo. Isso se dá porque, a partir de um determinado
número de gerações, a diminuição do fator de resistência
obtido passa a ser marginal (região de “rendimentos decrescentes”). A correta calibração dos parâmetros permite evitar
processamento desnecessário.
6. ANÁLISE DOS RESULTADOS
Os resultados obtidos pelas duas formulações utilizadas
são apresentados na Tabela 9.
Os códigos foram elaborados em MATLAB® e o processamento foi realizado em um computador de processador AMD Phenom 9750 Quad-Core 2.4 GHz com
2 GB de RAM.
Tabela 9. Resultados obtidos (GAs).
Parâmetro/Resultado
Formulação
O tamanho das populações iniciais e o número de gerações foram mantidos em patamares adequados à discussão
aqui apresentada. Naturalmente, em casos reais, estes valores
podem ser ampliados. As populações finais obtidas foram
filtradas para eliminar “clones” (soluções com parâmetros
idênticos ou muito próximos). O percentual de perda de
diversidade é definido como (1 – Pf/P1)*100. Dos números, observa-se que o GA clássico apresentou considerável perda de diversidade e maior tempo de processamento.
Parte desta perda de diversidade se deve à maior tendência de formação de clones pela formulação clássica (já que
a não há nela um operador capaz de avaliar o agrupamento
das soluções). Os valores dos objetivos ficaram próximos em
ambas as formulações, embora o NSGA II apresente uma
média de valores mais próxima ao “centro” dos valores dos
objetivos, o que é reflexo da melhor distribuição das soluções obtidas. As Figuras 6 e 7 retratam as populações iniciais geradas pelo GA clássico e pelo NSGA II, bem como
as populações finais obtidas.
14
12
GA clássico
NSGA II
População inicial (P1)
500
indivíduos
200
indivíduos
Gerações
30
10
Probabilidade de
cruzamento
98%
98%
Probabilidade de
mutação
5%
5%
Indivíduos restantes
(Pf)
81
120
Perda de diversidade
84%
40%
Tempo de
processamento
19 segundos
5 segundos
Max Atotal (m2)
1.961
2.002
4
2
1.355
931
Min Fav (m )
2,7
2,9
Média Fav (m2)
8,4
6,3
2
Fav (m2)
8
6
4
2
Pop. Inicial
Geração 30
0
500
1000
1500
2000 2500
Atotal (m2)
14
Média Atotal (m )
2
10
12
Fav (m2)
10
8
6
Pop. Inicial
Geração 30
0
500
1000
1500 2000 2500
Atotal (m2)
Figura 6. Resultados do GA “clássico” (Fav x Atotal).
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Tabela 10. Parâmetros e resultados – módulo estrutural.
Formulação
12
Parâmetro/Resultado
GA clássico
Fav (m2)
10
8
6
4
2
Pop. Inicial
Geração 30
0
500
1000
1500
2000 2500
Atotal (m2)
14
12
População inicial (P1)
500 indivíduos
Gerações
20
Probabilidade de cruzamento
98%
Probabilidade de mutação
5%
Tempo de processamento
35 segundos
P/Δ min (grupo analisado)
0,2124
P/Δ máx (grupo analisado)
0,2295
Média P/Δ
0,2212
Fav (m2)
10
8
6
4
2
Pop. Inicial
Geração 30
0
500
1000
1500 2000 2500
Atotal (m2)
Figura 7. Resultados do NSGA II (Fav x Atotal).
No GA clássico, é clara a formação de dois nichos de indivíduos (um situado na região de resistência mínima e outro
situado na região de máxima área de conveses). Não ocorreu
a formação de uma Fronteira de Pareto bem definida, visto
que nas regiões dos nichos observam-se soluções dominadas
e não dominadas aparecendo em grupo. É notória a perda de
diversidade na região central do espaço de soluções (onde se
situam os valores médios de resistência ao avanço e área de
conveses) (Figura 6). Já o NSGA II foi efetivo em isolar a
Fronteira de Pareto e manter uma diversidade adequada ao
longo de todo o espaço de projeto (Figura 7).
Embora seja possível melhorar a formulação clássica por
meio da introdução de rotinas específicas (SIVANANDAM,
2008; ZITZLER, 1999), os resultados do NSGA II são superiores para os propósitos aqui considerados, sendo apropriados
para o prosseguimento do processo de otimização estrutural.
Um módulo específico, implementado com esse objetivo, foi
aplicado a cascos selecionados ao longo da Fronteira de Pareto
e apresentou os resultados expostos na Tabela 10. Por se tratar
de um problema de único objetivo, optou-se pela formulação
clássica. Como salientado anteriormente, o tempo de processamento foi maior neste módulo, devido à maior quantidade
de cálculos efetuados.
Para a seleção de cascos a partir dos resultados, é interessante o traçado gráfico dos valores obtidos em relação
a um determinado atributo de projeto (no caso, foi escolhido o deslocamento de superfície ‑ Δ­­↑). Observa-se que
as distribuições de Fav e Atotal em função de Δ­­ são semelhantes, crescendo proporcionalmente ao deslocamento
(Figura 8a).
Entretanto, a distribuição de P/Δ apresenta uma “tendência em vale” na região entre 1.500 e 3.000 toneladas de
deslocamento (Figura 8b). Obviamente, não se pode falar
categoricamente em uma tendência, pois se trata de uma
distribuição envolvendo poucos pontos. Entretanto, seria
possível realizar uma mudança dos limites de variação/
número de indivíduos para explorar mais detalhadamente
esta região de interesse. Um projetista em busca de soluções iniciais equilibradas, em termos dos três atributos, provavelmente se sentiria inclinado a escolher alternativas de
projeto localizadas nesta região.
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A
2000
11
10
1500
Atotal (m2)
Fav (m2)
9
8
7
6
1000
500
5
4
3
0
0
1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000
Deslocamento (t)
0
1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000
Deslocamento (t)
P/Delta
B
0,23
0,228
0,226
0,224
0,222
0,22
0,218
0,216
0,214
0,212
0,21
0 1000
P/Delta
"tendencia"
2000 3000 40005000 6000 7000
Deslocamento (t)
Figura 8. Fav x Deslocamento e Atotal x Deslocamento (A). P/D e “tendência” (B).
Tabela 11. Exemplos de soluções pertencentes à Fronteira de Pareto.
Geometria
Escantilhonamento
(mm)
Solução 1
Solução 2
Solução 3
Solução 4
Solução 5
D (m)
6,0
7,3
7,4
9,9
10,4
L/D
9,4
8,7
10,6
11,9
11,9
Na
3,0
2,8
3,0
2,3
2,9
Nf
3,2
4,2
2,4
3,0
4,4
Δ­ (t)
733
1.126
1.781
5.318
6.115
Lc
837
851
753
758
757
Hc
275
312
372
283
290
f
113
102
145
299
208
tf
20
38
28
38
47
tp
34
44
42
50
49
tw
Atributos
14
13
12
29
49
2
Atotal (m )
145
351
548
1752
1921
Fav (m2)
3,0
4,1
4,7
9,0
10,1
P/Δ
0,224
0,218
0,219
0,227
0,228
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7. CONCLUSÃO
Conforme inicialmente proposto, o presente trabalho
exemplifica a utilização de algoritmos genéticos e modelos
analíticos de baixa e média fidelidade na fase de concepção
do projeto de submarinos.
Há, naturalmente, espaço para maiores sofisticações
quanto aos modelos e formulações aplicados, sobretudo no
que concerne a:
1. Refinamento dos modelos de baixa fidelidade;
2. Refinamento do módulo de otimização estrutural; e
3. Implementação de módulos adicionais (autonomia, hidrodinâmica, estabilidade, etc.).
De qualquer modo, a abordagem proposta é uma ferramenta
interessante, que permite ao projetista explorar diversas geometrias, realizar uma análise de sensibilidade sobre mudanças
em determinados parâmetros/requisitos e avaliar diferentes
fatores de desempenho para as inúmeras soluções possíveis.
Entretanto, esta abordagem serve como um guia auxiliar, não
isentando o projetista de sua responsabilidade em efetuar cálculos mais aprofundados e não restringindo o uso de sua intuição
e bom senso na busca pelas melhores alternativas de projeto.
REFERÊNCIAS
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in Naval Ship Design. Naval Engineers Journal, v. 115, n. 4,
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JACKSON, H. A. Fundamentals of Submarine Concept Design. SNAME
(Reino Unido): Cambridge University Press, 1994.
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DEB, K. et al. A fast and elitist multiobjective genetic algorithm:
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NSGA-II. IEEE Transactions on Evolutionary Computation, [Nova
Submersíveis. 1987. 1 v. Tese (Livre Docência) – EPUSP, São Paulo, 1987.
York], v. 6, n. 2, abr. 2002.
MITCHELL, M. An Introduction to Genetic Algorithms. Massachusetts:
DENNET, D.C. Breaking the Spell. Londres: Pinguin Books, 2006.
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to Small Warship Design. Transactions RINA, Londres, v. 119,
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REED, M. R. Ship Synthesis Model for Naval Surface Ships. 1976. 1 v.
Dissertação (Mestrado) – MIT, Massachusetts, 1976.
SIVANANDAM, S. N.; DEEPA, S. N. Introduction to Genetic Algorithms.
Berlim: SPRINGER, 2008.
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ZITZLER, E. Evolutionary algorithms for multiobjective optimization:
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ARQUITETURA NAVAL E PLATAFORMA
INFLUÊNCIA DA TENSÃO RESIDUAL
DE CONFORMAÇÃO MECÂNICA NA
FLAMBAGEM DE CASCOS RESISTENTES DE
SUBMARINOS
Effect of cold bending residual stress
in submarine pressure hull buckling
Paulo Rogério Franquetto1, Miguel Mattar Neto2, Kazuo Nishimoto3
Resumo: A conformação a frio aplicada no processo de fabricação de cascos resistentes de submarinos produz tensões residuais de
tração e compressão ao longo da espessura do material. Essas tensões reduzem a vida em fadiga e a pressão crítica de flambagem da
estrutura, podendo comprometer a integridade estrutural do casco.
Neste trabalho, o efeito de um perfil de tensão residual é estudado
sobre o comportamento a flambagem de cascos resistentes de diferentes diâmetros, dimensionados utilizando o aço HY80 por meio
da metodologia americana de projeto. A tensão residual é implementada em um modelo numérico de elementos finitos utilizando o
comando INISTATE disponível no software comercial Ansys 14,5.
Além disso, não linearidades geométricas e de material são consideradas na análise de flambagem, realizada por meio do método de
Newton-Raphson. Os resultados mostram uma redução da ordem
de 8% na pressão crítica de flambagem.
Palavras-chave: Tensão residual. Submarino. Flambagem.
Abstract: The cold bending used in the submarine pressure
hull manufacturing process introduces tension and compression residual stresses through the material thickness. These
residual stresses reduce the fatigue cycles and the critical buckling pressure, jeopardizing the pressure hull structural integrity.
The present article shows the effect of residual stress profile in
the pressure hull buckling for different submarine radius, that
have been designed analytically using HY80 steel based on the
American design criteria. The residual stress is introduced in
the numerical model by using the INISTATE command available in Ansys 14.5 commercial software. In addition, material and geometric non-linearity is considered in the buckling
analysis, based on Newton-Raphson methodology. The results
show a reduction up to 8% in the pressure hull critical buckling pressure.
Keywords: Residual stress. Submarine. Buckling.
1. INTRODUÇÃO
como a pressão hidrostática da água do mar, explosões submarinas
e colisões. A falha dessa estrutura pode causar a perda do meio
com prejuízos operativos, financeiros e políticos. Dessa forma, o
dimensionamento do casco é conservador e baseado em critérios
de projetos validados por meio de testes experimentais e modelos
O casco resistente é a estrutura mais crítica de um submarino.
Consiste basicamente em um cilindro estanque, reforçado externa
ou internamente, que deve suportar um conjunto de carregamentos,
1. Capitão-Tenente (EN) do Centro Tecnológico da Marinha em São Paulo – São Paulo, SP – Brasil. E-mail: [email protected]
2. Professor Doutor do Instituto de Pesquisas Energéticas e Nucleares – São Paulo, SP – Brasil. E-mail: [email protected]
3. Professor Doutor da Escola Politécnica da Universidade de São Paulo – São Paulo, SP – Brasil. E-mail: [email protected]
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numéricos. A construção também demanda grande controle a
fim de garantir a qualidade dos materiais e dos processos de
fabricação utilizados (BANKS; KUGLES, 1986).
A metodologia de projeto do casco resistente varia conforme o critério de projeto empregado que, por sua vez, é
bastante característico para cada país construtor de submarinos. Diferentes hierarquias de falha, procedimentos de cálculos analíticos, imperfeições geométricas e coeficientes de
segurança são utilizados conforme o país construtor. Na verdade, os critérios de projeto dimensionam o casco resistente
para operar com segurança até uma máxima cota de operação (MCP), que é um requisito de projeto da Marinha que
irá operar o submarino. Com a MCP, aplica-se um fator de
segurança (k) e tem-se a cota de colapso mínima (CCM)
requerida do casco (MARTINEZ, 1987).
Durante a fabricação do casco, diversas imperfeições são induzidas na estrutura que reduzem a cota de
colapso do submarino, como ovalização do cilindro (falta
de circularidade), empenamento da caverna, contração
da chapa entre cavernas em decorrência da soldagem,
tensões residuais e distorções em razão da conformação
das chapas e do processo de soldagem, trincas e vazios
nos cordões de soldas, entre outros. Atualmente, devido
às limitações dos processos de fabricação existentes, as
imperfeições produzidas durante a construção não podem
ser eliminadas completamente. Como a presença dessas
imperfeições reduz a capacidade do casco de resistir à
pressão, favorecendo a instabilização do casco e a falha
por flambagem, elas devem ser consideradas no projeto
e controladas durante a fabricação (MARTINEZ, 1987).
A forma como as imperfeições são consideradas no
projeto varia conforme o critério de projeto utilizado. Em
geral, a falta de circularidade e o empenamento da caverna
são utilizados no cálculo analítico das tensões nas cavernas e na avaliação da pressão crítica de colapso do casco.
Já as imperfeições produzidas nos cordões de solda são
utilizadas na avaliação da vida em fadiga e são controladas no estaleiro utilizando ensaios não destrutivos (líquido
penetrante, raio X, partículas magnéticas, ultrassom), não
podendo exceder limites previstos em normas militares ou
nos critérios de projeto (ABS, 2002; GERMANISCHER
LLOYD, 2008). Além disso, os cordões de soldas são inspecionados durante os períodos de manutenção e, caso
uma trinca exceda os limites normalizados, é realizado
o reparo. Por sua vez, a tensão residual é considerada no
projeto por meio do coeficiente de segurança previsto
no critério de projeto utilizado, não sendo normalmente
abordada diretamente no cálculo analítico ou no modelo
numérico. Isso se deve à dificuldade da obtenção de valores da tensão residual e de sua implementação em modelos numéricos (MARTINEZ, 1987; ROBLES et al., 1999;
GERMANISCHER LLOYD, 2008).
Vários estudos mostraram que a tensão residual reduz a
pressão crítica de flambagem do casco resistente. Kirstein e
Slankard (1957), Krenzke (1960) e Bushnell (1980) mostraram, por meio de modelos numéricos e ensaios experimentais,
que a tensão residual decorrente dos processos de soldagem
e conformação a frio pode reduzir em até 30% a pressão
crítica de flambagem de cilindros reforçados. Entretanto,
nesses estudos os autores consideraram modelos em escala
reduzida. Lunchick (1970) apresentou resultados analíticos em que a conformação a frio pode reduzir em até
20% a cota de colapso do submarino. Mais recentemente,
Lennon (2006) verificou, por meio de análises numéricas,
uma redução de 25% na pressão crítica de flambagem em
cilindros reforçados longitudinal e transversalmente, em
razão da presença de tensões residuais. Deve-se notar que a
tensão residual em um componente mecânico é consequência do gradiente de deformações plásticas introduzidas pelo
processo de fabricação. Durante a conformação a frio e a
soldagem das chapas do casco, a tensão residual pode atingir valores da ordem do limite de escoamento do material
(GRUNITZ, 2003; GRAHAM, 2007).
Para a obtenção dos valores de tensão residual, modelos
numéricos e analíticos existentes na literatura podem ser utilizados para uma estimativa inicial do perfil de tensões. Por
exemplo, Masabuchi (1980) apresenta modelos analíticos destinados à estimativa de tensão residual em cordões de soldas.
Já Bushnell (1980) e Aguiar et al. (2001) mostram uma abordagem analítica para o cálculo da tensão residual devido à
conformação a frio de chapas. Por outro lado, Spoorenberg
et al. (2009) e Gannon (2010) apresentam uma abordagem numérica para o cálculo da tensão residual devido à
conformação a frio. Entretanto, por se tratar de um problema não linear, em que efeitos de plasticidade devem
ser considerados, a análise experimental em protótipos é
a metodologia mais indicada para a avaliação das tensões
residuais (SHAN-KHAN et al., 1993).
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Paulo Rogério Franquetto, Miguel Mattar Neto, Kazuo Nishimoto
2. METODOLOGIA
Este trabalho está dividido em duas etapas:
• Primeira etapa: para validar o procedimento de utilização
do comando INISTATE disponível no software comercial Ansys 14,5 (ANSYS, 2013), utilizado na introdução
de um perfil de tensão residual no modelo numérico, um
benckmarking é realizado utilizando como referência os
resultados apresentados por Gannon (2010). Em seu trabalho, Gannon (2010) utiliza modelos numéricos com e
sem tensão residual de cilindros reforçados internamente,
verificando a influência da tensão residual na redução da
pressão crítica de flambagem da estrutura. Nos modelos
com tensão residual apresentados pela referência, a curva
“tensão x deformação” do material é alterada a fim de considerar a presença da tensão residual no modelo numérico.
Então, são elaborados modelos numéricos similares aos
apresentados por Gannon (2010), entretanto, introduzindo
o perfil de tensão residual com o comando INISTATE.
Dessa forma, é possível comparar os resultados e verificar
a aplicabilidade do comando INISTATE na introdução
de um perfil de tensão residual em um modelo numérico.
• Segunda etapa: após a validação do comando INISTATE,
uma série de cascos resistentes de submarinos são dimensionados utilizando o critério americano de projeto
apresentado por Martinez (1987). Para cada um, uma
análise de flambagem não linear utilizando o Método dos
Elementos Finitos (ZIENKIEWICZ; TAYLOR, 2005)
é realizada considerando a influência de um dado perfil
de tensão residual em razão da conformação mecânica
da chapa do casco e do flange da caverna.
2.1. VALIDAÇÃO DO MODELO NUMÉRICO
Gannon (2010) avalia a influência da tensão residual
devido à conformação mecânica na flambagem de cilíndros reforçados internamente (Figura 1A). O perfil de tensão residual implementado no estudo é obtido por meio de
análises numéricas utilizando modelos de elementos finitos
do processo de conformação mecânica (Figura 1B). Com
base nos valores de tensão residual obtidos, a curva “tensão
x deformação” do material é alterada a fim de considerar a
presença da tensão residual no modelo. Também são consideradas não linearidades geométricas (falta de circularidade de 0,5%R) e de material (aço HY80, elástico-plástico
bilinear e encruamento isotrópico). Nesse modelo, é realizada uma análise de flambagem não linear, sendo utilizado
o elemento finito de casca shell181 (ANSYS, 2013) com
interpolação linear (6 graus de liberdade, Ux, Uy, Uz, Rotx,
Roty e Rotz) e 21 pontos de integração através da espessura do casco e do flange e 5 através da espessura da alma.
1524
505
4,76
152,4
995,24
19,05
4,76
19,05
A
76,2
4,76
Posição Radial (mm)
500
Chapa
495
490
485
Alma
480
475
470
Flange
465
-600
-400
-200
0
200
400
Tensão Residual Circunferencial [MPa]
A
B
Figura 1. Dimensões em milímetros do cilindro reforçado (A) e perfil de tensão residual circunferencial (B).
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Assim, um modelo numérico similar ao apresentado
por Gannon (2010) é elaborado. As condições de contorno
e malha utilizados estão apresentados na Figura 2. Nesse
modelo, a imperfeição geométrica da falta de circularidade
é aplicada sobre o primeiro modo de flambagem linear do
casco resistente utilizando o comando UPGEOM. O perfil de tensão residual (Figura 1B) é introduzido no modelo
utilizando o comando INISTATE disponível no software
Ansys. Para isso, o perfil de tensão residual circunferencial
foi discretizado e implementado em cada ponto de integração do elemento de casca, considerando o sistema de coordenadas do elemento.
Uy=Uz=0
Roty=Rotz=0
Simetria
y
z
Pressão
hidrostática
x
Pressão linear devido
a ação da tampa
A
2.2. CRITÉRIO AMERICANO DE PROJETO
O critério americano de projeto utilizado é apresentado
por Martinez (1987). Nesse critério, três modos de falhas
são avaliados: colapso do casco entre cavernas, escoamento
do flange das cavernas e flambagem global. Esses modos de
falhas são hierarquizados como apresentado na Figura 3. Para
o atendimento do critério, o escoamento do flange da caverna
deve ocorrer em uma profundidade Hcol (cota de escoamento
do flange da caverna) igual ou maior que a CCM. Além disso,
o colapso entre cavernas deve ocorrer em uma profundidade
de 30 a 75% acima de Hcol. Finalmente, a flambagem global
deve ocorrer após o colapso entre cavernas.
A cota de colapso do casco entre cavernas é determinada
com base na geometria da caverna, nas propriedades mecânicas
do material e utilizando curvas de projeto obtidas a partir de
resultados experimentais. O cálculo do escoamento do flange
das cavernas é realizado considerando a presença do defeito de
falta de circularidade na caverna, o que gera tensões de flexão
no flange, acelerando o processo de plastificação, somada à
tensão circunferencial em razão de pressão hidrostática. Já o
cálculo da pressão crítica de flambagem global é realizado por
meio da equação simplificada de Bryant, em que são consideradas as dimensões principais da caverna e a distância entre
suportes rígidos do casco resistentes (i.e, anteparas resistentes,
calotas de fechamento e cavernas gigantes) (MARTINEZ,
1987). A Figura 4 apresenta as principais dimensões a serem
definidas no dimensionamento analítico do casco.
2.3. ESTUDOS DE CASOS
Com base no critério americano de projeto, diversos
arranjos estruturais de cascos resistentes são estudados
Nível do mar
Hcol
Escoamento do flange
da caverna
Colapso do casco entre
cavernas
30 a 75% de Hcol
Flambagem Global
B
Hcol: cota de escoamento do flange da caverna
Figura 2. Condições de contorno (A) e malha de
elementos finitos, 6.000 elementos (B).
Figura 3. Hierarquia de falha do critério americano de
projeto.
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Paulo Rogério Franquetto, Miguel Mattar Neto, Kazuo Nishimoto
para raios de 3,1 e 4,0 m (Tabela 1). Para cada arranjo,
são estudadas diferentes espessuras de chapa e do flange
da caverna. Assim, é verificada analiticamente, mediante o
critério americano de projeto, a cota de colapso do submarino, supondo uma distância entre suportes de 30 m, sendo
posteriormente realizadas análises de flambagem linear,
não linear e não linear com tensão residual. Para as análises
não lineares, são consideradas não linearidades geométricas (falta de circularidade de t/2 pelo critério americano e
grandes deslocamentos) e de material (aço HY80, elástico
perfeitamente plástico e encruamento isotrópico). As propriedades mecânicas do aço são adotadas conforme a norma
americana MIL-S-16216K (1987).
O perfil de tensão residual é adotado de forma conservadora, considerando valores de pico da ordem da tensão
de escoamento (550 MPa) do aço HY80. O perfil adotado
é introduzido no modelo numérico utilizando o comando
INISTATE disponível no software Ansys 14,5 (ANSYS,
2013), sendo a curva discretizada por meio de 21 pontos de
integração do elemento de casca linear shell181 (Figura 5).
Nas análises realizadas, somente a tensão residual circunferencial é considerada na chapa e flange dos cascos resistentes.
A alma é considerada livre de tensão residual de fabricação.
As condições de contorno estão apresentadas na Figura 6.
São aplicadas condições de simetria nos planos XY, XZ e YZ.
É aplicada restrição de todos os graus de liberdade em uma
das extremidades do modelo, exceto na direção axial, sendo
aplicada uma pressão linear em razão da ação das calotas de
fechamento. Finalmente, é aplicada a pressão hidrostática
devido à coluna de água do mar.
3. RESULTADOS
t
b
R
ef
Lf
Lc
b: espessura da alma; ef: espessura do flange; H:
altura da caverna; Lc: distância entre cavernas; Lf:
largura do flange; R: raio médio do casco resistente;
t: espessura da chapa do casco.
Figura 4. Dimensões das cavernas.
Tabela 1. Geometria dos cascos resistentes estudados.
Dimensões em milímetros.
R
Lc
H
b
Lf
t=ef
100
35
40
45
50
35
40
45
50
3.100
600
4.000
295
15
b: espessura da alma; ef: espessura do flange; H: altura
da caverna; Lc: distância entre cavernas; Lf: largura do
flange; R: raio médio do casco resistente; t: espessura da
chapa do casco
3.1. VALIDAÇÃO DO MODELO NUMÉRICO
A Tabela 2 apresenta uma comparação entre os resultados
apresentados por Gannon (2010) e os obtidos neste trabalho, para
a flambagem não linear com e sem tensão residual. A Figura 7
mostra o deslocamento total, em metros, do modo de falha do
cilindro com tensão residual.
Comparando os resultados obtidos com os apresentados por Gannon (2010), pode-se verificar que o comando
INISTATE introduziu de maneira adequada o perfil de tensão residual por meio dos pontos de integração do modelo,
podendo assim ser utilizado na implementação de perfis de
tensão residual em modelos numéricos de flambagem. A redução
na pressão crítica de flambagem obtida de 4,8% está na mesma
21
Pontos de Integração
H
14
7
0
-550 -450 -350 -250
-150
-50
50
150
250
350
450
550
Tensão Residual (MPa)
Figura 5. Perfil de tensão residual adotado para chapa
e flange dos cascos resistentes.
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ordem de grandeza da redução apresentada na referência, mostrando aderência nos resultados.
3.2. ESTUDOS DE CASOS
Considerando os arranjos estruturais estudados, o comportamento, a flambagem linear, não linear e não linear com
tensão residual são apresentados na Figura 8 para cascos
resistentes com 3,1 e 4,0 m de raio. Observa-se que o cálculo analítico realizado é conservador, pois apresenta valores de colapso inferiores aos obtidos por meio da análise
não linear de flambagem. Além disso, também verifica-se
que a flambagem linear não fornece valores conservadores
da cota de flambagem do casco, não podendo ser utilizada
para o dimensionamento desse tipo de estrutura.
Já a Figura 9 apresenta um modo de flambagem típico
obtido durante as análises. Na verdade, em todas as análises
realizadas os cascos resistentes falharam por flambagem no
segundo modo (2 lóbulos), sendo um comportamento típico
de compartimentos estruturais de grande comprimento.
A partir dos estudos de casos realizados, obteve-se reduções de 6 a 8% na cota de colapso de cascos resistentes com
raio de 3,1 e 4,0 m, respectivamente. Essa redução na cota
de colapso deve-se ao fato de a tensão residual acelerar o
processo de plastificação das estrutura favorecendo o processo de flambagem (Figura 10). Porém, o perfil de tensão
residual utilizado é adotado de forma conservadora, tendo
em vista que os valores de tensão residual estão da ordem
de grandeza da tensão de escoamento do material. Para uma
avaliação mais adequada, é necessário realizar uma análise
experimental de tensões, em que valores reais de tensão residual encontrados na estrutura podem ser implementados no
modelo numérico.
SUB =13
TIME =.891504
USUM (AVG)
RSYS =0
DMX =.003264
SMN = .319E-03
SMX =.003264
Tabela 2. Comparação de resultados com e sem tensão
residual.
Cota de colapso
Gannon
Resultados
(2010)
obtidos
Sem tensão
residual (m)
Com tensão
residual (m)
Redução (%)
554
560
535
534
-3,6
-4,8
Simetria
Plano XY
.319E-03
.973E-03
.001628
.002282
.002937
.646E-03
.0013
.001955
.002609
Figura 7. Deslocamento total, em metros, do modo de
.646E-03
falha do cilindro com tensão residual.
Simetria
Plano XY
Simetria
Plano YZ
Pressão
Hidrostática
Uy=Uz=0
Roty=0 Rotz=0
Simetria
Plano XZ
Pressão
Linear
Figura 6. Condições de contorno.
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Paulo Rogério Franquetto, Miguel Mattar Neto, Kazuo Nishimoto
B
2800
2300
1800
1300
800
x
300
35
40
x
x
x
45
50
Cota de colapso global (m)
Cota de colapso global (m)
A
1200
1000
800
600
400
200
x
x
Análitico
Linear
Não Linear
Não linear com
Tensão Residual
x
x
x
35
40
45
50
Espessura da Chapa/Flange (mm)
Espessura da Chapa/Flange (mm)
Figura 8. Cota de colapso para cascos resistentes com 3,1 (A) e 4,0 (B) m de raio.
USUM (AVG)
RSYS=0
DMX =.040905
SMN =.004429
SMX =.040905
USUM (AVG)
RSYS=0
DMX =.040905
SMN =.004429
SMX =.040905
.004429
.004429
.012534
.02064
.028746
.036852
.008482
.016587
.02493
.032799
.040905
.008482
.012534
.016587
.02064
.02493
.028746
.032799
.036852
.040905
Figura 9. Deslocamento total, em metros, do modo de falha típico dos cascos resistentes analisados.
.040905
B
(x10**5)
8000
8000
7200
7200
6400
6400
5600
Von Mises (Pa)
Von Mises (Pa)
A
4800
4000
.040905
3200
2400
5600
4800
4000
3200
2400
1600
1600
800
800
0
100
200 300
400
500 600
700
Profundidade (m)
800 900
1000
100
200 300
400
500 600
700 800 900 1000
Profundidade (m)
Figura 10. Comportamento da tensão equivalente de von Mises no nó de maior deslocamento. Modelos sem tensão
(A) e com tensão residual (B).
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4. CONCLUSÕES
Este estudo apresentou a influência da tensão residual em razão da conformação mecânica no comportamento a flambagem de cascos resistentes de submarinos, dimensionados por meio do critério americano de
projeto. As análises mostram que a tensão residual pode
reduzir a cota de colapso do submarino em valores da
ordem de 8%, reduzindo assim a capacidade operacional do meio naval. Dessa forma, é importante que sejam
adotados processos de fabricação que reduzam os valores
de tensão residual e que o projeto considere os efeitos da
tensão residual na flambagem a fim de dimensionar com
segurança o casco resistente.
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Revista Pesquisa Naval, Brasília - DF, n. 26, 2014, p. 48-55
ENERGIA
CLASSIFICAÇÃO E LOCALIZAÇÃO
DE FALTAS DE ALTA IMPEDÂNCIA EM
SISTEMAS DE DISTRIBUIÇÃO DE ENERGIA
Classification and localization of high impedance
faults in power distribution systems
Jésus Anício de Oliveira Neto1, Marco Aurélio Almeida Castro2
Resumo: Este trabalho apresenta uma metodologia para classificação
e localização de faltas em um sistema de distribuição. Tais sistemas
têm por características as altas impedâncias de falta e a presença de
diversas cargas conectadas ao longo da rede elétrica. O trabalho proposto utiliza uma modelagem autorregressiva dos sinais de correntes
e tensões, com o auxílio das Redes Neurais Artificiais para classificação e localização das faltas, levando-se em conta essas características. Foram realizados diversos testes em um sistema de distribuição,
variando os seguintes parâmetros: tipo de falta, ângulo de incidência,
distância ou local de ocorrência e resistência de falta. O modelo proposto responde de maneira favorável, mesmo com uma frequência de
amostragem relativamente baixa.
Palavras-chave: Faltas de alta impedância. Classificação e
localização de faltas. Sistemas de distribuição. Redes neurais
artificiais.
Abstract: This paper presents a methodology for the classification
and localization of faults in power distribution systems. In such
systems, the main characteristics that need to be handled are
high impedances of fault and presence of various load types connected along the grid. The proposed methodology is based on an
autoregressive model of current and voltage signals, with the aid of
Artificial Neural Networks for localization and classification of the
faults, taking into account the aforementioned system characteristics. Several tests were performed on a small-scale distribution system, varying the following parameters: fault type, incidence angle,
fault distance location, and its resistance. Results show that the
proposed model is effective in detecting faults, even using a relatively low-sampling frequency.
Keywords: High impedance faults. Classification and localization of
faults. Power networks. Artificial neural networks.
1. INTRODUÇÃO
ser considerada é o ângulo de falta associado à precisão dos
modelos de identificação.
As faltas de alta impedância (FAIs) têm desafiado as
concessionárias de energia elétrica e os pesquisadores há
vários anos em função da característica da corrente de falta
apresentar valores abaixo daqueles de partida dos relés de
­sobrecorrente tradicionais, o que dificulta sua localização
e, em consequência, o rápido restabelecimento do sistema.
Essas faltas são causadas principalmente devido à queda de
condutores de energia em superfícies de baixa condutividade,
aos galhos de árvores que se encostam aos alimentadores e
aos isoladores em mau funcionamento.
Outro aspecto a ser destacado nas faltas dos sistemas de
distribuição é a presença dos harmônicos que podem afetar
Os sistemas elétricos de potência, formados pela geração, transmissão e distribuição de energia, devem garantir a continuidade e a confiabilidade em seu fornecimento.
Porém, esses sistemas, principalmente as redes de transmissão e distribuição, estão sujeitos às faltas oriundas de
­curtos-circuitos. Essas faltas devem ser detectadas, classificadas e localizadas precisamente a fim de evitar interrupções
e danos nos equipamentos.
As características das faltas dos sistemas de distribuição
diferem-se dos sistemas de transmissão, principalmente devido
aos altos valores de impedâncias de faltas e à presença de harmônicos. Adicionalmente, uma característica importante a
1. Primeiro-Tenente (EN), Centro Tecnológico da Marinha em São Paulo – São Paulo, SP – Brasil. E-mail: [email protected]
2. Doutor, Universidade Federal de Juiz de Fora – Juiz de Fora, MG – Brasil. E-mail: [email protected]
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Revista Pesquisa Naval, Brasília - DF, n. 26, 2014, p. 56-66
Jésus Anício de Oliveira Neto, Marco Aurélio Almeida Castro
os equipamentos de proteção, tais como os relés digitais.
Mais especificamente, nos casos dos classificadores e localizadores de faltas microprocessados, os harmônicos podem acarretar em imprecisão (BAKAR, 2008; DUGAN et al., 1996).
De forma a garantir a precisão nos modelos dos classificadores e localizadores de faltas, deve-se considerar o ângulo
de incidência das faltas que afeta tanto o transitório quanto
a amplitude inicial da falta.
Nesse sentido, alguns trabalhos têm sido publicados para a
classificação e localização de faltas em sistemas de ­distribuição.
Estão incluídos testes hipotéticos baseados em estatísticas
(BALSER et al., 1986); sistemas especialistas baseados nos
princípios de indução (KIM; RUSSELL, 1989); redes neurais
artificiais (EBRON et al., 1990; APOSTOLOV et al., 1993);
ângulo do terceiro harmônico das correntes de falta (JEERINGS;
LINDERS, 1991); decomposição das wavelets (LIANG
et al., 1998; LAI et al., 2003) e árvores de decisão (SHENG;
ROVNYAK, 2004) e lógica fuzzy ( JOTA; JOTA, 1998).
Outras publicações referentes à classificação e localização de faltas, não só relativas aos sistemas de distribuição,
como também aos de transmissão, são encontradas na literatura, sendo algumas baseadas na Teoria das Ondas Viajantes,
tais como encontradas em Costa e Souza (2011), Feng et al.
(2008), Lin et al. (2008), Lopes et al. (2013a) e Silva (2003).
A grande limitação de tais métodos é a utilização de altas
taxas de amostragem da ordem de até MHz (ZIMATH et al.,
2010). Essas frequências limitam seu uso em sistemas com
relés digitais com baixa frequência de amostragem.
Ainda, com grande influência das altas taxas de amostragem, podendo limitar o uso destes métodos em sistemas
reais, encontram-se os métodos baseados em componentes
de alta frequência (FAYBISOVICH et al., 2010; IURINIC
et al., 2013). Alguns dos quais são baseados em inteligência
artificial (SADINEZHAD; AGELIDIS, 2009; REDDY;
MOHANTA, 2008), em técnicas de Transformada de Fourier
(TAKAGI et al., 1981) e em técnicas de Transformada Wavelet
(SILVA et al., 2005).
Por fim, em Girgis et al. (1992), Lopes et al. (2013b) e
Tziouvaras et al. (2001), são mostrados alguns dos métodos
mais usados nas concessionárias baseados, principalmente,
em componentes fundamentais. Alguns destes utilizam-se
de técnicas de dois ou mais terminais, possibilitando uma
maior precisão na localização das faltas.
Trabalhos desta natureza seguem, normalmente, três etapas:
• detecção: visa determinar o ponto de incidência da falta,
o momento em que ocorreu. Esta etapa deve ser necessariamente on-line, pois se trata do momento de atuação
dos equipamentos de proteção;
• classificação: tem por objetivo classificar qual o tipo de
falta, em qual fase ocorreu e se há contato, ou não, com
terra. Esta etapa não necessariamente precisa ser on-line,
bastando apenas ter os dados coletados na fase de detecção;
• localização: pode ser realizada off-line e nela é determinada a distância da falta dos sistemas de monitoramento,
fornecida em metros ou quilômetros.
Neste contexto, o objetivo desse trabalho foi detectar,
classificar e localizar faltas em sistemas de distribuição, analisando tanto a influência da impedância de faltas como também o ângulo de incidência.
A contribuição da metodologia procura contornar três
pontos de dificuldades dos principais métodos encontrados
na literatura e citados anteriormente:
• utilização de baixa frequência de amostragem (1,5 kHz):
talvez a principal contribuição deste trabalho, visto que
considera uma baixa frequência de amostragem de 1,5
kHz, bem abaixo dos valores encontrados na literatura.
Esta baixa frequência permite a utilização do algoritmo
na maioria dos equipamentos microprocessados;
• monitoramento de apenas um terminal: algumas concessionárias utilizam-se do monitoramento de mais de um
terminal para maior precisão na localização, tendo, por
vezes, que fazer o uso de GPS para sincronização dos
dados coletados. Nesta metodologia fez-se necessário o
monitoramento de apenas um terminal, o que permitiu
menor custo de instalação dos equipamentos;
• simples filtragem dos sinais: a modelagem autorregressiva (AR) (MARPLE et al., 1987) do sinal permite uma
simples filtragem dos sinais para detecção dos sinais faltosos. Desta forma, é possível evitar cálculos matemáticos mais complexos como Transformada Wavelet (SILVA
et al., 2005) ou Teoria de Ondas Viajantes (TAKAGI
et al., 1981).
Para tanto, o tratamento inicial dos dados é realizado
por meio de uma modelagem AR (MARPLE et al., 1987),
monitorando os sinais de corrente e permitindo detectar precisamente o momento inicial da falta. Este tipo de filtragem
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2. METODOLOGIA PROPOSTA
O método proposto é dividido em quatro etapas: simulação; detecção do ponto de incidência; tratamento dos dados
e treinamento da RNA. A seguir, será descrito cada procedimento proposto.
2.1. SIMULAÇÃO
A primeira etapa deste trabalho é a simulação dos sistemas de distribuição a serem analisados. Nestes sistemas,
foram simuladas diversas faltas variando quatro parâmetros
de estudo: tipos, ângulo, resistência e local da falta.
Todas as simulações foram realizadas no Simulink/Matlab®
(versão R2012a, MathWorks). Algumas destas simulações foram
testadas teoricamente e grande parte analisada graficamente
a fim de se evitarem resultados inesperados ou imprecisos.
As informações obtidas na etapa de simulação foram divididas em dados de teste, validação e treinamento da RNA.
2.2. DETECÇÃO DO PONTO DE INCIDÊNCIA
Nessa etapa, o primeiro passo é detectar a ocorrência da
falta e encontrar o seu ponto de incidência, ou seja, o exato
momento em que o distúrbio ocorreu, como pode ser visto
na Figura 1.
A determinação do ponto de incidência é por muitas vezes
complexas, tendo necessidade a utilização de ferramentas matemáticas, tais como Transformada de Fourier (TAKAGI et al.,
Fase C
1
Fase B
1,5
Amplitude (pu)
contribui significativamente para a redução da taxa de amostragem do sinal, possibilitando seu uso em sistemas digitais.
Após detectada a falta, programou-se um algoritmo
com base teórica nas Redes Neurais Artificiais (RNAs).
Consequentemente, é possível classificar e localizar os tipos
de faltas ocorridos de maneira off-line.
Os estudos de casos foram realizados em dois sistemas
de distribuição. O primeiro sistema, apresentado em Barros
et al. (2008) e Moreto (2005), tem por objetivo validar os
resultados da metodologia proposta, comparando-os com
aqueles encontrados nestas referências. O segundo sistema
escolhido, encontrado em Vieira Junior (1999), trata-se de
um sistema com várias ramificações que possibilitam a análise da robustez do algoritmo frente a sistemas com características operativas radiais.
Fase A
Jésus Anício de Oliveira Neto, Marco Aurélio Almeida Castro
0.5
0
-0.5
-1
-1,5
30
Ponto de
incidência
40
50
60 70 80
Amostras
90
100
Figura 1. Correntes trifásicas – ponto de incidência
da falta.
1981 e Transformada Wavelet (SILVA, 2003). Apresenta-se
na sequência uma metodologia simples que permite a determinação exata do ponto inicial da falta.
Para detecção do ponto de incidência, o dado de corrente foi filtrado com um filtro Passa-Alta Butterworth de
terceira ordem, com frequência de corte de 430 Hz. Esse filtro tem como característica suprimir em -60 dB as frequências de 60 Hz, além do ganho superior a -3 dB em 600 Hz.
Essas características têm como finalidade suprimir os harmônicos mais significativos (até a sétima ordem) e melhorar
a identificação do transitório.
A Figura 2 mostra a resposta em frequência, ganho e fase do
filtro Passa-Alta Butterworth de terceira ordem implementado.
Para eliminar as grandes distorções de fase ocasionadas pelo
filtro IIR Butterworth, utilizou-se a filtragem com inversão temporal (FIT), que tem por característica a dupla filtragem do sinal,
sendo uma delas com a inversão temporal do sinal. Com esse
processo, a distorção de fase é retirada devido ao cancelamento
angular das duas filtragens (OPPENHEIM; SCHAFER, 1989).
Após a filtragem, a fim de suprimir os pontos de baixa amplitude dos dados de corrente, os sinais resultantes foram elevados
ao quadrado e somados entre si ponto a ponto, obtendo um
único vetor normalizado entre zero e um (Figura 3). É importante ressaltar que este algoritmo detecta o ponto de incidência
para qualquer tipo de falta sem a necessidade de janelamento.
A Figura 4 ilustra a corrente da fase A e o sinal normalizado obtido. Observa-se que o sinal obtido apresenta seu
máximo exatamente sobre o ponto de incidência da falta, o
que permite localizar precisamente o ponto de incidência.
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Amplitude (dB)
2.3. TRATAMENTO DOS DADOS
0
-50
-100
-150
-200
0
Fase (Graus)
0
-100
-200
-300
-400
0
Nessa etapa, são extraídos os parâmetros para o treinamento
das RNAs, utilizando-se a modelagem AR (MARPLE, 1987),
que foi escolhida devido a sua simplicidade e rapidez, além de ser
um método eficiente para estimação dos parâmetros de sistemas.
A modelagem AR consiste em relacionar determinado
sinal, por meio de combinações lineares entre amostras passadas, minimizando o quadrado da diferença entre a amostra
atual e aquelas obtidas (Equação 1).
100 200 300 400 500 600 700
Frequência (Hz)
H(z) =
100 200 300 400 500 600 700
Frequência (Hz)
em que:
an: representa o n-ésimo coeficiente estimado do modelo AR;
e : representa a variância estimada do ruído branco da entrada.
Figura 2. Filtro Butterworth passa-alta de décima
primeira ordem.
Ia
Filtragem
X2
Ib
Filtragem
X2
Ic
Filtragem
X2
+
Normalização:
X
Max(|X|)
Figura 3. Diagrama de blocos do algoritmo de
localização do ponto de incidência.
1
Amplitude (pu)
0,8
0,6
Sinal
Obtido
Sinal
Original
0,4
0,2
0
-0,4
-0,6
-0,8
-1
30
40
50
60
70
Amostras
Figura 4. Sinais original e obtido.
O resultado é uma função de transferência all-poles (somente
com polos, sem zeros). O método de Yule-Walker, também
conhecido por método de autocorrelação, foi utilizado para
a obtenção dos coeficientes, no qual um modelo AR é ajustado para minimizar o erro de predição à frente pelo método
dos mínimos quadrados (MARPLE, 1987).
Os sinais de corrente (Ia, Ib, Ic) e tensão (Vab, Vbc, Vca) foram
extraídos de 25 amostras (um ciclo de 60 Hz) de cada sinal,
sendo 12 amostras pré-falta, uma no ponto de ocorrência e
12 pós-falta (Figura 5). De tais sinais, foram extraídos 10 coeficientes AR de cada sinal, totalizando 60 para cada evento
de falta, os quais foram aplicados como dados de entrada da
RNA de classificação e da RNA de localização das faltas.
A Figura 5 exemplifica a parte do sinal utilizado para a extração dos coeficientes do modelo AR. A curva destacada por figuras geométricas é o sinal de um ciclo de 60 Hz utilizado para
extração dos coeficientes do modelo AR de um sinal de corrente.
O mesmo foi feito para os demais sinais de corrente e tensão.
2.4. TREINAMENTO DAS
REDES NEURAIS ARTIFICIAIS
Ponto de
Incidência
-0,2
e
1+a2z-1+a3z-2+ ... +a(n+1)z-n (1)
80
90
100
Nessa etapa do trabalho foi feito o treinamento das
RNAs (THE MATHWORKS INC., 2002). Para os algoritmos de classificação e localização, utilizaram-se redes
Multilayer Perceptron (MLPs), com função de ativação tansig para as camadas ocultas (duas camadas) e purelin para a
de saída (uma camada), além do algoritmo de aprendizagem
Levenberg-Marquardt.
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Tabela 1. Convenção adotada para classificação de falta.
1
Corrente
de falta
Sinal utilizado
Ponto de
Ocorrência
0,8
Amplitude
0,6
0,4
0,2
0
-0,2
-0,4
-0,6
-0,8
-1
0
0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 0,06
Tempo (s)
Figura 5. Sinal utilizado para extração dos coeficientes
da modelagem autorregressiva.
2.4.1. Rede neural artificial de classificação
No treinamento da RNA para classificação das faltas, convencionou-se que as fases envolvidas nas faltas teriam saídas
variando de 1 a 10, como mostrado na Tabela 1.
Na Tabela 1, as letras A, B e C determinam quais fases
foram envolvidas na falta e T é presente nas faltas que envolveram o condutor terra.
Para entrada da RNA de classificação, utilizaram-se os
60 parâmetros extraídos na etapa de tratamento dos dados.
2.4.2. Rede neural artificial de localização
Para a localização, convencionou-se a saída da RNA como
sendo a própria distância da ocorrência da falta em quilômetros.
Para entrada da RNA de localização, foram utilizados os mesmos 60 parâmetros extraídos na etapa de tratamento dos dados.
3. SISTEMAS TESTES
Foram escolhidos dois sistemas de distribuição: um sem
ramificações e um ramificado, ambos da Companhia Paulista
de Força e Luz (CPFL).
3.1. SISTEMA DE DISTRIBUIÇÃO SEM
RAMIFICAÇÕES: SISTEMA 1
O primeiro sistema de distribuição simulado, Sistema
1, consiste de um alimentador operando de forma radial,
Fases envolvidas
Convenção numérica
adotada
AT
1
BT
2
CT
3
AB
4
ABT
5
CA
6
CAT
7
BC
8
BCT
9
ABC
10
adaptado do trabalho de Wakileh e Pahwa (1997). As
diversas ramificações presentes no sistema original foram
agregadas, isto é, substituindo cada ramificação por cargas equivalentes.
A Figura 6 apresenta o diagrama unifilar do sistema
simulado.
A Tabela 2 mostra os dados de linha e das cargas. A resistência da linha (R) é de 0,28 Ω/km e a reatância (X) de
0,27 Ω/km.
Este é o mesmo sistema utilizado por Moreto (2005) e
Barros et al. (2008). Desta forma, procurou-se fazer uma análise mais completa e, então, comparar os resultados de classificação e localização das faltas com aqueles encontrados nas
referências citadas.
3.2. SISTEMA DE DISTRIBUIÇÃO
RAMIFICADO: SISTEMA 2
O segundo sistema de distribuição simulado, Sistema 2,
consiste de uma rede ramificada da CPFL, que foi adaptada de Vieira Junior (1999). O sistema possui oito barras
além de um cogerador na barra oito e barramento slack na 1,
como mostrado no diagrama unifilar do sistema na Figura 7.
A tensão da rede primária é 13,8 kV e a potência nominal
do cogerador é 400 kVA. Os dados das cargas e linhas são
apresentados em Vieira Junior (1999).
Esse sistema destaca-se por ser ramificado. Dessa forma,
há simetria das condições de falta, o que dificulta a localização
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13,8 kV
8
9
10
11
12 13
14
carga
carga
7
carga
carga
6
carga
carga
5
carga
4
carga
3
carga
2
carga
1
carga
0
Figura 6. Sistema de distribuição sem ramificação.
Tabela 2. Dados do alimentador simulado.
Barra
Potência
ativa
(kW)
Potência
reativa
(kVA)
i
j
Comprimento
(km)
0
1
4,18
2.646
882
1
2
1,26
522
174
2
3
1,26
4.896
1.632
3
4
2,19
936
312
4
6
2,96
1.806
602
6
8
3,16
1.503
501
8
9
1,55
189
63
9
11
6,2
657
219
11
12
2,17
336
112
12
13
0,89
125
42
13
14
1,8
225
85
• tipo de falta: as faltas simuladas são do tipo fase-fase (AB;
AC; BC), fase-fase-terra (ABT; ACT; BCT), monofásicas (AT; BT; CT) e trifásica (ABC);
• ângulo de falta: é o ângulo de ocorrência da falta tomando
como referência a fase A, que foi simulado para 0°, 15°,
30°, 45°, 60°, 75° e 90°;
• resistência de falta: variou entre os valores 1, 10, 20, 50 e 100 Ω;
• distância da falta: para o primeiro sistema, o local em que
ocorreu a falta foi simulado de 0,4 até 27,6 km, variando
com incrementos de 0,2 km, e totalizando 137 locais faltosos. Para o segundo sistema, o local onde ocorreu a falta
foi simulado de 0,2 até 27,8 km, variando com incrementos
de 0,2 km, e totalizando 139 locais faltosos. Essas simulações foram voltadas para o treinamento e teste da rede.
exata da mesma. Tais condições serão comentadas nos resultados de localização.
Para este sistema serão apresentados apenas os erros médios
absolutos e percentuais de todas as simulações, ficando a análise
mais aprofundada das condições de falta no primeiro sistema.
Fizeram-se todas as combinações possíveis entre esses
parâmetros, o que totalizou em 47.950 simulações para o
primeiro sistema e 38.920 para o segundo, sendo 30% dos
dados voltados para a validação, 40% voltados para testes e
30% para treinamento da RNA.
Para cada simulação foram salvos os dados de correntes de
linha (Iabc) e tensões de fase (Vabc). Para a obtenção dos dados,
utilizou-se uma frequência de amostragem de 1,5 kHz. Cada
simulação teve duração de 0,1 s, isto é, das formas de ondas
foram salvos seis ciclos de 60 Hz.
3.3. ESTUDOS DE CASO
3.4. RESULTADOS DA CLASSIFICAÇÃO
3.3.1. Simulação
As simulações foram feitas variando, para cada um dos
sistemas, os quatro parâmetros para o estudo:
Na classificação, utilizou-se uma rede de duas camadas
ocultas e uma de saída. Por meio do teste de várias arquiteturas, a melhor rede obtida foi a que possuía 13 neurônios
em cada camada oculta.
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Barra 5
Linha 5
Barra 1
Linha 1
Barra 8
Barra 6
Barra 2
Linha 2
Linha 3
Cogerador
Linha 6
Linha 4
Barra 4
Linha 7
Barra 3
Barra 7
Figura 7. Sistema de distribuição ramificado (CPFL).
1,4
1,2
1
Erro (%)
Para o Sistema 1, na apresentação dos resultados, destacam-se três parâmetros que podem afetar significativamente
o modelo proposto na classificação das faltas, sendo eles: tipo,
resistência e ângulo de falta. As Figuras 8 a 10 apresentam
os erros percentuais em função desses parâmetros testados.
Esses erros foram calculados a partir de 19.180 dados de teste
(40% dos dados simulados).
Das Figuras 8 a 10 observa-se que o algoritmo de classificação obteve um resultado favorável quando relacionado
à exatidão e à independência dos parâmetros testados (resistência, tipos e ângulo de falta). O erro máximo encontrado
foi de apenas 1,6%, no caso da resistência de falta. O erro
percentual médio foi de 0,65%.
Para esse mesmo sistema, Barros et al. (2008) apresentam os resultados da classificação de faltas utilizando
o Sistema Fuzzy. A modelagem aqui proposta apresentou erro máximo de classificação de 1,6% para o carregamento máximo do sistema, enquanto na referência
citada encontram-se erros de até 16,7%, para o mesmo
caso analisado. Ressalta-se que a taxa de amostragem utilizada neste artigo é de 1,5 kHz, enquanto que naquele
chegou a 7,68 kHz.
0,8
0,6
0,4
0,2
0
AT BT CT AB ABT CA CAT BC BCT ABC
Tipos de Falta
Figura 8. Sistema 1 – erros de classificação em função
do tipo de falta.
Os resultados dos testes para o Sistema 2 são apresentados na Tabela 3.
A Tabela 3 apresenta os erros percentuais médios para
os casos apresentados. O maior erro foi para o caso da falta
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Tabela 3. Erros de classificação para o Sistema 2.
Maior erro
1,8
1,6
17,3%
Erro (%)
1,4
Falta bifásica-terra
Erro médio
(todos os casos)
10,4%
1,2
1
0,8
3.5. RESULTADOS DA LOCALIZAÇÃO
0,6
Para a localização utilizou-se a mesma rede anterior, diferenciando-se apenas sua arquitetura, sendo no caso em questão, 32 neurônios na primeira camada e de 17 neurônios na
segunda. A camada de saída é a resposta dos valores de distância da falta, variando de 0,4 a 27,6 km.
Os resultados da localização de falta foram obtidos a
partir dos mesmos 19.180 dados de teste da seção anterior.
No cálculo dos erros destacam-se dois parâmetros que podem
afetar significativamente o modelo proposto na localização das
faltas, sendo eles: resistência de falta e ângulo de incidência.
As Figuras 11 e 12 apresentam uma média dos resultados obtidos em função da resistência de falta e do ângulo de
incidência (cada ponto é uma média de resultados do algoritmo para cada situação).
Os resultados apresentados na Figura 11 mostram a eficiência do algoritmo, mesmo para faltas de alta impedância.
O erro médio máximo obtido foi de 2,77 km.
Pode-se observar na Figura 12 que, novamente, o modelo
proposto obteve bons resultados, independentemente dos
ângulos de incidência e com um erro máximo de 3,2 km.
Um resumo geral dos resultados é apresentado na Tabela 4.
A partir da Tabela 4, pode-se notar o bom comportamento
do modelo apresentado nas diversas situações testadas, destacando-se o resultado de erro médio absoluto. Mesmo com
esse bom comportamento, observa-se um erro máximo de
25,2 km. A fim de justificá-lo, fez-se uma análise mais aprimorada calculando-se os erros para os diversos intervalos,
conforme descrito na Tabela 5.
Apesar de o erro máximo absoluto ter um valor considerável (Tabela 4), pode-se observar da Tabela 5 que os valores
com erros maiores que 10 km ocorreram em 0,08% dos casos
e os menores de 1 km se destacam por ocorrem com maior
frequência, em 87,13% dos casos.
Quando comparado com os estudos feitos por Moreto
(2005) para o mesmo sistema, pode-se observar o bom comportamento da metodologia proposta. Em Moreto (2005),
0,4
0,2
0
1
10
20
50
100
Resistência (Ohms)
Figura 9. Sistema 1 – erros de classificação em função
da resistência.
1,8
1,6
Erro (%)
1,4
1,2
1
0,8
0,6
0,4
0,2
0
0
15
30
45
60
75
90
Ângulo (graus)
Figura 10. Sistema 1 – erros de classificação em função
do ângulo.
bifásica-terra (17,3%) e o erro médio total foi de 10,4%.
Ambos os casos são maiores que aqueles observados no
sistema anterior. Explica-se tal fato pela maior complexidade do sistema, destacando-se as condições de simetria
da falta. Essas condições serão comentadas em maiores
detalhes nos resultados de localização da falta referentes
ao segundo sistema.
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Tabela 4. Erros absolutos para todos os casos.
3
Erro absoluto (km)
Resistência de falta
2,5
1 Ohm
10 Ohms
20 Ohms
50 Ohms
100 Ohms
2
1
0,5
0
5
10
15
20
25
30
Distância (km)
Figura 11. Sistema 1 – resultados em função da
resistência de falta.
Erro absoluto (km)
3,5
3
Ângulo
0
15
30
45
60
75
90
2,5
2
1,5
1
0,5
0
0
5
10
15
20
Erro
absoluto
mínimo
Erro
absoluto
médio
Desvio
padrão
25,2 km
0,0 km
0,56 km
0,83 km
Tabela 5. Erros absolutos para todos os casos
separados em intervalos.
1,5
0
Erro
absoluto
máximo
25
30
Distância (km)
Figura 12. Sistema 1 – resultados em função do ângulo
de incidência.
os erros médios para todos os tipos e as condições de faltas
com o sistema em seu carregamento máximo ficaram em
torno de 0,16 a 2,35%. A metodologia proposta apresentou erro médio de 2,07% para as mesmas condições faltosas. Deve-se destacar que, em Moreto (2005) a frequência
de amostragem foi de 11,5 kHz, enquanto a utilizada neste
artigo foi de 1,5 kHz.
Erros entre
Erro (%)
0 e 1 km
87,13
1 e 5 km
12,39
5 e 10 km
0,38
10 e 25,2 km
0,08
Os resultados dos testes para o Sistema 2 estão apresentados na Tabela 6.
Os erros médios e o desvio padrão são relacionados à
média global dos resultados, incluindo a variação dos tipos
de falta, o ângulo de falta, o local da falta e a variação da
resistência de falta.
Em um sistema ramificado, caso do Sistema 2, deve-se destacar a simetria das condições de falta, a qual certamente dificulta
sua localização visto que alguns locais de falta, a partir do ponto
de coleta de dados, podem ser coincidentes. Desta forma, esperase um erro médio maior haja vista da complexidade do sistema.
Em resposta a esta condição, o sistema de distribuição ramificado obteve 10,5% de erro médio, o maior dentre os sistemas,
o que é esperado devido às suas ramificações e simetria. Deve-se
destacar que tal resultado ainda é bem favorável haja vista que
o algoritmo tem apenas um ponto de amostragem dos dados.
Em situações práticas, devido à complexidade do problema,
deve-se considerar o localizador de falta como um indicativo
dos possíveis locais de ocorrência de uma determinada falta.
Porém, apesar de ser um indicativo, minimiza consideravelmente o espaço de procura do local exato da falta.
Para os sistemas testados, deve-se notar que a metodologia
proposta por ser baseada em RNAs depende do treinamento
da rede para o aprendizado e escolha de melhor arquitetura.
Portanto, quando da implementação em sistemas reais existe uma
dependência dos dados das linhas e, caso o sistema seja alterado
de configuração, deve ser feito um novo treinamento da RNA.
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Tabela 6. Erros de localização para o Sistema 2.
Erro médio
absoluto
Desvio padrão
Erro percentual
médio
2,93 km
2,31 km
10,5%
Essa metodologia permite seu uso em sistemas de
grande porte, como, por exemplo, sistemas de transmissão,
visto que neles as impedâncias de faltas são bem menores devido ao alto nível de tensão das linhas. Sabia-se que
nestes sistemas seu comportamento seria ainda melhor,
pois os menores erros médios foram obtidos com baixas
resistências de falta.
4. CONCLUSÕES
Este trabalho apresentou uma aplicação das RNAs em
conjunto com a modelagem AR na classificação e localização de faltas em sistemas de distribuição. Essa metodologia
foi baseada nos transitórios de alta frequência gerados por
tais faltas, destacando-se: faltas monofásicas, bifásicas (com
e sem terra) e trifásicas.
A abordagem do presente trabalho incluiu o estudo de
casos de alta e baixa impedâncias, além de diferentes pontos
de incidência das faltas.
Para a extração dos parâmetros de entrada da rede neural, realizou-se um pré-processamento dos sinais de tensão e
corrente, por meio dos quais foram calculados os coeficientes
do modelo AR do sinal pelo método de Yule-Walker.
Os resultados obtidos mostraram que o desempenho geral
do algoritmo proposto para classificação e localização de faltas foi favorável quando relacionado à precisão.
Para o primeiro sistema testado, cujas ramificações foram
agregadas em forma de carga equivalente, obteve-se um erro
de classificação de 0,65% e um erro absoluto médio de localização de 0,56 km. O método proposto também se mostrou
praticamente independente da impedância de falta, do tipo
da falta e do ângulo de incidência da falta. Os resultados
foram comparados com aqueles encontrados na literatura,
mostrando a eficácia do algoritmo.
Em um segundo sistema, agora ramificado, obteve-se
erro médio percentual em torno de 10,4% para classificação
e 10,5% para localização. O maior erro ocorreu em função
da simetria das condições de falta. Com esta simetria, a distância estimada de alguns locais de falta, a partir do ponto
de coleta de dados, pode ser coincidente. Apesar do maior
erro, o resultado foi considerado satisfatório visto da complexidade do sistema analisado.
Como principal contribuição, o modelo proposto obteve
um bom desempenho quando comparado com os resultados
encontrados na literatura, utilizando uma baixa frequência de
amostragem (1,5 kHz), mesmo sendo uma metodologia baseada
em altas frequências. Esta frequência de amostragem permite
a utilização do algoritmo na maioria dos equipamentos microprocessados. Destaca-se, ainda, que toda proposta foi realizada
com o monitoramento de apenas um terminal do sistema.
5. AGRADECIMENTOS
Os autores gostariam de agradecer à Coordenação de
Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES),
ao Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e
Tecnológico (CNPq) e à Fundação de Amparo à Pesquisa
do estado de Minas Gerais (FAPEMIG).
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Revista Pesquisa Naval, Brasília - DF, n. 26, 2014, p. 56-66
ENERGIA
SÍNTESE DE FASES Li4Ti5O12 (LTO) PARA
APLICAÇÃO COMO ÂNODO DE BATERIA
SECUNDÁRIA DE ÍON LÍTIO
Synthesis of Li4Ti5O12 Phases (LTO) for Application as
Anode in Lithium Ion Secondary Battery
Fernanda Regina Rocha Caldas1, Eduardo Ariel Ponzio2, Marta Eloisa Medeiros3,
Francisco Manoel dos Santos Garrido4
Resumo: As baterias secundárias de íon-lítio se destacam dentre as
tecnologias alternativas para produção e armazenamento de energia
elétrica. Neste trabalho, materiais contendo a fase tipo espinélio do
Li4Ti5O12 (LTO) foram sintetizados pelo método sol-gel, na presença de amido. No método proposto, diferentes razões molares de
lítio, titânio e amido solúvel foram usadas ​​e a influência do pH e tratamento térmico foram também avaliados, na preparação dos materiais LTO. As amostras foram caracterizadas por Difração de Raios
X (DRX), método do pó, e Espectroscopia no Infravermelho (IV).
Em um estudo preliminar de Voltametria Cíclica, foi identificada a
característica eletroativa para um dos materiais obtidos, indicando a
eletroatividade deste material.
Palavras-chave: Bateria de íon-lítio. Fase LTO. Ânodo.
Abstract: The secondary lithium ion batteries stand out among the
alternative technologies for the production and storage of electricity.
In this work, materials containing the Li4Ti5O12 spinel type phase
(LTO) were synthesized by sol-gel method in the presence of starch.
In the proposed method, different molar ratios of lithium, titanium
and soluble starch were used and the effect of pH and heat treatment in the preparation of the LTO materials were also evaluated.
The samples were characterized by X-ray diffraction (XRD), the
powder method, and infrared spectroscopy (IR). In a preliminary
study of Cyclic Voltammetry was identified the electroactive characteristic for one of the materials obtained, indicating the electroactivity of this material.
Keywords: Lithium-ion battery. LTO phase. Anode.
1. INTRODUÇÃO
ambiente e do esgotamento dos recursos não renováveis
usados, atualmente, como fonte de energia ( JUNG et al.,
2011a). Por consequência, têm sido desenvolvidas inúmeras pesquisas com dispositivos eletroquímicos, destacandose as baterias. Baterias são fontes portáteis de eletricidade
formadas por um conjunto de pilhas, agrupadas em série
ou em paralelo, que produzem energia elétrica a partir de
Nas últimas décadas, o desenvolvimento de novas
tecnologias para produção e armazenamento de energia
elétrica, principalmente as que utilizam fontes renováveis, faz-se cada vez mais emergencial em todo o mundo.
Essa motivação é decorrente da preocupação com o meio
1. Professor de Ensino Básico, Técnico e Tecnológico, Colégio Pedro II – Duque de Caxias, RJ – Brasil. Mestre em Química, Instituto de Química da Universidade Federal
do Rio de Janeiro – Rio de Janeiro, RJ – Brasil. E-mail: [email protected]
2. Professor Adjunto IV, Instituto de Química – Niterói, RJ – Brasil. Doutor em Química, Instituto de Química da Universidade de São Paulo – São Paulo, SP – Brasil.
E-mail: [email protected]
3. Professor Associado III, Instituto de Quimica da Universidade Federal do Rio de Janeiro – Rio de Janeiro, RJ – Brasil. Doutor em Química, Instituto de Química da
Universidade Estadual de Campinas – Campinas, SP – Brasil. E-mail: [email protected]
4. Professor Associado II, Instituto de Química da Universidade Federal do Rio de Janeiro – Rio de Janeiro, RJ – Brasil. Doutor em Química, Instituto de Química da
Universidade Estadual de Campinas – Campinas, SP – Brasil. E-mail: [email protected]
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uma energia química armazenada (BOCCHI et al., 2000;
VARELA et al., 2002; PESQUERO et al., 2008).
De um modo geral, as baterias são classificadas como baterias primárias e secundárias. As baterias primárias são utilizadas em aparelhos portáteis e não são recarregáveis, ou seja, são
descartáveis. As baterias secundárias são recarregáveis e as reações eletroquímicas podem ser revertidas por meio da aplicação de uma corrente externa (PESQUERO et al., 2008). Dos
diferentes tipos de baterias secundárias desenvolvidas ou em
desenvolvimento, a bateria secundária de íon-lítio tem se mostrado uma das mais promissoras. Ela é mais leve, tem menores
dimensões, não tem efeito memória, possui uma baixa taxa de
auto-descarga e uma alta voltagem, entre 3 e 4 V, se comparada com outras baterias secundárias, e pode ser operada numa
larga faixa de temperatura, inclusive à temperatura ambiente
(VARELA et al., 2002; PESQUERO et al., 2008).
Atualmente, a bateria secundária de íon-lítio tem sido
considerada uma das mais promissoras fontes de energia com
inúmeras aplicações (como em telefones celulares, relógios,
veículos elétricos, alarmes de segurança, entre outros). Desse
modo, observa-se um maior interesse comercial nesse dispositivo (LI et al., 2012). Verifica-se um maior investimento e
incentivo para o armazenamento eficiente de energia para o
futuro mercado de veículos elétricos e híbridos, sendo este um
dos principais motivos para o desenvolvimento e o melhoramento de baterias secundárias que ofereçam uma alta densidade de energia e que utilizem eletrodos com alta capacidade de carga (VARELA et al., 2002; HSIAO et al., 2008;
KUNIAK et al., 2011; JUNG et al. 2011a; 2011b).
De um modo simplificado, a bateria é formada por um eletrólito e dois eletrodos - o ânodo e o cátodo. Na bateria secundária de íon-lítio o eletrólito é uma solução eletrolítica de um
sal de lítio, dissolvido em um solvente não aquoso. Os eletrodos
são formados, geralmente, por compostos de estrutura aberta,
denominados compostos de intercalação, que são sólidos capazes de incorporar reversivelmente átomos ou moléculas dentro
da sua estrutura (cristalina ou não) sem sofrer grandes variações
estruturais (VARELA et al., 2002). O uso de eletrodos com
essa característica é vantajosa devido ao processo de intercalação iônica, que é uma consequência da reação redox. Nesse
processo a velocidade com a qual os íons lítio intercalam ou
desintercalam do cátodo e do ânodo, respectivamente, influenciam significativamente no desempenho da bateria (VARELA
et al., 2002; WOO et al., 2007; JUNG et al., 2011b).
Os principais cátodos utilizados são os compostos litiados de óxidos de metais de transição, como o LiMn2O4,
LiCoO2 , LiNiO2 (VARELA et al., 2002; Oh et al., 2002;
PESQUERO et al., 2008) e LiV2O5, o espinélio de LiMnO2
(VARELA et al., 2002), sendo o óxido de cobalto litiado
(LiCoO 2) o mais frequentemente utilizado (VARELA
et al., 2002). Atualmente, o grafite é o material anódico
mais utilizado, devido a propriedades como estabilidade,
custo, disponibilidade, desempenho, potencial versus lítio,
baixa capacidade de irreversibilidade, boa ciclabilidade e
capacidade específica de 372 mAhg-1 (PESQUERO et al.,
2008; BELHAROUAK et al., 2011). Além disso, ele é
um eletrodo de inserção com estrutura lamelar que intercala reversivelmente os íons lítio sem alterar significativamente a sua estrutura (Pesquero et al., 2008). Entretanto,
são observadas algumas limitações do ânodo de grafite, tais
como, perda estrutural, deformação, desconexão elétrica (Oh
et al., 2006), diminuindo sua reversibilidade e desempenho
em baixas temperaturas e em altas taxas de carga e descarga
(KUBIAK et al., 2011). Também são observados problemas
com a segurança quando o lítio metálico é acumulado no
ânodo de grafite (OH et al., 2006).
Historicamente, durante os anos 70 e 80, o lítio metálico
foi o material mais utilizado em ânodos de bateria de lítio, por
possuir uma capacidade específica muito alta 3860 mAhg-1
(PESQUERO et al., 2008). Entretanto, foram observados
problemas relacionados com a alta reatividade e instabilidade
do lítio e limitações oferecidas pela química redox do lítio.
Com o decorrer dos ciclos de carga e descarga, observa-se
uma diminuição da capacidade de armazenamento de carga,
ficando esta abaixo do nível aceitável. Este fato é observado
quando o lítio é depositado eletroquimicamente no ânodo
de lítio, sendo esse depósito mais poroso que o metal original. Por consequência, o potencial do lítio e o contato elétrico diminuem, provocando a corrosão e a formação de dendritos (YI et al., 2010), que podem causar um curto-circuito,
seguido por um superaquecimento rápido da bateria, inflamado-a, e reduzindo sua segurança e vida útil (VARELA et
al., 2002; GANESAN et al., 2007; Pesquero et al., 2008; YI
et al., 2010; Jung et al., 2011b). Com essas limitações, observou-se um desinteresse pela configuração que utiliza o ânodo
de lítio metálico (VARELA et al., 2002). Por esse motivo,
inúmeros trabalhos têm sido desenvolvidos com novos materiais anódicos de baixo custo e com alto desempenho, para
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que minimizem ou eliminem as propriedades indesejáveis,
e intercalem íons lítio com cinética relativamente rápida
(KUBIAK et al., 2011). Alguns exemplos de materiais anódicos são apresentados na Tabela 1.
Dos materiais anódicos apresentados na Tabela 1, destaca-se, nesse trabalho, o Titanato de Lítio (LTO), especificamente a fase Li4Ti5O12 com estrutura tipo espinélio
cúbico (Grupo espacial Fd3m). Observa-se que os valores
de Capacidade Específica Teórica/Experimental (mAhg-1)
da LTO são valores relativamente próximos, comparado com
os demais ânodos apresentados. Esses valores estão relacionados com a quantidade de íon lítio que pode ser desintercalada, no processo de carga, ou intercalada, no processo de
descarga. A diferença entre a Capacidade Específica Teórica/
Experimental dos demais ânodos pode ser atribuída a fenômenos estruturais e eletrônicos, sendo também fortemente
dependente do processo de síntese.
Na literatura, são citados diferentes métodos de síntese
para a obtenção da fase LTO, como o método do precursor
(SORENSEN et al., 2006), o método template combinado
com processo sol-gel (WOO et al., 2007; HSIAO et al.,
2008), a reação no estado sólido (GANESAN et al., 2007;
BELHAROUAK et al., 2011), o método de irradiação por
microondas (YI et al., 2010), a co-precipitação de carbonatos ( JUNG et al., 2011b), síntese hidrotérmica ( JUNG
et al., 2011b), o processo de secagem por pulverização associado com calcinação em estado sólido (HSIAO et al., 2008;
YI et al., 2010; JUNG et al., 2011a), o método hidrotérmico
assistido por microondas e seguido por tratamento térmico
(LIU et al., 2012), entre outros. A fase LTO tem se mostrado um material alternativo promissor (LIU et al., 2012),
mesmo apresentando uma baixa capacidade teórica de 175
mAhg-1 (SORENSEN et al., 2006), quando comparado
com capacidade de carga de 372 mAhg-1 do ânodo de grafite
(BELHAROUAK et al., 2011). Uma das propriedades mais
interessantes da fase LTO é a expansão muito pequena de sua
célula unitária quando se insere reversívelmente os íons lítio
(WOO et al., 2007; HSIAO et al., 2008; LI et al., 2012). Portanto,
a fase LTO torna-se um ânodo robusto (SORENSEN et al.,
2006) e, consequentemente, sua segurança e o ciclo de vida
são aumentadas, quando comparada com o ânodo de grafite
(SORENSEN et al., 2006; WOO et al., 2007; GANESAN
et al., 2007; YI et al., 2010; BELHAROUAK et al., 2011; JUNG
et al., 2011a; 2011b). Além disso, em 1,55 V vs Li/Li+ , os íons
lítio intercalam facilmente, com excelente mobilidade, se distribuindo uniformemente na estrutura espinélio, inserindo três
íons de lítio por unidade fórmula, sem que ocorra problemas
com a interface eletrodo/eletrólito (SORENSEN et al., 2006;
LI et al., 2012).
No entanto, apesar das vantagens mencionadas, a fase LTO
não cumpre todos os requisitos para ser utilizada com sucesso em
baterias de alta taxa de carga/descarga, principalmente devido à
sua baixa condutividade eletrônica (HSIAO et al., 2008; Jung et
al., 2011a; LI et al., 2012). Estudos recentes têm demonstrado
que a utilização de materiais porosos ou nanomateriais podem
melhorar significativamente a taxa de carga/descarga devido a
maior área de contato eletrodo/eletrólito, menor comprimento
de transporte de Li+ e aumento na condutividade eletrônica.
Tabela 1. Alguns exemplos de materiais anódicos estudados atualmente.
Material anódico
Capacidade Específica
Teórica/Experimental (mAhg -1)
Autores
Li0
LiC6 (grafite)
TiO2
TiO2
SnO2
Li4Ti5O12
Li4Ti5O12
Li4Ti5O12
Li4Ti5O12
Li4Ti5O12
Li4Ti5O12
Li4Ti5O12
Li4Ti5O12
3862/3600
372∕194
335∕168
335∕180
601/410
175/168
175/152
175/170
175/160
175/144
175/165
175/170
175/169
Pesquero et al., 2008
Pesquero et al., 2008
Kubiak et al., 2011
Oh et al., 2006
Pesquero et al., 2008
Hao et al., 2005
Sorensen et al., 2006
Ganesan et al., 2007
Woo et al., 2007
Hsiao et al., 2008
Yi et al., 2010
Jung et al., 2011a
Jung et al., 2011b
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No trabalho desenvolvido por WOO et al. (2007), foram sintetizadas nanopartículas da fase LTO e, posteriormente, foram
dopadas com cátions de valência elevada. Segundo Hsiao et al.
(2008), uma das alternativas para aumentar a condutividade
eletrônica consiste na dopagem da fase LTO com um metal
nobre ou com nanopartículas de um óxido condutor, ou então,
a redução do tamanho de suas partículas, o que conduz a um
caminho mais curto de difusão dos íons lítio. Os autores verificaram um aumento na condutividade eletrônica da fase LTO
porosa, devido ao menor tamanho de partícula e maior área de
superficie específica, sendo também observado um aumento da
capacidade de carga/descarga, decorrente da menor distância
de transporte dos íons lítio.
Mais recentemente, Li et al. (2012) doparam a fase
LTO com nanopartículas de ouro obtendo esferas mesoporosas de Au/Li4Ti5O12. Segundo os autores, o glicolato
de titânio foi utilizado como precursor por possibilitar
uma síntese rápida da fase LTO, pela reação direta com
LiOH. Os autores concluíram que o material mesoporoso,
de Au/Li4Ti5O12, apresentou uma maior área superficial
específica e melhor condutividade eletrônica, se comparado com a fase LTO pura, devido ao revestimento com
nanopartículas de ouro.
No trabalho de Jung et al. (2011b), a fase LTO foi sintetizada na forma de nanopartículas isoladas, tendo como
precursores o TiO2 e o Li2CO3, com o objetivo de reduzir o caminho de difusão do íon Li+ e melhorar sua capacidade de taxa de carga/descarga. Posteriormente, a fase
LTO foi calcinada a 900ºC durante 20 horas em ar, e em
seguida, foi revestida com Li2CO3, formando uma camada
de carbono uniforme com elevada densidade aparente. No
aquecimento entre 600 e 650ºC, esta camada de carbono
inibiu o crescimento das partículas primárias, durante a
calcinação, mantendo a morfologia esférica semelhante a
do precursor de TiO2, em tamanho e forma. Também foi
verificado que essa camada é altamente condutora e melhora
significativamente a condutividade eletrônica da fase LTO.
Além disso, os nanoporos facilitaram a infiltração do eletrólito provocando uma difusão mais rápida dos íons lítio.
Com base no exposto, o objetivo deste trabalho foi o de
estudar a síntese, pelo método sol gel em presença de amido,
de materiais contendo a fase Li4Ti5O12 (LTO), do tipo espinélio, a qual apresenta potencial para ser utilizada em ânodos de
baterias secundárias de íon-lítio. Foram utilizadas diferentes
proporções molares de lítio, titânio e amido solúvel. Também,
foi avaliada a influência do tratamento térmico e do pH, na
formação da fase LTO.
O método de síntese foi desenvolvido com o objetivo de
reduzir o tempo e o custo da síntese, comparado com trabalhos
existentes na literatura. Os materiais foram caracterizados por
Difração de Raios X (DRX), método do pó, Espectroscopia
no Infravermelho (IV). Um estudo preliminar de Voltametria
Cíclica também foi realizado, em um dos materiais sintetizados, para avaliar a possibilidade de utilizar estes materiais
em ânodos de baterias secundárias de íon-lítio.
2. MATERIAIS E MÉTODOS
2.1. SÍNTESE DOS MATERIAIS LTO_x
Os materiais LTO_x, onde x indica a ordem cronológica
da síntese, foram sintetizados pelo método sol-gel em presença de amido. As especificações dos reagentes utilizados
se encontram na Tabela 2.
Foi preparada a solução do precursor de titânio, adicionando 0,10 mol de TiCl4 (18,97 g) em 100 mL de água
destilada a 0ºC, de acordo com o procedimento descrito
por Park et al. (1999). Observou-se uma reação bastante
exotérmica, devido a hidrólise do TiCl 4, sendo necessário realizá-la em banho de gelo. Nessa etapa, verifica-se a
formação de um precipitado de TiOCl2, de coloração amarela intensa, que foi dissolvido com a adição gradual de
100 mL de água destilada a 0ºC, sob agitação, formando
uma solução transparente homogênea de coloração amarela clara de TiO(OH)2. A seguir, foram adicionadas, diretamente sobre a solução, 25,20 g de ácido oxálico (razão
molar Ti+4/Ácido Oxálico=1:2) e, posteriormente, 90 mL
de solução 4,44 mol/L de hidróxido de amônio (14,02 g de
NH4OH), obtendo-se uma razão molar Ti+4/NH4OH=1:4,
de acordo com o procedimento desenvolvido por Van de
Tabela 2. Características dos reagentes utilizados.
Reagentes
Fórmula Molecular Fornecedor
Tetracloreto de lítio
TiCl4
Ácido oxálico
C2H2O4. 2 H2O
VETEC
Carbonato de lítio
Li2CO3
ALDRICH
Hidróxido de amônio
NH4OH
MERCK P.A.
Amido solúvel
(C6H10O5)n
VETEC P.A.
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VETEC
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Velde et al. (1973). Foi obtida, assim, uma solução do precursor de titânio Ti+4 (0,60 mol/L), que apresentou um
aspecto límpido e incolor, com pH<1.
Para a síntese dos materiais LTO_x foram separadas alíquotas de 5 mL da solução do precursor de Ti+4 (3,0 mmol) e
adicionado, sob agitação e à temperatura ambiente, hidróxido
de amônio concentrado, com volumes variando de 1 a 5 mL,
obtendo-se soluções com o pH entre 5,0 e 9,2. Nessas soluções,
foram adicionadas diferentes quantidades de Li+ (com massas
de Li2CO3 variando entre 0,09 e 0,17 g) e de amido solúvel
(com massas variando entre 0,40 e 1,60 g), com base nas razões
molares de Ti/Li e de cátions/amido indicadas na Tabela 3.
Cabe ressaltar que, inicialmente, foi utilizada a razão molar
Ti/Li=1,0/0,8; quantidade definida como estequiométrica de
lítio de acordo com a fórmula Li4Ti5O12. Posteriormente, o
lítio foi utilizado em excesso com o objetivo de compensar a
perda de lítio por difusão, em altas temperaturas, de acordo
com a literatura (LAUMANN et al., 2011). Também deve
ser esclarecido que a quantidade de amido identificada como
amido estequiométrico foi escolhida de forma empírica,
considerando a soma das quantidades molares de Ti+4 e Li+,
uma vez que, não há dados na literatura sobre a adição deste
reagente. Desta forma, a partir do referencial de amido estequiométrico foram utilizadas outras quantidades de amidos,
de acordo com a Tabela 3.
Para cada uma das condições de síntese, indicadas na
Tabela 3, as soluções foram aquecidas a 90ºC/2 h, sob agitação, para a formação dos géis. A seguir, os géis obtidos
foram aquecidos utilizando-se um dos três tratamentos térmicos descritos a seguir, identificados pelas siglas T1, T2 e
T3 (Figura 1), todos eles em presença do ar.
No tratamento térmico identificado por T1, os materiais foram secos na estufa a 50ºC/12 h e pré-calcinados a
Tabela 3. Razões molares utilizadas na síntese dos
materiais LTO_x.
Razão Razão Molar
Siglas dos
Molar
Cátions**/
Materiais
Ti/Li
amido
LTO_1
LTO_2
LTO_3
LTO_4
1,0:0,8
1,0:1,0
1,0:1,5
1,0:1,0
1:1
1:2
1:1
1:0,6
pH
Massa
de
amido
(g)
5,0
5,0
5,0
5,2 a 9,2
0,68
1,51
0,95
0,45
*x indica a ordem cronológica da síntese; **cátions, nesse
caso, é a soma das quantidades molares de Ti+4 e Li+.
300ºC/2 h em forno elétrico (NARDELLE), recebendo o
código LTO_x/300ºC. Em seguida, os materiais foram calcinados em forno tipo mufla (THERMOLYNE, 48000) nas
temperaturas de 500, 700 e 800ºC/4 h, recebendo o código
LTO_x/300/XºC, onde XºC representa a temperatura de
calcinação em forno tipo mufla. No caso do tratamento térmico denominado T2, foram utilizados apenas os aquecimentos no forno elétrico, 300ºC/2 h, e tipo mufla, entre 500
e 800ºC/4 h. Por fim, no tratamento térmico T3 foi utilizado somente o forno tipo mufla, a 500ºC/4 h, sendo que os
materiais receberam o código LTO_x/500ºC. Os diferentes
tratamentos térmicos utilizados nos materiais LTO_x são
apresentados na Tabela 4.
Cabe ressaltar que as temperaturas utilizadas nos tratamentos T1, T2 e T3 (Tabela 4) foram baseadas em trabalhos
da literatura, para a síntese da fase LTO. Por exemplo, Liu et
al. (2012) constataram que após calcinação a 550ºC/6 h, inicia-se a formação de picos de baixa intensidade da fase LTO.
T1
T3
T2
Secagem na
estufa a 50°C/12 h
Pré-calcinação a
300°C/2h
Pré-calcinação a
300°C/2h
Calcinação em mufla Calcinação em mufla Calcinação em mufla
(500, 700, 800°C/4 h) (500, 700, 800°C/4 h)
(500°C/4 h)
Caracterização
DRX
Voltametria
Cíclica
IV
T1: Tratamento térmico 1, T2: Tratamento térmico 2,
T3: Tratamento térmico 3, h: hora, DRX : Difração de
Raios X, IV: Espectroscopia no Infravermelho.
Figura 1. Diagrama de bloco dos tratamentos térmicos
e caracterizações dos materiais LTO_x.
Tabela 4. Tratamentos Térmicos utilizados nas sínteses
dos materiais LTO_x.
Siglas dos Materiais
LTO_x*
Tratamentos Térmicos
realizados - Tx**
LTO_1
LTO_2
LTO_3
LTO_4
T1, T2 e T3
T1
T1
T3
*x indica a ordem cronológica da síntese; **x indica a
ordem cronológica dos aquecimentos.
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Hsiao et al. (2008) obtiveram a fase LTO após calcinação a
850ºC/8 h. Ganesan et al. (2007) utilizaram etapas distintas
de tratamento térmico, a primeira a 90ºC/8 h, e a segunda a
900ºC/24 h. Belharouak et al. (2011) sintetizaram a fase LTO
a 850ºC, com aquecimento por um período de 24 h. Jung et al.
(2011b) obtiveram a fase LTO por calcinação a 900ºC/20 h.
Desta forma, no método de síntese proposto, foram utilizadas
temperaturas ou tempo de aquecimento iguais ou menores que
as relatadas na literatura, priorizando a redução do tempo total
de síntese. Uma vez que, a otimização desse parâmetro, ao se utilizar o método sol-gel, se mostra uma característica importante.
2.2. CARACTERIZAÇÕES
DOS MATERIAIS DE LTO_x
Na análise por IV foi utilizado um espectrofotômetro
de infravermelho (Nicolet Magna – IR 760) com resolução
4 cm-1 e detector DTGS-KBr. As amostras foram preparadas em pastilhas de KBr. Os espectros foram obtidos na
região de 4.000 a 400 cm-1, com 32 acumulações.
Na Difração de Raios X (DRX), método do pó, foi
utilizado um difratômetro Rigaku, modelo Minifex, com
radiação CuKα (λ=1,5418 Å), filtrada por Ni, com tensão de 30 kV e corrente de 15 mA. Foi utilizado 2θ de
15º≤2θ≤70º, método contínuo, com aquisição a cada 0,02º.
Os difratogramas das fases identificadas foram extraídos da
Base de Dados Crystmet (2012), disponível no portal de
pesquisa do periódico CAPES. Os dados cristalográficos
dos difratogramas utilizados como padrões e suas principais características são apresentados na Tabela 5.
O tamanho médio de cristalito (D) foi calculado pela
Fórmula de Scherrer, a partir da largura à meia altura de um
pico de difração (OH et al., 2006):
D=kλ /β corrigido.cos θ
(1)
onde k é a constante que depende da forma das partículas
do sólido (0,9 para cristalitos esféricos), λ é comprimento de
onda da fonte do equipamento (λ = 1,5418 Å), θ é a posição do pico de difração analisado, em radianos, e o β corrigido,
em radianos, é a largura a meia altura do pico de difração,
calculado utilizando a equação:
β corrigido = [ (β experimental 2 – β instrumental 2 )1/2]
(2)
onde o βexperimental, é a largura a meia altura do pico de difração
experimental, enquanto que, o βinstrumental é um valor constante,
determinado para o equipamento utilizado.
As análises de Voltametria Cíclica foram realizadas, em
temperatura ambiente, sem utilização de atmosfera controlada, num potenciostato Autolab, modelo µAutolab III.
Utilizou-se a velocidade de varredura de 5 mVs-1, uma solução de LiClO4 0,5 M em acetonitrila como eletrólito, contra
-eletrodo de platina, eletrodo de pseudo-referência de Ag, e o
eletrodo de trabalho de aço inoxidável, sobre o qual foi depositado o material LTO_2/300/800ºC. Na confecção artesanal
dos ânodos, o contra-eletrodo de platina, o eletrodo de referência de prata e o eletrodo de aço inoxidável foram lixados
e polidos antes de cada medida, utilizando uma lixa 1200,
lavados com água destilada e logo alumina com 1 µm e, posteriormente, foram lavados com água destilada. Em seguida, o
eletrodo de trabalho foi mergulhado em água destilada e levado
ao ultrassom (UNIQUE, modelo USC-1800a) por 30 minutos.
A secagem do eletrodo de trabalho de aço inoxidável foi realizada na estufa na temperatura de 60ºC por 1 h. O eletrodo de
aço inoxidável, utilizado como coletor de corrente, foi fabricado
artesanalmente no Laboratório de Eletroquímica e Materiais
Nanoestruturados (LEMN) da UFF, utilizando um pequeno
cilindro de aço inoxidável (416 L), diâmetro de 0,3 cm e área de
0,07 cm2, que foi recoberto por uma resina que, posteriormente,
foi curada em uma seringa plástica de 5 mL. Este eletrodo não
apresentou evidencias de corrosão no meio utilizado.
Tabela 5. Dados cristalográficos dos difratogramas utilizados como padrões.
Compostos
Identificação
Código
Grupo Espacial
Estrutura
Li4Ti5O12
ID 488292
fase Li4Ti5O12
Fd-3m
Cúbica (MgAl2O4)
Li2TiO3
ID 550006
fase Li2TiO3
C2/c
Monoclínica (Li2TiO3)
TiO2 (rútilo)
ID 134635
fase TiO2 rútilo
P42/mnm
TiO2
TiO2 (anatase)
ID 133735
fase TiO2 anatase
Pbcn
PbO2 (alpha)
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(4
(5
(5331)1)
(5 11)
(5
1 1)
(4 2
(4
2 2)
2)
(4 000)0)
(4
0
CC
LTO_1/300/700
LTO_1/300/700
(5(5331)
1)
(4(4440)
0)
(4(422 2)
2)
(5(51 11)
1)
0
(3(3331)
1)
(4(400 0)
0)
(2 222)2)
(2
(1 1 1)
(1 1 1)
0
0
LTO_1/300/800
C
LTO_1/300/800 C
(3
(3 331)1)
(3
(3111)1)
(1 1
(1
1 1)
1)
Li2CO3
TiO2 anatase
TiO2 rutilo
TiO
LiTiO
2
3
anatase
2
(hkl)
Ti5 O12
4 tilo
TiOLi
rú
2
Li2TiO3
(h k l) Li4Ti5O12
(3(31 11)1)
2)
(2(2222)
3. RESULTADOS E DISCUSSÃO
Este resultado pode estar associado à adição de amido em excesso,
que aparentemente aumenta a estabilidade da fase anatase.
O início da formação da fase Li4Ti5O12 (LTO), com estrutura tipo o espinélio, foi observado na temperatura de 500ºC,
para os materiais LTO_2 e LTO_3. Com base no pico em
Intensidade
Intensidade(u.a.)
(u.a.)
Foram realizados ensaios de suspensão do material LTO_2
em diferentes solventes com o auxílio do ultrassom, sendo a água
destilada o solvente em que se obteve a suspensão mais homogênea e sem precipitados aparentes. A suspensão do material LTO_2
foi levada ao ultrassom para sua homogeneização por 30 minutos.
Posteriormente, foram depositadas três alíquotas de 5 µL da suspensão do material LTO_2, com auxílio de uma micropipeta,
consecutivamente a cada 1 hora, na temperatura de 60ºC, sobre
o eletrodo de aço inox que foi seco em estufa previamente, para a
evaporação do solvente e formação do filme. Os depósitos consecutivos do material LTO_2 foram necessários para obtenção de um
filme homogêneo. O filme do material LTO_2 foi formado após
secagem do eletrodo de trabalho na estufa por 12 horas obtendo
filmes finos com depósito de 0,183 mg do material LTO_2.
0
LTO_1/300 C
C
LTO_1/300
0
15
15
20
20
25
25
30
30
35
35
40
40
45
45 50
50
2θ (graus)
20
(graus)
55
55
60
60
65 70
65
70
(4
(4440)0)
(5331) 1)
(5
(5 11)
(5
1 1)
(4
(4222)2)
(3
(3331)1)
(4 000)0)
(4
(4
(4 440)0)
(5
(5 331)1)
(5(5 1
11)1)
(4
(4 222)2)
(3 331)1)
(3
0
LTO_2/300/700
C
LTO_2/300/7000C
(5 331)1)
(5
0)
(4
(44 0)4
(5
(511)1 1)
(4
(42 22) 2)
LTO_2/300/500
C
LTO_2/300/500 00C
(3
(3331)1)
(4 0 0)(4 0 0)
(3
(3 111)1)
(2 222)2)
(2
0
LTO_2/300/800
C
LTO_2/300/8000C
(4
(40 00) 0)
(1(11 1)
1 1)
(3
(3111)1)
(2 222)2)
(2
(h k l) Li4Ti5O12
(3 111)1)
(3
(2
(2 222)2)
TiO2 anatase
TiO
rutilo
2 anatase
TiO
2
TiO
Li2TiO
rútilo
3
2
TiO3Ti O
(hkl)Li2Li
4
5
12
(1
(1111) 1)
(1 111)1)
(1
Figura 2. Difratogramas dos materiais LTO_1 calcinados
em diferentes temperaturas e com tratamento térmico T1.
Intensidade
(u.a)
Intensidade
(u.a.)
Inicialmente, foram avaliados pela técnica de DRX os materiais obtidos nas sínteses LTO_1, LTO_2 e LTO_3, aquecidos
em diferentes temperaturas, utilizando o tratamento térmico
T1 (Figuras 2 a 4). Os picos, da fase nonoclínica Li2TiO3 e as
das fases TiO2 anatase e rútilo, consideradas como impurezas,
foram identificados de acordo com os difratogramas padrões
da Tabela 5, enquanto os picos referentes à fase do espinélio
Li4Ti5O12 (LTO) foram indexados com seus respectivos hkl.
De um modo geral, nos difratogramas experimentais (Figuras 2
a 4), foi verificado o afinamento dos picos de difração com aumento
da temperatura de calcinação, indicando a influência do tratamento
térmico na cristalinidade dos materiais. Especificamente para o
aquecimento a 300ºC, foram observados picos largos referentes
à fase TiO2 anatase, de baixa cristalinidade. O tamanho médio de
cristalito (D) para esta fase, calculado pela Fórmula de Scherrer,
considerando-se o pico em 2θ = 25,50º e hkl (110), variou entre
6 nm (LTO_2) e 9 nm (LTO_1). Este pico, da fase anatase, também foi identificado nos difratogramas dos materiais aquecidos
a 500 e 700ºC, sendo que, na temperatura de 800ºC, a fase anatase está presente apenas para a LTO_2. Acreditamos que este
fato pode estar relacionado à quantidade de amido utilizado na
LTO_2, muito superior ao das demais sínteses.
No aquecimento a 700ºC, em todos os difratogramas, identificam-se os picos referentes às fases anatase e rútilo. No caso
da LTO_2 (Figura 3), os picos da fase anatase são mais intensos,
enquanto que os picos da fase rutilo são de baixa intensidade.
LTO_2/300
C
LTO_2/30000C
10 15
15 20
20 25
25 30
30 35
35 40
40 45
45 50
50 55
55 60
60 65
65 70
70
10
2θ(graus)
(graus)
20
Figura 3. Difratogramas dos materiais LTO_2
calcinados em diferentes temperaturas e com
tratamento térmico T1.
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Revista Pesquisa Naval, Brasília - DF, n. 26, 2014, p. 67-77
TiO2 anatase
TiO2 rutilo
TiO2 anatase
Li2 TiO
3 rútilo
TiO
2
(hkl) Li4LiTi
TiOO
2 5 3 12
(4(4 4 0)
0)
(5331)1)
(5
(4 222)2)
(4
(5 11)
(5
1 1)
(4 440)0)
(5 331)1)
(4 222)2)
(4
(3
(3331)1)
0
LTO_3/300/700
C
LTO_3/300/7000C
(5
(511)
1 1)
(4
(4000)0)
(3
(3 331)1)
LTO_3/300/800 C
(3
(3111)1)
(2 222)2)
(2
(1
(1111)1)
Intensidade
Intensidade (u.a.)
(u.a.)
0
LTO_3/300/800
0 C
(4 0
(4
0 0)0)
(h k l) Li4Ti5O12
(3(311 1)
1)
(2
2)
(2 2 2)
1)
(1(111 1)
Fernanda Regina Rocha Caldas, Eduardo Ariel Ponzio, Marta Eloisa Medeiros, Francisco Manoel dos Santos Garrido
0
(4
0)
(4 4
4 0)
(4222)2)
(4
(3 331)1)
(4 000)0)
(1 111)1)
(1
(2
(2222)2)
LTO_3/300/5000C
LTO_3/300/500
C
0
LT
O_3/300 0C
C
LTO_3/300
15
15
20 25
25
20
30
30
35 40
45 50
50 55
55 60
35
40 45
60
20 2θ
(graus)
(graus)
65 70
70
65
Figura 4. Difratogramas dos materiais LTO_3 calcinados
em diferentes temperaturas e com tratamento térmico T1.
Tabela 6. Tamanho médio de cristalito (D) da fase
Li4Ti5O12 em 2=18,34º no plano cristalográfico hkl (111).
Materiais LTO_x
D (nm)
LTO_2/300/500ºC
LTO_3/300/500ºC
LTO_1/300/700ºC
LTO_2/300/700ºC
LTO_3/300/700ºC
LTO_1/300/800ºC
LTO_2/300/800ºC
LTO_3/300/800ºC
24
24
43
39
41
71
35
29
2θ=18,34º e hkl (111), foi calculado o tamanho médio de
cristalito (D) para a fase Li4Ti5O12, pela Fórmula de Scherrer,
sendo observada uma variação entre 24 e 71 nm (Tabela 6).
Nas temperaturas de 700 e 800ºC, para todos os materiais
deste conjunto de sínteses (Figuras 2 a 4), foram identificados picos referentes à fase espinélio da LTO e à fase Li2TiO3
monoclínica, sendo que os picos da fase Li2TiO3 monoclínica
são mais intensos nos difratogramas da LTO_2 e 3 (Figuras 3
e 4). Essa mistura de fases foi citada por Laumann et al. (2011)
como consequência da utilização, na síntese, de lítio em excesso.
Nos difratogramas dos diferentes materiais LTO_x aquecidos a 800ºC, foram identificados picos intensos da fase
Li4Ti5O12, com destaque para a LTO_1. Esta amostra apresenta picos de baixa intensidade referentes à fase Li2TiO3
monoclínica. Entretanto, os picos referentes à fase rutilo são
mais intensos nesse material, indicando que uma parte do
lítio foi perdida por difusão.
Nas sínteses com excesso de lítio, LTO_2 e LTO_3, identificam-se claramente os picos a fase Li2TiO3 monoclínica
(Figuras 3 e 4). A ausência de picos característicos da fase
TiO2 rútilo, na LTO_3 aquecida a 800ºC, pode ser atribuída
ao grande excesso de lítio utilizado. Também foi verificado
que adição do amido em excesso, na LTO_2, provoca o aparecimento de TiO2 nas fases rutilo e anatase, sendo esta
última predominante. A presença da impureza de TiO2 de
fase rútilo ou anatase na fase Li4Ti5O12, em métodos de síntese distintos, também foi evidenciada nos trabalhos publicados por Sorensen et al. (2006), Oh et al. (2006), Woo et
al. (2007), Hsiao et al. (2007), Ganesan et al. (2007), Hsiao
et al. (2008) e Liu et al. (2012).
De acordo com os resultados apresentados e devido a formação
predominante da fase Li4Ti5O12 na LTO_1, foi avaliado o tratamento térmico T2, exclusivamente, nesses materiais (Figura 5).
Observa-se que os difratogramas são similares aos da LTO_1
com tratamento térmico T1 (Figura 2), principalmente, para as
calcinações em temperaturas superiores a 700ºC. Entretanto,
constata-se que na amostra tratada termicamente a 300ºC a fase
TiO2 anatase apresenta picos mais largos na LTO_1 obtida pelo
tratamento T2, o que indica a formação de um material com
cristalitos menores (D=4 nm), em 2θ=25,50º e hkl (110). Para
a fase LTO, foram calculados, em 2θ=18,34º e hkl (111), valores de D de 34 e 53 nm para os aquecimentos a 700 e 800ºC,
respectivamente. Portanto, pode-se considerar que a eliminação
da etapa de secagem na estufa é vantajosa, em termos sintéticos,
pois diminui o tempo de síntese, em 12 horas, sem alterar significativamente os produtos formados. Foi realizada ainda uma
síntese nas condições da LTO_1 e utilizando-se o tratamento
T3, sendo que os resultados foram similares aos das sínteses com
tratamentos T1 e T2 e aquecimentos a 500ºC.
Com bases nesses resultados, foram avaliadas outras
condições de síntese, visando à obtenção da fase LTO pura.
Portanto, nas sínteses dos materiais LTO_4 foi diminuída
a quantidade de lítio, utilizando-se excesso de apenas 25%,
uma vez que excessos maiores levam à formação da fase
Li2TiO3 monoclínica, como no caso da síntese LTO_3,
enquanto que uma quantidade estequiométrica resulta em
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Revista Pesquisa Naval, Brasília - DF, n. 26, 2014, p. 67-77
Fernanda Regina Rocha Caldas, Eduardo Ariel Ponzio, Marta Eloisa Medeiros, Francisco Manoel dos Santos Garrido
LTO_1/ 8000C
(4(4440)0)
(5 3
3 1)
1)
(4 22 2)
2)
(4
(5 33 1)
1)
(4 4 0)
(5
(5 11)
1 1)
(4
(422 2)
2)
0
LTO_1/300
LTO_1/
3000CC
0
40
45 50
50 55
55 60
60 65
65 70
70
40 45
2θ (graus)
20 (graus)
15
15
LTO_4/5000C
LT
O_4/ 500 C
35
35
45
45
(5
(511)
1 1)
(4 222)2)
(4
pH = 7,09
pH=7,09
1)
pH=6,40
(3
(33 1)
3
pH = 6,40
pH=5,20
pH = 5,20
50
50
55
55
60
60
Figura 6. Difração de Raios X da variação de pH da
LTO_4 no tratamento térmico T3 (500ºC).
0
LTO_1/
300/700
LTO_1/
300/7000CC
1039
1039
(3
(3 33
1) 1)
40
40
(graus)
2θ20
(graus)
(3
(3 33
1) 1)
(3
(3 33
1) 1)
(4 0 0)
30
30
pH = 8,66
(3 33
1) 1)
(3
(4
(4 00
0) 0) (4
(4 00
0) 0)
(4 0 0)
(22 2
(2
2) 2)
(1
1)
(1 11 1)
25
25
pH=8,66
1039
1039
pH = 9,18
(4 000)0)
(4
(3 111)1)
(3
(1
1)
(1 11 1)
(1
1)
(1 11 1)
20
20
0 0
LTO_1/
300/800
CC
LTO
_1/ 300/800
pH=9,18
1506
1506
0
(511)
1 1)
(5
(4
(4 00
0) 0)
(3 111)1)
(3
TiOT2iO
anatase
anatase
2
Li2 TiO
Li2TiO
33
(h k l) Li
O152 O12
(hkl)
Li4T4i5Ti
(1 11 1)
(1
1)
Intensidade (u.a.)
Intensidade
(u.a.)
(1
1)
(1 11 1)
Figura 5. Difratogramas dos materiais LTO_1 calcinados
em diferentes temperaturas com tratamento T2.
1506
1506
35
35
0
0
CC
LTO_1/
300/500
LTO_1/
300/500
LTO_1/
300
C 0C
LTO
_1/0300
1506
1506
30
30
1632
1632
1506
1506
25
25
3400
3400
20
20
3400
3400
15
15
aumentando sua quantidade no produto final. Finalmente,
se avaliou o efeito do pH, que foi variado entre 5,2 e 9,2.
Na Figura 6, são apresentados os resultados de DRX para
os materiais LTO_4, que foram calcinados a 500ºC, utilizando o tratamento térmico T3, escolhido por diminuir
significativamente o tempo total de síntese.
Observam-se picos, de baixa intensidade, para os materiais obtidos em valores de pH menores ou igual a 7,09, os
quais são atribuídos a fase LTO, tipo espinélio, e à fase TiO2
anatase. Enquanto isso, para os materiais obtidos com valores de pH superiores a 8 há um grande aumento na intensidade dos picos referentes à fase LTO, em 2θ=18,3º, 35,5º
e 43,2º. Embora, não sejam observados os picos referentes
à fase TiO2 anatase. Para a fase Li4Ti5O12 foram calculados, em
2θ=18,34ºC e hkl (111), valores de D de 38 nm, para essas
duas sínteses (pH=8,66 e 9,18). Estes resultados mostram
que com a otimização das condições síntese foi possível à
obtenção da fase LTO com boa pureza.
A análise por Espectroscopia (IV ) da síntese LTO_1,
apresentada na Figura 7, foi utilizada de forma complementar para investigar a presença de grupos carbonato e hidroxi
no processo de síntese.
Nos espectros de IV da amostra LTO_1, submetida
ao tratamento térmico T1, observa-se uma banda forte,
Intensidade
(u.a.)(u.a.)
Intensidade
(3
(3 33 1)
1)
LTO_1/
7000CC
LTO_1/700
(3 33 1)
1)
(3
(4 00 0)
0)
(4
(3
1)
(3 1
1 1)
(2
(2 2
2 2)
2)
(5
(5 11)
1 1)
(4000)0)
(4
LTO_1/8000C
(3
1)
(3 1
1 1)
(2
(2 222)
2)
(1
(111 1)
1)
TiOTiO
anatase
2 anatase
2
TiO2 rutilo
TiO2 rútilo
Li2 TiO
Li TiO3
(hkl) Li24 Ti3 5 O12
(h k l) Li4Ti5O12
(1(1111)
1)
Intensidade (u.a.)
Intensidade
(u.a.)
impurezas de TiO2 (sínteses LTO_1). Também se diminuiu a
quantidade de amido, para menor do que a estequiométrica,
considerando-se que de acordo com os resultados da síntese
LTO_2 o amido aparentemente aumenta a estabilidade da
fase TiO2 anatase, que é uma das impurezas identificadas,
4000
4000 3500
3500 3000
3000 2500
2500 2000
2000 1500
1500 1000
1000 500
500
-1
NoO de
de onda
onda (cm
N
(cm-1) )
Figura 7. Espectros de IV das amostras da síntese LTO_1,
submetida ao tratamento térmico T1.
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Revista Pesquisa Naval, Brasília - DF, n. 26, 2014, p. 67-77
Fernanda Regina Rocha Caldas, Eduardo Ariel Ponzio, Marta Eloisa Medeiros, Francisco Manoel dos Santos Garrido
entre 3.600 e 2.500 cm-1, relativa ao estiramento da ligação O–H (νOH), esta banda é larga indicando que os
grupos OH estão associados por ligação hidrogênio, possivelmente por estarem presentes na superfície das partículas (SILVERSTEIN et al.,1979; NAKAMOTO,1986),
observa-se uma diminuição progressiva desta banda com o
aumento da temperatura de aquecimento. Também foram
identificadas, de acordo com Silverstein et al. (1979), bandas correspondentes aos modos de estiramento C‑O do
grupo carbonato, entre 1.800 e 800 cm-1, para a amostra
LTO_1/300ºC. Nessa região, também se observa a banda
de deformação angular no plano da ligação O‑H (δOH),
sendo que esta normalmente se encontra sobreposta às
bandas referentes aos modos vibracionais do carbonato.
Constatou-se que, com o aumento da temperatura de aquecimento, ocorre uma diminuição acentuada na intensidade
das bandas de carbonato, sendo estas de baixa intensidade
nos materiais calcinados a 700 e 800ºC. Resultados análogos foram encontrados para as demais amostras preparadas
pelos outros procedimentos de síntese, mas submetidas a
aquecimentos nas mesmas temperaturas.
Um estudo preliminar de Voltametria Cíclica (Figura 8) mostra que o material LTO_2/300/800ºC é eletroativo e que ocorre
um processo quase-reversivel em aproximadamente -1V (vs Ag),
referente ao par Ti+3/Ti+4, sendo o pico de oxidação indicado por
(I) e de o redução por (III). Observa-se ainda o pico (II), que está
relacionado a um processo irreversível (Ti+3/Ti+4). Uma progressiva
75
75
(II)
(II)
50
50
-1
i/
i / AKg
A Kg
-1
25
Ciclos
Ciclos
(I)
(I)
11
22
33
44
45
66
77
88
99
10
10
0
-25
-25
-50
-50
-75
-75
-100
-100
diminuição da corrente nos picos (II) e (III) é observada até o 8o
ciclo, sendo que, depois, fica praticamente estável até o 10o ciclo,
indicando uma razoável reversibilidade eletroquímica.
Cabe ressaltar, que a bateria de íon lítio pode operar entre
3 e 4 V dependendo dos materiais que compõem o cátodo e o
ânodo. Essa variação refere-se à diferença de potenciais entre as
semi-reações do ânodo e do cátodo. Deve-se ressaltar ainda que
o eletrodo de referência de Ag/AgCl apresenta uma diferença
de potencial de aproximadamente 3V vs Li/Li+. Este último
eletrodo é utilizado para realizar medidas eletroquímicas em
cátodos e/ou ânodos em atmosfera inerte.
É importante informar que pretendemos realizar estudos
mais detalhados de Voltametria Cíclica e do comportamento
eletroquímico dos materiais preparados, uma vez que, através desses estudos será possível determinar, dentre os materiais obtidos, qual o melhor para ser aplicado na confecção
de ânodos de baterias secundárias de íon-lítio.
4. CONCLUSÕES
Conclui-se que, o método de síntese proposto permitiu a
obtenção da fase LTO (Li4Ti5O12) com boa pureza, sem a presença de fases do óxido de titânio. Este resultado foi obtido com
a otimização das condições de síntese, nas sínteses LTO_4, ou
seja, com o ajuste do pH próximo a 9, da diminuição da quantidade de amido (Razão Molar Cátions/amido=1/0,6) e da utilização de excesso do sal de lítio, na razão molar Ti:Li de 1:1.
Além disso, ao se realizar um estudo preliminar de Voltametria
Cíclica, foi identificado que o material LTO_2 é eletroativo,
indicando que o método de síntese proposto permite a preparação de materiais com potencial para serem utilizados em
ânodos de baterias secundárias de íon-lítio.
5. AGRADECIMENTOS
(III)
(III)
-1,5
-1.5 -1,2
-1.2 -0,9
-0.9 -0,6
-0.6 -0,3
-0.3 0,0
0.0 0,3
0.3 0,6
0.6 0,9
0.9
(
)
EE// V
V (vs
vs Ag)
Ag
Eletrodo de pseudo: referência de Ag, velocidade de
varredura de 5 mVs-1, solução 0,5 mol/L de LiClO4 em
acetonitrila como eletrólito.
Figura 8. Voltametria cíclica da LTO_2, aquecida a 800ºC.
Os autores agradecem ao Instituto de Macromoléculas
da Universidade Federal do Rio de Janeiro pela possibilidade
de utilização do equipamento de Difração de Raios X e ao
Departamento de Química Inorgânica da mesma universidade pelas análises de IV. Também agradecemos a agência
de fomento Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de
Nível Superior pela bolsa de doutorado para F. R. R. Caldas.
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Revista Pesquisa Naval, Brasília - DF, n. 26, 2014, p. 67-77
Fernanda Regina Rocha Caldas, Eduardo Ariel Ponzio, Marta Eloisa Medeiros, Francisco Manoel dos Santos Garrido
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Revista Pesquisa Naval, Brasília - DF, n. 26, 2014, p. 67-77
MATERIAIS ESPECIAIS
PREPARAÇÃO E CARACTERIZAÇÃO
DE COMPÓSITO SPEEK/SPANI COM
POTENCIAL APLICAÇÃO COMO MEMBRANA
CONDUTORA DE PRÓTON PARA EMPREGO
EM CÉLULAS A COMBUSTÍVEL
Preparation and characterization of SPEEK/SPANI composite
with potential application as proton conducting membrane
to be used in Fuel Cells
Ana Paula Santiago de Falco1
Resumo: Este trabalho teve por objetivo preparar e avaliar as propriedades térmicas e de condutividade de prótons de diferentes compósitos SPAni/SPEEK, visando à sua aplicação como Membranas
Poliméricas Eletrolíticas para emprego em Células a Combustível
(PEMFC). De modo a atingir tal objetivo, os compostos Polianilina
(PAni), Polianilina sulfonada (SPAni) e Poli(éter-éter-cetona) sulfonada (SPEEK) foram preparados em condições estabelecidas. Filmes
compósitos, contendo 1, 2, 5% m/m de SPAni em matriz de SPEEK,
foram preparados pela técnica de filme prensado e analisados por
DMA, TG/DTG e EIS. Os resultados de DMA indicaram que existiu
interação entre a matriz e a fase dispersa por conta de ligações intra/inter
moleculares dos grupamentos sulfônicos em ambas as fases. O efeito
dos grupamentos sulfônicos sobre as propriedades térmicas foi revelado
por termogravimetria. A técnica de EIS revelou que alguns dos compósitos preparados apresentaram propriedades de condutividade protônica
da mesma ordem de grandeza da membrana de Nafion 115®.
Palavras-chave: Polianilina Sulfonada. SPEEK. Compósitos.
Células a Combustível.
Abstract: The aim of this work was to prepare and evaluate the thermal and proton conductivity properties of different SPAni/SPEEK composites, to be used as Polymer
Electrolyte Membrane Fuel Cell (PEMFC). To accomplish this
goal, Polyaniline (PAni), Sulfonated Polyaniline (SPAni) and
Sulfonated Poly(ether-ether-ketone) (SPEEK) were prepared
in fixed conditions. Compression films of the composites, containing 1, 2, 5% wt SPAni in a SPEEK matrix, were prepared
and analyzed by using DMA, TG/DTG and EIS techniques. The
DMA results indicated there was interaction between the matrix
and the disperse phase on account of intra/intermolecular linkages of the sulfonic groups in both phases. The effect of sulfonic
groups on thermal properties was revealed by thermogravimetry.
The EIS technique revealed that some of the composite materials prepared showed proton conductivity properties of the same
magnitude as Nafion® membranes.
Keywords: Sulfonated Polyaniline. SPEEK. Composites.
Fuel Cells.
1. INTRODUÇÃO
polimérica eletrolítica (Polymer Electrolyte Membrane Fuel
Cell – PEMFC) e tem sido objeto de intensas pesquisas pelos
setores automobilístico e eletroeletrônico. O princípio básico
dessa tecnologia consiste na produção de energia por intermédio de uma reação eletroquímica. No compartimento anódico,
A célula a combustível (Fuel Cell – FC) tem despontado
como uma alternativa bastante promissora para geração de
energia limpa. Em particular, aquela que utiliza membrana
1. Capitão-de-Corveta Engenheira Naval, D.Sc, Instituto de Pesquisas da Marinha (IPqM), Grupo de Tecnologia de Materiais – Rio de Janeiro, RJ – Brasil.
E-mail: [email protected]
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Ana Paula Santiago de Falco
ocorre a oxidação do combustível hidrogênio (H2) com a consequente geração de prótons (H+) e elétrons (e-). Os elétrons
gerados alimentam um circuito elétrico e são conduzidos até
o catodo, enquanto os prótons também são simultaneamente
transferidos para o catodo, através da membrana polimérica
eletrolítica. O oxigênio (O2), por sua vez, é alimentado no
compartimento catódico, de modo que venha a reagir com os
elétrons e prótons transportados do anodo, formando água.
Assim, quando alimentada pelos gases hidrogênio e oxigênio,
a célula a combustível gera como produtos água, eletricidade
e calor (KIRUBAKARAN et al., 2009; WANG et al., 2011;
YUAN et al., 2011).
A membrana polimérica eletrolítica constitui o componente principal de uma PEMFC, devendo apresentar elevada
condutividade protônica (σ), preferencialmente da ordem
de 0,1 Scm-1, valor compatível com o da membrana comercial Nafion®, fabricada pela DuPont (BAUER et al., 2000;
JONES; ROZIÈRE, 2001). Adicionalmente, tais membranas devem possuir isolamento eletrônico, impermeabilidade a
O2 e H2, além de alta seletividade, ou seja, permeabilidade
a cátions e impermeabilidade a ânions e satisfatória resistência mecânica, estabilidade química, eletroquímica e térmica
nas condições operacionais (RIKUKAWA; SANUI, 2000;
BODDECKER et al., 2001).
Existem dois tipos de membranas poliméricas condutoras
de íons disponíveis comercialmente. Ambos são considerados
eletrólitos poliméricos — extrinsecamente e intrinsecamente
condutores de prótons. Ao grupo de polímero extrinsecamente
condutor (Extrinsically Conducting Polymers – ECP) pertence a
membrana perfluorada — um exemplo é a membrana Nafion®.
Embora de grande emprego industrial, apresenta restrições
quanto ao custo elevado e à toxidez do processo de fabricação.
Além dela, há membranas à base de polímeros termoplásticos
de engenharia como polissulfona (PSU), poli(éter-sulfona)
(PES), poli(éter-cetona) (PEK), poliimidas (PI), polibenzimidazóis (PBI), polioxadiazóis, dentre outras, modificadas
em geral com grupo sulfônico. É importante salientar que
as membranas baseadas nesses polímeros apresentam como
grande desvantagem a dependência inerente da condutividade
de prótons, em relação ao teor de água do meio (mecanismo
veicular de condução), o que, consequentemente, limita a sua
aplicação a dispositivos que operam em baixas temperaturas
(<100ºC). O grupo de polímeros intrinsecamente condutores
(Intrinsically Conducting Polymers – ICP) é caracterizado por
polímeros nos quais a estrutura química permite a atuação
como um condutor intrínseco — por exemplo, a polianilina
(PAni). Uma vez dopada, a membrana polimérica apresenta
um mecanismo de condução de prótons independente do
nível de hidratação — mecanismo de percolação ou mecanismo de Grottus. No entanto, possui como principais limitações o mecanismo misto de condução (protônica e aniônica)
e propriedade mecânica inferior ( JORRISEN et al., 2002;
BAUER; WILLERT-PORADA, 2006).
Mais recentemente, a pesquisa tem se concentrado no
desenvolvimento de membrana para uso em célula a combustível a metanol direto (Direct Methanol Fuel Cell – DMFC).
Neste dispositivo, são eliminados os inconvenientes relativos
à armazenagem e ao manuseio de combustível gasoso (H2) e
é descartado o uso de reformadores, necessários para gerar H2
a partir de combustível líquido. No entanto, para que a tecnologia das DMFC adquira amplo emprego industrial, torna-se necessário o desenvolvimento de membrana adequada,
que permita combinar, simultaneamente, as propriedades de
elevada condutividade de prótons e baixa permeabilidade ao
metanol. A difusão do metanol do anodo para o catodo resulta
em desperdício de combustível, além de ocasionar perda de
eficiência no catodo em virtude do consumo adicional de oxigênio e envenenamento do catalisador (AHMAD et al., 2010;
UÇTUG; HOLMES, 2011; ZENG et al., 2012).
Tendo em vista que as membranas comerciais disponíveis
ainda não apresentam desempenho satisfatório quanto à permeabilidade ao metanol, o estudo tem se direcionado para o
desenvolvimento de membrana compósita. Ela é constituída
por uma matriz polimérica sulfonada, preferencialmente à base
de um polímero termoplástico de engenharia, sulfonado, e de
uma fase dispersa intrinsecamente condutora. O objetivo da
elaboração do compósito está relacionado à melhoria das propriedades da membrana por meio de um efeito sinérgico entre
a propriedade de condutividade de prótons da matriz e da fase
dispersa, além da redução da permeabilidade ao metanol em
função da maior compactação e menor caráter hidrofílico da
membrana. No caso de compósito de matriz polimérica sulfonada e da PAni, as ligações de hidrogênio entre os grupos
sulfônicos da matriz e os grupos amina da PAni atuariam de
forma complementar. Os aspectos favoráveis seriam a compatibilização entre a fase contínua e a fase dispersa — redução do grau de inchamento da membrana — e a melhoria de
propriedade mecânica. Adicionalmente, ocorreria a formação
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Ana Paula Santiago De Falco
de um caminho condutor de prótons — que seriam continuamente transferidos dos grupamentos amina protonados
para os grupamentos sulfônicos da matriz (LI et al., 2006;
CHEN et al., 2007).
A proposta deste trabalho foi preparar um compósito,
tendo a matriz polimérica à base de poli(éter-éter-cetona)
(PEEK), sulfonada, e a fase dispersa de PAni sulfonada, buscando obter uma membrana com potencial aplicação como
membrana condutora de próton.
2. METODOLOGIA DE PESQUISA
A PEEK utilizada neste trabalho foi fornecida pela
Victrex, tipo 450G, com viscosidade de 0,45 kN s/m 2 e
massa específica de 1,3 g/cm3 sob a forma de granulado.
Todos os demais reagentes utilizados foram grau PA e
usados como recebidos, com exceção da anilina, que foi
bidestilada a vácuo.
2.1. SÍNTESE DA POLIANILINA
A referida síntese foi efetuada em solução, por meio de
rota química previamente estabelecida (MACDIARMID
et al., 1987; PINHO, 1997). Inicialmente, foram dissolvidos 20,0 mL do monômero (0,2190 mol), previamente
pesados, em 300 mL de solução aquosa 1,0 M de HCl e
11,5 g do agente oxidante [(NH4)S2O8] (0,0504 mol) em
200 mL de solução aquosa 1,0 M de HCl. Antes da adição, as soluções foram aclimatadas à temperatura de 0ºC
em banho de gelo com sal. A solução ácida de oxidante
foi gotejada à solução de anilina, por cerca de 2 horas,
mantendo-se a temperatura do meio reacional sempre
abaixo de 0ºC. Após esse tempo, o meio reacional foi deixado sob agitação por mais 3 horas. Em seguida, foi guardado sob refrigeração (-10ºC) por 15 horas e, decorrido
esse tempo, filtrado em Büchner e lavado com solução
aquosa 1,0 M de HCl e etanol (4:1) e, posteriormente,
com solução ácida. O precipitado obtido foi seco a vácuo,
até massa constante. A polianilina sintetizada foi neutralizada com solução aquosa 0,3 M de hidróxido de amônio
(NH4OH), sob agitação magnética por 24 horas. A reação
foi seguida de filtração em funil de Büchner, com o auxílio
de bomba de vácuo, e lavagem por várias vezes com essa
mesma solução. O produto obtido, denominado Base de
Esmeraldina (EB), uma pasta de coloração azul-violácea,
foi seco em estufa, a 80ºC, até peso constante.
2.2. OBTENÇÃO DA SPANI COM ÁCIDO
SULFÚRICO FUMEGANTE
A reação de sulfonação por essa rota foi efetuada, inicialmente, pela dissolução de 0,5 g de EB em 40,0 mL de ácido
sulfúrico fumegante, previamente resfriado a 5ºC. Após a dissolução, a solução resultante foi mantida em banho de gelo,
sob agitação magnética, por 10 minutos. Findo esse tempo, o
meio reacional foi removido do banho de gelo, deixado atingir a temperatura ambiente e mantido sob agitação por mais
uma hora. Posteriormente, o meio reacional foi lentamente
precipitado em metanol em banho de gelo, mantido em torno
de 10ºC. O precipitado foi filtrado em funil de Büchner, com
o auxílio de bomba de vácuo, e lavado com água deionizada
até que o pH do filtrado tivesse atingido o valor de 7. O produto foi seco em estufa, a 80ºC, até massa constante (YUE
et al., 1992). As polianilinas sulfonadas obtidas por essa rota
foram denominadas SPAni.
2.3. OBTENÇÃO DE PEEK SULFONADA
A reação de sulfonação de PEEK foi efetuada, inicialmente, pela adição de 10 g do polímero a 250 mL de ácido
sulfúrico concentrado 10 M, em temperatura ambiente, sob
fluxo de nitrogênio. A fim de facilitar a homogeneização
do sistema e a dissolução do polímero no ácido, foi empregada agitação mecânica vigorosa. Após o tempo reacional de
24 horas, o polímero modificado foi precipitado em 500 mL
de água deionizada, filtrado e lavado até que o filtrado tivesse
atingido o valor de pH=7. O produto foi seco em estufa, a
80ºC, até massa constante (ZAIDI et al., 2000). As amostras de PEEK sulfonadas obtidas por essa rota foram denominadas de SPEEK.
2.4. OBTENÇÃO DOS FILMES
COMPÓSITOS DE SPANI/SPEEK
Filmes quadrados de dimensões 2,5 x 2,5 cm e espessuras
entre 150–220 µm foram obtidos pelo emprego da técnica
de filme prensado. Previamente à realização da prensagem,
o material de cada filme foi misturado, nas composições percentuais em massa de 1:99, 2:98 e 5:95 de SPAni:SPEEK,
em homogeneizador em V da marca MARCONI, modelo
MA200. Os filmes mencionados foram obtidos em prensa
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Ana Paula Santiago de Falco
hidráulica CARVER aquecida sob temperatura de 210ºC e
pressão de 5 t, durante 4 minutos. Findo esse tempo, o filme
foi resfriado, por 4 minutos, a frio, com pressão de 5 t, em
prensa CARVER com circulação de água.
2.5. TÉCNICAS DE CARACTERIZAÇÃO
2.5.1. Análise termogravimétrica
A estabilidade térmica dos filmes compósitos foi avaliada
a partir de um analisador termogravimétrico TA, modelo
Q500, em faixa de temperaturas de 30 a 700ºC, razão de
aquecimento de 10ºC/min, sob atmosfera de nitrogênio.
As temperaturas de degradação inicial, máxima e final, respectivamente, Tinicial (Tonset), Tmáxima e Tfinal foram determinadas, assim como a presença de resíduo.
2.5.2. Análise Dinâmico-Mecânica
A análise de Dinâmico-Mecânica (DMA) foi realizada
em equipamento TA modelo DMA-Q800, utilizando corpos
de prova retangulares com dimensões de 13 x 5 mm, entre
-120 e 200ºC, taxa de aquecimento de 10ºC/min, frequência de 1 Hz, sob o modo single cantilever. Foram determinados o módulo de armazenamento (E’), o módulo de perda
(E’’) e a tangente de perda (tan(δ) delta - E’’/E’) para todos
os filmes obtidos.
2.5.3. Espectroscopia de Impedância
Eletroquímica
A medida de condutividade de prótons ou condutividade iônica pode ser obtida, de forma indireta, por meio do
emprego da técnica em lide. Trata-se de um método não
destrutivo poderoso, rápido e preciso para avaliação de uma
ampla gama de materiais.
No caso específico deste trabalho, os espectros de
impedância foram obtidos em um potenciostato Autolab,
modelo PGSTAT 30, com módulo FRA e software específico, em uma faixa de frequências de 10 Hz 1 MHz e amplitude de 10 mV. Para cada um dos filmes preparados, foram
efetuadas medidas de condutividade de prótons a seco, na
temperatura de 80ºC, e a úmido, nas temperaturas de 30, 50
e 80ºC. No caso específico das medidas a úmido, as amostras
foram previamente acondicionadas em água deionizada por
24 horas. As amostras saturadas foram então colocadas entre
dois eletrodos de grafite, a fim de aumentar a área de contato
da membrana, e o conjunto finalmente posto entre dois eletrodos de aço inoxidável na célula de condutividade. A célula
foi então preenchida com água deionizada, a fim de manter
o ambiente interno da célula saturado com vapor de água, e
colocada em estufa para o controle de temperatura.
A técnica de Espectroscopia de Impedância Eletroquímica
(EIS) fornece os valores de impedância real (ZReal) e imaginária (ZImag) do conjunto membrana-eletrodo, que podem ser
representados em gráficos do tipo ZImag x ZReal, também denominados de Diagramas de NyQuist. Dessa forma, a partir do
menor valor obtido experimentalmente para ZImag, determinase o valor correspondente de ZReal, o qual, de acordo com a
literatura, é dito como sendo o valor da resistividade gerada
pelo eletrólito (R). De posse então desse valor, pode-se facilmente calcular o valor da condutividade iônica pelo emprego
da seguinte equação (BARSOUKOV; MACDONALD,
2005; YUAN et al. 2010):
σ = I / RA, onde:
I = espaçamento entre eletrodos, sendo efetivamente a espessura da membrana polimérica;
A = área efetiva dos eletrodos e da membrana polimérica
(1 cm2); e
R = valor da impedância resistiva obtida por meio da análise
de impedância eletroquímica.
3. RESULTADOS E DISCUSSÃO
Inicialmente, a fim de possibilitar uma melhor compreensão dos fenômenos e interações químicas presentes neste trabalho, são apresentadas as estruturas químicas da SPAni e da
SPEEK nas Figuras 1 e 2, respectivamente, além das interações
presentes entre esses dois compostos, visualizadas na Figura 3.
SO3-+H H
H
N
N
•+
N
H
•+
••
N
H
Figura 1. Estrutura química proposta para SPAni
(FALCO, 2012).
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Ana Paula Santiago De Falco
O
O
O
O
C
n
O
S
O
H
•
Figura 2. Estrutura química proposta para SPEEK
(FALCO, 2012).
O
O
O
S
O
C
n
O
OH
H2O
OH
H
O S OH
N
N
•+
•+
••
N
H
N
H
O
O S OH
O
O
O
C
n
Figura 3. Interações propostas entre os compostos de
SPEEK e SPAni (FALCO, 2012).
As curvas TGA/DTG referentes a SPAni, SPEEK e
dos filmes compósitos são mostradas nas Figuras 4 e 5.
Adicionalmente, a Tabela 1 traz, de forma resumida, as temperaturas de degradação inicial (Tonset), temperatura de máxima
taxa de degradação (Tmax), temperatura de degradação final
(Tfinal) e teor de resíduos para todas as amostras.
No que tange à curva de degradação térmica da SPAni,
observou-se um decaimento inicial abaixo de 100ºC, atribuído
à presença de água residual, seguido de queda entre 200–300ºC,
possivelmente relacionada à degradação de grupamentos sulfônicos mais livres. O terceiro decaimento, por sua vez, ocorreu
em ampla faixa de temperaturas (entre 400–700ºC, com temperatura de taxa máxima de degradação em aproximadamente
560ºC), o que sugeriria a presença de cadeias de polianilina
com diferentes graus de reticulação, devido às interações inter
e intramoleculares entre os grupamentos sulfônico, amina e
imina. Para a SPEEK, a curva de perda de massa apresentou
uma queda abaixo de 100ºC, atribuída à presença de água residual, além de duas quedas em diferentes intervalos de temperaturas. Entre 250–400ºC, a queda foi atribuída à degradação
de grupamentos sulfônicos livres. No intervalo de 400–600ºC,
houve a degradação da cadeia hidrocarbônica do polímero.
Já no que se refere aos materiais compósitos, para os filmes
de SPEEKSPAni foram observados três decaimentos distintos.
O primeiro, abaixo de 100ºC, foi atribuído à perda de água
residual. O intermediário foi relacionado à degradação de
grupamentos sulfônicos livres. O terceiro, entre 425–650ºC,
apresentou duas temperaturas de máximo de degradação,
o que foi interpretado como cadeias poliméricas contendo
Massa (u.a.)
SPAni
SPEEK
SPEEK+SPANI 1%
SPEEK+SPANI 2%
SPEEK+SPANI 5%
0
100
200
300
400
500
Temperatura (°C)
Figura 4. Curvas de TGA para SPAni, SPEEK e filmes compósitos.
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600
700
Ana Paula Santiago de Falco
diferentes graus de reticulação, devido às interações intra e
intermoleculares entre os diversos grupamentos presentes
nas cadeias dos polímeros precursores, grupamentos sulfônico, éter, cetona, amina e imina. Os resultados encontrados
estão de acordo com os previamente reportados pela literatura (ROEDER et al., 2005; KNAUTH et al., 2011).
As Figuras 6 a 8 apresentam as curvas de módulo de
armazenamento (E’), módulo de perda (E”) e tangente
Derivada da massa (u.a.)
SPAni
SPEEK
SPEEK+SPANI 1%
SPEEK+SPANI 2%
SPEEK+SPANI 5%
0
100
200
300
400
500
600
700
Temperatura (°C)
Figura 5. Curvas de DTG para SPAni, SPEEK e filmes compósitos.
Tabela 1. Parâmetros Térmicos oriundos das análises de TGA para SPAni, SPEEK e compósitos.
Tonset (°C)
Tmax (°C)
1º
Estágio
2º
3º
1º
Estágio
2º
30
30
30
30
30
238
248
230
230
220
400
460
410
410
410
44
45
45
45
45
Amostra
SPAni
SPEEK24
SPEEKSPAni1%
SPEEKSPAni2%
SPEEKSPAni5%
279
354
337
334
335
3º
560
542
500/545
500/547
500/539
Tfinal
(°C)
Resíduo
(%)
700
700
700
700
700
29
44
46
47
46
E` (u.a.)
SPEEK
SPEEK SPANI 1%
SPEEK SPANI 2%
SPEEK SPANI 5%
-150
-100
-50
0
50
100
150
200
Temperatura (°C)
Figura 6. Curvas de Módulo de Armazenamento (E’) para a SPEEK e compósitos.
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Ana Paula Santiago De Falco
delta (δ) dos materiais precursores e dos filmes compósitos
preparados, respectivamente.
Em relação às análises dinâmico-mecânicas realizadas,
foi possível observar que, para alguns dos compósitos ensaiados, os valores de módulo de armazenamento aumentaram
em relação à SPEEK isolada. Isto seria indicativo de que,
durante o processamento, ocorreram reações de reticulação
devido à formação de ligações intra e intermoleculares entre
os grupamentos sulfônicos, éter, cetona, amina e imina, presentes nos polímeros precursores, de acordo com a Figura 3.
Também foi observada uma tendência de queda do módulo
até aproximadamente a faixa de valores de temperatura entre
0–50ºC. A partir deste intervalo, algumas curvas apresentaram tendência de elevação, o que poderia ser interpretado
como uma reticulação adicional, devido ao aquecimento da
amostra durante o ensaio. A curva do compósito contendo
SPAni (2%) mostrou valores de E’ inferiores ao da SPEEK.
Isto poderia ter ocorrido pela aglomeração da fase dispersa
(polianilina), dificultando a interação (reticulação) com a
matriz de SPEEK.
Quanto ao módulo de perda (Figura 7), as curvas indicam
que a temperatura de transição vítrea (Tg) dos materiais estaria em torno de 190–200ºC. Os picos alargados, observados
em algumas curvas, poderiam ser atribuídos ao processo de
reticulação do material, por ação do aquecimento, durante a
análise. Em relação às curvas de tan δ (Figura 8), foi observado que os valores de Tg dos materiais analisados estavam
entre 190–200ºC, em consonância com os resultados de E”.
E” (u.a.)
SPEEK
SPEEK SPANI 1%
SPEEK SPANI 2%
SPEEK SPANI 5%
-150
-100
-50
0
50
100
150
200
100
150
200
Temperatura (°C)
Figura 7. Curvas de Módulo de Perda (E’’’) para a SPEEK e compósitos.
Tan δ (u.a.)
SPEEK
SPEEK SPANI 1%
SPEEK SPANI 2%
SPEEK SPANI 5%
-150
-100
-50
0
50
Temperatura (°C)
Figura 8. Curvas de tan δ para a SPEEK e compósitos.
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Ana Paula Santiago de Falco
O presente trabalho teve ainda por objetivo determinar a
condutividade protônica dos diversos materiais obtidos, bem
como avaliar a influência dos seguintes fatores nessa propriedade: hidratação da membrana e temperatura, bem como o
teor e tipo de fase dispersa empregada.
As Figuras 9 a 16 apresentam os Diagramas de Nyquist
correspondentes às amostras de SPEEK, bem como dos filmes
compósitos obtidos, tanto para as medidas realizadas a seco,
como para aquelas realizadas a 100% de umidade. As Tabelas 2
e 3, em seguida, sintetizam os valores de espessura, resistividade e condutividade iônica de cada um dos filmes avaliados.
A medida de condutividade de prótons ou condutividade
iônica pode ser obtida, de forma indireta, a partir de medidas
de resistividade geradas pelo eletrólito, por meio do emprego
da técnica de Espectroscopia de Impedância Eletroquímica.
No caso específico deste trabalho, a avaliação dos dados apresentados nas Tabelas 2 e 3 permitiu constatar que, em ausência de água, os compósitos contendo SPAni apresentaram
um ligeiro acréscimo no valor da condutividade, que seguiu
uma tendência de aumento com a quantidade de polianilina. Porém, os valores, de 2,0 x 10-5 a 1,8 x 10-3 S/cm, ainda
podem ser considerados não significativos. Tais resultados já
eram esperados, uma vez que já foi estabelecido que a umidade relativa do ambiente, bem como o nível de hidratação
dos polímeros, possui impacto determinante nesta propriedade (HAILE, 2003).
Após imersão dos compósitos em água por 24 horas
(100% de umidade), foi feita a determinação da condutividade
50
40
35
SPEEK
30
20
10
15
10
0
0
10
20
30
Z´(x 10-2)
40
50
Figura 9. Diagrama de NyQuist para SPEEK (medida
a seco).
0
2
4
6
10
8
Z´(x 10-2)
12
14
16
Figura 11. Diagrama de NyQuist para o compósito
SPEEKSPAni2% (medida a seco).
35
25
30
SPEEK SPAni 1%
SPEEK SPAni 5%
25
-Z”(x 10-2)
-Z”(x 10-6)
25
20
5
0
20
SPEEK SPAni 2%
30
-Z”(x 10-2)
-Z”(x 10-2)
40
15
10
5
20
15
10
5
0
2,5
5
Z´(x 10-5)
7,5
10
Figura 10. Diagrama de NyQuist para o compósito
SPEEKSPAni1% (medida a seco).
0
5
10
15
Z´(x 10-2)
20
25
Figura 12. Diagrama de NyQuist para o compósito
SPEEKSPAni5% (medida a seco).
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30
25
SPEEK
25
20
15
15
-Z”
-Z”
20
10
10
5
5
0
0
30°C SPEEK SPAni 2%
50°C
80°C
0
10
20
30
40
50
0
Z´
30°C
80°C
50°C
80
10
20
1
2
30
z´
3
4
50
40
Z´
Figura 13. Diagrama de NyQuist para a SPPEK (medida
a úmido).
100
0
-5
60
Figura 15. Diagrama de NyQuist para o compósito
SPEEKSPAni2% (medida a úmido).
60
SPEEK SPAni1%
50
40
-Z”
-Z”
60
40
30°C
50°C
80°C
SPEEK SPAni5%
30
20
10
20
0
0
0
10
20
0
2
30
Z´
3
40
z´ 4
50
5
0
-10
60
Figura 14. Diagrama de NyQuist para o compósito
SPEEKSPAni1% (medida a úmido).
0
20
40
1
60
2
z´
3
80
4
100
Z´
Figura 16. Diagrama de NyQuist para o compósito
SPEEKSPAni5% (medida a úmido).
Tabela 2. Espessura e impedância resistiva para os filmes de SPEEK e compósitos.
Amostra
SPEEK
SPEEKSPAni1%
SPEEKSPAni2%
SPEEKSPAni5%
Espessura do
Filme (µm)
165
103
184
146
30°C
13,08
2,82
0,84
1,51
Impedância Resistiva (Ω - ohm)
Umidade (100%)
50°C
80°C
6,94
2,66
0,48
1,11
4,54
2,34
0,21
0,37
Umidade (0%)
80°C
180,6
425,15
10,56
8,05
Tabela 3. Condutividade iônica para os filmes de SPEEK e compósitos.
Amostra
30°C
SPEEK
SPEEK SPAni1%
SPEEKSPAni2%
SPEEKSPAni5%
1,26
3,65
21,85
9,71
Condutividade protônica (S/cm) x 10-3
Umidade (100%)
Umidade(0%)
50°C
80°C
80°C
2,38
3,93
38,33
13,11
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3,64
4,41
87,36
39,62
9,14
0,02
1,74
1,81
Ana Paula Santiago de Falco
protônica em diferentes temperaturas. Com relação a esse
aspecto, foi observado, para todos os materiais analisados, um
aumento significativo da condutividade com a temperatura.
No caso específico do compósito SPEEKSPAni2%, para as
medidas realizadas a 80ºC, os resultados obtidos neste trabalho são compatíveis e da mesma ordem de grandeza daqueles
anteriormente obtidos para a SPEEK (graus de sulfonação
entre 50 e 62%) e Nafion 115® (PAIK et al., 2009). No entanto,
cabe ressaltar que, para os compósitos, não foi observada correlação entre o teor de polianilina sulfonada e o valor da propriedade. Resultados semelhantes foram encontrados por Roeder
e colaboradores (ROEDER et al., 2005) em um trabalho no
qual membranas de SPEEK (matriz, GS = 60%) / PAni-EB
(fase dispersa), contendo diferentes teores de fase dispersa,
foram preparadas em soluções de DMF e tiveram seus valores de condutividade de prótons determinados nas temperaturas de 50, 70 e 90ºC. Os resultados encontrados indicaram
tendência de aumento da propriedade em lide com a temperatura. De forma similar ao constatado neste trabalho, os valores
da propriedade não apresentaram correlação linear com o teor
de fase dispersa presente nos compósitos. Em um outro interessante trabalho, Roeder e colaboradores (ROEDER et al.,
2006) determinaram os valores de condutividade de prótons
para membranas condutoras de SPEEK/PAni preparadas por
meio da polimerização in-situ de polianilina em matriz de
SPEEK. Os valores de condutividade de prótons obtidos para
membranas contendo 20% (m/m) de fase dispersa (PAni) e
matriz de SPEEK com GS=69% foram da ordem de 3,0 mS/cm
(50ºC) e 5,2 mS/cm (90ºC), o que se mostrou de acordo não
somente com a ordem de grandeza dos valores obtidos no presente estudo, mas também com a tendência de aumento dos
mesmos com a temperatura.
A não linearidade dos resultados encontrados para os
valores de condutividade de prótons, em função do teor de
polianilina presente na fase dispersa, sugere que há uma heterogeneidade do teor de grupamentos sulfônicos na matriz
de SPEEK e na fase dispersa de polianilina, na extensão de
reação de reticulação entre os diversos grupamentos presente
nos polímeros precursores e distribuição/aglomeração da fase
dispersa na matriz de SPEEK.
4. CONCLUSÕES
As técnicas de análises térmicas empregadas indicaram
a formação de interações dos tipos inter e intramolecular,
com o aquecimento, entre os grupamentos sulfônico, éter e
carbonila das cadeias da policetona e aqueles presentes nas
cadeias da SPAni, a saber: amina, imina e grupamento sulfônico. Adicionalmente, os resultados de DMA (E’’ e tan δ)
sugeriram que a Tg dos materiais compósitos estaria situada
em valores próximos a 190–200ºC, indicando um ligeiro
aumento em relação ao valor da SPEEK pura e corroborando
a existência de fortes interações entre os grupamentos existentes na matriz e na fase dispersa. Finalmente, as medidas
por EIS indicaram que, em ausência de água, todos os compósitos mostraram valores de condutividade muito baixos,
entre 2,0 x 10-5 a 1,8 x 10-3 S/cm. Para as medidas realizadas a úmido (100% u.r.), os resultados obtidos mostraram-se
coerentes e confirmaram a tendência de aumento do valor da
propriedade com o aumento da temperatura. O compósito
SPEEKEB2%, em medidas realizadas a úmido e 80ºC, apresentou propriedades de condutividade da mesma ordem de
grandeza da membrana comercial de Nafion 115®.
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e
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| 88 |
Revista Pesquisa Naval, Brasília - DF, n. 26, 2014, p. 78-88
PROCESSO DECISÓRIO
CONTAMINAÇÃO POR HIDROCARBONETOS
ALIFÁTICOS EM SEDIMENTOS
SUPERFICIAIS DE TRÊS REGIÕES
PORTUÁRIAS DO SUDESTE DO BRASIL
(SANTOS, ARRAIAL DO CABO E MACAÉ)
Aliphatic Hydrocarbons Contamination in Surface Sediments of
three Port Regions of Southeastern Brazil
(Santos, Arraial do Cabo and Macaé)
Pedro Paulo de Oliveira Pinheiro1
Resumo: Este trabalho avaliou a contaminação por hidrocarbonetos alifáticos em sedimentos superficiais de três regiões portuárias do
sudeste brasileiro (Santos, Arraial do Cabo e Macaé). As amostras
foram coletadas em duas campanhas (2009 e 2010). As concentrações médias do Total de Alifáticos foram 123,16±86,12 µg g-1 em
Santos, 51,54±39,50 µg g-1 em Arraial do Cabo, e 50,42±81,30 µg g-1
em Macaé. O gradiente de contaminação foi compatível com o nível
de atividade de cada porto. As razões diagnósticas que foram utilizadas neste trabalho sugerem que os hidrocarbonetos alifáticos são
predominantemente de origem de misturas de fontes (biogênica e
petrogênica) nas regiões de Santos e Macaé e petrogênica na região
de Arraial do Cabo.
Palavras-chave: Hidrocarbonetos Alifáticos. Sedimento. Porto.
Abstract: This study evaluated the contamination by aliphatic
hydrocarbons in surface sediments of three port regions of southeastern Brazil (Santos, Arraial do Cabo and Macaé). Samples
were collected in two campaigns (2009 and 2010). Mean concentrations of Total Aliphatics were 123.16±86.12 µg g-1 in Santos,
51.54±39.50 µg g-1 in Arraial do Cabo and 50.42±81.30 µg g-1
in Macaé. The gradient of contamination was consistent with
the level of activity of each port. The diagnostic ratios used in
this work suggest that aliphatic hydrocarbons originate predominantly from mixtures of sources (biogenic and petrogenic)
in the regions of Santos and Macaé, and petrogenic in Arraial
do Cabo.
Keywords: Aliphatic Hydrocarbons. Sediment. Port.
1. INTRODUÇÃO
da ocupação desordenada do solo, do desmatamento, de obras
na costa e aterros que, somados, contribuem para a poluição
no entorno do porto, tanto em terra como nas águas. Desse
modo, esses ambientes aquáticos, que são habitat de muitos
organismos da fauna e da flora e comportam uma alta diversidade de espécies, ficam vulneráveis ao impacto das atividades de navegação, principalmente pela contaminação por
hidrocarbonetos de petróleo oriundos de grandes e pequenos
A atividade portuária é considera pela legislação como
potencialmente poluidora, tendo em vista os impactos que
causa no meio ambiente (SILVA, 2007). Localizados próximos à foz de rios ou em baías e enseadas, os portos recebem,
por intermédios dos rios e córregos, resíduos provenientes das
atividades agropecuárias, industrial, de mineração, do turismo,
1. Encarregado da Divisão de Corrosão Marinha, Instituto de Estudos do Mar Almirante Paulo Moreira, Marinha do Brasil – Arraial do Cabo, RJ – Brasil. Doutor em
Ciências pela Universidade do Estado do Rio de Janeiro – Rio de Janeiro, RJ – Brasil. Email: [email protected]
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Revista Pesquisa Naval, Brasília - DF, n. 26, 2014, p. 89-101
Pedro Paulo de Oliveira Pinheiro
derramamentos de óleo causados por acidentes durante as
atividades de navegação.
Os hidrocarbonetos, compostos químicos constituídos
essencialmente por átomos de carbono e de hidrogênio, são
uma das principais classes de contaminantes associadas às atividades portuárias. Eles apresentam relativa persistência no
ambiente, baixa biodegradabilidade e alta lipofilicidade, sendo
preocupações do ponto de vista ambiental (TANIGUCHI,
2001; MENICONI, 2007).
Há grande interesse em compreender a origem, a distribuição, o destino e os efeitos da presença de hidrocarbonetos em ecossistemas marinhos/aquáticos (HAMACHER,
1996). Esses ecossistemas e seus componentes podem sofrer
efeitos muito variáveis decorrentes da presença de hidrocarbonetos, em função da natureza química e da concentração
destes compostos, associados às características dos componentes bióticos e abióticos dos ecossistemas naturais. Estes
efeitos podem ocasionar desde uma toxidade aguda, que
envolve situação de impacto imediato e intenso às comunidades biológicas e às atividades humanas, até uma toxidade crônica, resultante de efeitos subletais na biota devido
a um longo período de exposição dos organismos a níveis
elevados de concentrações de hidrocarbonetos (MELGESFIGUEIREDO, 1999; NRC, 2003).
Os hidrocarbonetos alifáticos no ambiente marinho têm
sua origem no petróleo (por meio de exsudações naturais
ou de atividades antrópicas, tais como vazamento durante
a extração do petróleo, acidentes durante o transporte do
petróleo e seus derivados e acidentes durante a fase de
consumo), no zooplâncton, no fitoplâncton, em algas e
bactérias ou em plantas terrestres. A distinção das fontes
que originam os hidrocarbonetos alifáticos pode ser possível por meio de estudo combinado destes hidrocarbonetos (CLARK JR.; BLUMER, 1967; SIMONEIT, 1984;
VOLKMAN et al., 1992).
Os hidrocarbonetos alifáticos são divididos em n-alcanos, alcanos isoprenóides e mistura complexa não resolvida
(MCNR). Os n-alcanos são compostos que podem ser sintetizados tanto por organismos terrestres, como marinhos e
são constituintes do petróleo (WEBER, 1981; COLOMBO
et al.,1989; VOLKMAN et al., 1992).
A existência de uma predominância na introdução de
n-alcanos de origem biológica pode ser evidenciada por uma
maior concentração de compostos com cadeias com números
ímpares de átomos de carbono. Estes aportes de origem biogênica produzem tipicamente dois grupos de alcanos ímpares: os
alcanos de menor número de átomos de carbono provenientes
de macro e microalgas e os alcanos com maior número de átomos de carbono provenientes de plantas superiores vasculares
terrestres (EGLINTON; HAMILTON, 1967; PHILP, 1985;
COLOMBO et al., 1989; YUNKER et al., 2002). Assim, a
predominância de alcanos ímpares pode prover uma valiosa
indicação de aportes biogênicos. Já no petróleo, não existe uma
predominância de n-alcanos ímpares ou pares.
Um indicador da origem biogênica ou fóssil dos hidrocarbonetos presentes no ambiente pode ser obtido utilizando o
cálculo do Índice Preferencial de Carbono (IPC), considerado
em várias faixas de número de átomos de carbono, que reflete
a abundância relativa de n-alcanos com número de átomos de
carbono ímpar ou par na estrutura. Pode-se, então, calcular o
predomínio das cadeias carbônicas ímpares em relação às pares
através do IPC (Equação 1) (CLARK Jr.; BLUMER, 1967):
IPC = 0,5 x
(1)
onde: a e b são compostos de cadeia carbônica par.
Deste modo, pode-se sugerir a origem da maior parte dos
n-alcanos presentes em uma amostra ambiental utilizando-se
o seguinte critério: se o valor do IPC estiver na faixa de 4
a 7, há predomínio de n-alcanos de origem biogênica; se o
valor do IPC for igual ou próximo a 1, ocorre o predomínio
de n-alcanos de origem petrogênica.
É importante salientar que os n-alcanos sofrem intensa
degradação provocada por altas temperaturas (WAGENER
et al., 2010). Deste modo, em regiões tropicais, o uso de razões
diagnósticas utilizando hidrocarbonetos alifáticos deve ser
feito com cautela, pois a degradação destes compostos pode
mascarar os resultados.
Os isoprenóides constituem a principal classe de alcanos ramificados presentes no petróleo, onde também se
encontram o pristano e o fitano. Entretanto, estes dois
compostos de origem petrogênica são originados, aproximadamente, na mesma proporção, diferentemente dos de
origem biogênica que apresentam maior quantidade de pristano (BOULOUBASSI, 1990). Como regra, uma alta razão
pristano/fitano ou a predominância de um só isoprenóide
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(como o pristano) indica uma fonte biogênica (UNEP/
IOC/IAEA, 1992; STEINHAUER; BOEHM, 1992), ao
mesmo tempo em que a razão pristano/fitano semelhante
a 1 indica sedimentos contaminados por petróleo e seus
derivados (VOLKMAN et al., 1992).
A mistura complexa não resolvida (MCNR) é uma fração dos hidrocarbonetos alifáticos formada por vários compostos que não podem ser separados por técnicas cromatográficas, o que impede a sua identificação e quantificação
individualizada (VOLKMAN et al., 2002). O predomínio
da MCNR sobre o Total de Alifáticos tem sido utilizado
para indicar contaminação do sedimento de origem petrogênica (VOLKMAN et al., 1992; READMAN et al., 2002).
Estudos também utilizam a relação MCNR/hidrocarbonetos resolvidos como índice diagnóstico para sugerir a origem da contaminação por hidrocarbonetos, onde valores
maiores que 4 são indicativos de contaminação petrogênica (SIMONEIT; MAZURIK, 1982; SIMONEIT, 1984).
Considere que os hidrocarbonetos resolvidos são todos os
compostos que se encontram na fração alifática e são resolvidos pela coluna capilar.
O presente trabalho foi realizado em três regiões portuárias do sudeste brasileiro, Santos (SP), Arraial do Cabo (RJ) e
Macaé (RJ), com o propósito de estudar a composição, origem
e a distribuição dos hidrocarbonetos alifáticos encontrados
em sedimentos marinhos destas regiões. Foram realizadas
duas campanhas (nos anos de 2009 e 2010) onde amostras
de sedimentos superficiais (de 0 a 2 cm) foram coletadas, a
fim de estabelecer relações entre as intensidades das atividades portuárias e o tipo e quantidade desses contaminantes
nas três regiões estudadas.
Alguns estudos sobre a distribuição dos hidrocarbonetos
alifáticos nessas regiões já foram realizados (na região de Santos
(SP) por Bícego, 1988; Bícego et al., 2006; Gobbato, 2012;
Medeiros e Bícego, 2004; Nishigima et al., 2001; e nas região
de Arraial do Cabo (RJ) e Macaé (RJ) por Taniguchi, 2001).
1.1. ÁREA DE ESTUDO
Neste trabalho, será mostrado o estudo da contaminação por hidrocarbonetos alifáticos das regiões portuárias de
Santos, Arraial do Cabo e Macaé.
O porto de Santos, localizado no município de mesmo
nome no estado de São Paulo, é o maior porto comercial do
Brasil, e está classificado, segundo o Instituto de Pesquisa
Econômica Aplicada – IPEA, como porto de grande porte
(CAMPOS NETO et al., 2009). Os setores de maior destaque no porto são: indústria mecânica, indústria de materiais
de transporte, agroindústria e madeira, indústria química,
indústria de alimentos e bebidas e a metalurgia.
O porto de Arraial do Cabo, conhecido como Porto
do Forno, está localizado na extremidade norte da Praia
dos Anjos, junto ao Morro da Fortaleza, no município
de Arraial do Cabo, sudeste do litoral do estado do Rio de
Janeiro. É hoje um dos mais importantes portos do sudeste
do estado do Rio de Janeiro por sua localização estratégica, que permite que sirva como base de apoio às plataformas de petróleo da Bacia de Campos, além de promover o
escoamento de produtos e matérias-primas que abastecem
diversas empresas e indústrias da região. Este porto não
consta na classificação do Ipea (CAMPOS NETO et al.,
2009), provavelmente por possuir, na ocasião da classificação, pouca atividade. Neste trabalho, ele foi considerado
de pequeno porte.
O porto de Macaé está localizado no bairro de Imbetiba,
no município de Macaé (RJ). Ocupa a 29ª colocação no
ranking nacional dos portos, segundo o Ipea (CAMPOS
NETO et al., 2009). Os setores de atividade em destaque
que utilizam desse porto são os de produtos minerais e os
da indústria mecânica, óleos brutos de petróleo, torneiras,
válvulas e dispositivos semelhantes. Este porto, que não
constava no levantamento anterior (2003) feito pelo IPEA,
ganhou relevância por conta do movimento gerado pela
exploração de petróleo e gás na Bacia de Campos (RJ), e
foi classificado como porto de pequeno porte (CAMPOS
NETO et al., 2009).
2. METODOLOGIA
Foram coletadas amostras de sedimentos superficiais (de
0 a 2 cm) utilizando amostrador do tipo van-Veen em seis
estações da região do porto de Santos (Figura 1), três estações
da região do porto de Arraial do Cabo (Figura 2) e em cinco
estações da região do porto de Macaé (Figura 3). Foram realizadas duas campanhas, onde as coletas foram feitas em 2009
e repetidas nas mesmas estações em 2010.
Após coletadas, as amostras de sedimento foram transferidas
para recipientes de alumínio previamente descontaminados.
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Pedro Paulo de Oliveira Pinheiro
46’22’30’’W
46’20’0’’W
46’17’30’’W
23’55’0’’S
23’57’30’’S
N
E
W
S
24’0’0’’S
2 1
0
2 km
Figura 1. Mapa da região do porto de Santos com as estações de coleta.
42°1’0’’W
42°0’0’’W
42°59’0’’W
22°57’0’’S
22°57’30’’S
22°58’0’’S
22°58’30’’S
N
W
22°59’0’’S
E
S
22°59’30’’S
23°0’0’’S
1 0,5 0
Figura 2. Mapa da região do porto de Arraial do Cabo com as estações de coleta.
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1 km
Pedro Paulo de Oliveira Pinheiro
41°46’30’’W 41°46’0’’W 41°45’30’’W 41°45’0’’W
22°22’30’’S
22°23’0’’S
N
22°23’30’’S
W
E
S
22°24’0’’S
0.5 0.25 0
22°24’30’’S
0.5 km
Figura 3. Mapa da região do porto de Macaé com as estações de coleta.
Depois de acondicionadas nestes recipientes, as amostras
foram imediatamente congeladas.
Os sedimentos foram liofilizados antes da extração. Cerca
de 10 g de sedimento seco foram pesados. Em seguida, foi adicionada uma quantidade conhecida de padrões ­sub-rogados:
hexadecano e triacontano deuterados para os alifáticos e
­p-terfenil d-14 para os aromáticos. A extração foi feita em
aparelho Soxhlet com diclorometano, segundo o método EPA
3540C (EPA, 1996).
A separação das classes de compostos foi realizada por
cromatografia de coluna, usando coluna de vidro preenchida
com óxido de alumínio, sílica-gel ativada e Na2SO4 ativado
no topo. A fração de hidrocarbonetos alifáticos foi isolada
do extrato bruto por eluição com n-hexano. O volume final
foi reduzido a 1 mL e, então, adicionado o tetracosano deuterado como padrão interno de quantificação.
A quantificação dos hidrocarbonetos alifáticos seguiu o
método EPA 8015C (EPA, 2007) modificado, baseado na
análise por cromatografia em fase gasosa com detector de ionização por chama. Foram quantificados os n-alcanos lineares
na faixa de n-C12 a n-C40, os isoprenóides pristano e fitano,
o Total de Alifáticos resolvidos e a MCNR.
Em todo o procedimento analítico foram seguidos padrões
de qualidade da análise, baseado na determinação de brancos
de análises e valor da recuperação do padrão sub-rogado, que
variou de 51,68 a 115,20% nas amostras da região de Santos,
de 64,92 a 116,92% nas amostras da região de Arraial do
Cabo, e de 52,92 a 120,92% nas amostras da região de Macaé.
3. RESULTADOS E DISCUSSÃO
De acordo com UNEP (1992) e NRC (1985), sedimentos não poluídos apresentam concentrações médias de Totais
de Alifáticos de 5 µg g-1, podendo chegar a 10 µg g-1 ou mais
em sedimentos estuarinos ou onde existe uma contribuição significativa de plantas superiores (VOLKMAN et al.,
1992; TANIGUCHI, 2001). Segundo Bouloubassi e Saliot
(1993), sedimentos que apresentam concentrações de Total
de Alifáticos superiores a 100 µg g-1 são considerados altamente contaminados por hidrocarbonetos.
As concentrações do HAT encontradas na região do
porto de Santos variaram de 22,98 a 332,54 µg g-1, com predomínio da MCNR (81,28–90,88%) (Tabela 1). As maiores
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Tabela 1. Concentração (em µg g-1 de peso seco de sedimento) para a soma dos n-alcanos na faixa de n-C12 a n-C40
(∑ n-alcanos), somatório dos compostos resolvidos (∑ resolvidos), mistura complexa não resolvida (MCNR), Total
de Alifáticos (HAT), assim como índices entre os alifáticos em amostras de sedimento da região de Santos.
Amostras
2009
SanC
SanD
SanE
SanF
SanA
SanB
2010
SanC
SanD
6,26
14,91
1,59
3,59
4,46
11,82
5,18
10,30
9,02
19,44
10,58
22,17
12,13
23,15
100,08
121,68
19,39
89,42
51,07
141,04
163,55
162,17
20,40 302,22
72,26
113,02
136,59
22,98
101,24
61,37
160,48
185,72
185,32
25,10
332,54
4,41
4,32
4,52
3,53
4,50
4,47
4,02
4,08
4,21
3,84
0,47
7,62
7,74
8,16
5,40
7,57
4,96
7,25
7,38
7,01
4,34
9,97
SanA
SanB
3,13
8,88
3,78
8,39
3,50
12,94
MCNR
72,47
63,88
HAT
81,35
IPC
3,84
MCNR/∑
Resolv.
8,17
∑ n-alcanos
∑ Resolvidos
concentrações (acima de 100 µg g-1) foram encontradas
nas amostras SanF-2009/2010, SanD-2009/2010, SanC2009/2010 e SanB-2010 (101,24; 332,54; 136,59; 185,32;
113,02; 185,72; e 160,48 µg g-1, respectivamente), o que representam ser amostras altamente contaminadas por hidrocarbonetos (BOULOUBASSI; SALIOT, 1993).
As estações SanA, SanB, SanC e SanD estão localizadas
nas proximidades do porto (a estação SanD está localizada
entre a região do porto e o complexo industrial de Cubatão).
Já as estações SanE e SanF estão mais afastadas da região
do porto e, por estarem localizadas na parte mais externa
da baía, sofrem uma maior hidrodinâmica, devido a ação de
correntes e ventos e menor ação de atividades antropogênicas, o que pode caracterizar as baixas concentrações encontradas nas amostras SanE-2009/2010 (22,98 e 25,10 µg g-1,
respectivamente). No entanto, a amostra SanF-2010 apresentou a mais alta concentração de HAT, mostrando um
aumento na concentração entre os períodos das campanhas,
provavelmente causado por atividades antrópicas. Em todas
as amostras foram encontradas concentrações de HAT superiores a 10 µg g-1, caracterizando o sedimento com grau de
contaminação de moderado a alto (VOLKMAN et al., 1992;
TANIGUCHI, 2001).
A relação MCNR/hidrocarbonetos resolvidos mostrou
um predomínio da MCNR, onde os valores encontrados
para esta razão em todas as amostras foram maiores do que
4 (4,34–9,97), o que caracteriza contaminação por resíduos
de óleo na região, com o maior indicativo na amostra SanF2010 (9,97).
Se considerarmos os valores do IPC, exceto na amostra SanF2010 (cujo valor do IPC foi igual a 0,47), nas demais amostras,
SanE
SanF
2,12
4,70
13,32
30,33
os resultados encontrados foram em torno de 4 (3,53–4,52),
mostrando um predomínio dos n-alcanos de maior peso molecular e com número ímpar de átomos de carbono e apontando
para uma possível origem biogênica desses hidrocarbonetos.
A estação SanF está localizada fora da área de influência do
porto e obteve na primeira campanha (amostra SanF-2009) o
segundo maior valor de IPC da região (4,50). O valor do IPC
de 0,47 encontrado nesta mesma estação na segunda campanha
(amostra SanF-2010) caracteriza uma contaminação petrogênica entre os períodos da primeira e segunda campanha.
A distribuição dos n-alcanos na maioria das amostras da
região de Santos nas duas campanhas mostrou a existência
do aporte biogênico de hidrocarbonetos oriundos de plantas
superiores caracterizado pela maior concentração de ­n-alcanos
de alto peso molecular com números ímpares de átomos de
carbono (n-C-27, n-C29, n-C31 e n-C33), segundo o padrão
mostrado na Figura 4. A única exceção foi observada na
amostra SanF-2010, cuja distribuição dos n-alcanos apresentou aportes de origem biogênica proveniente, tanto de macro
e microalgas, como de plantas superiores vasculares terrestres, indicados pela predominância de alcanos com número
ímpar de átomos de carbono, tanto na faixa dos n-alcanos
de menor peso molecular, quanto na faixa dos de maior peso
molecular (Figura 5) (EGLINTON; HAMILTON, 1967;
PHILP, 1985; COLOMBO et al., 1989; YUNKER et al.,
2002). A presença dos isoprenóides pristano e fitano em
proporções similares também na amostra SanF-2010 indica
aportes petrogênicos nesta estação.
Na região do porto de Arraial do Cabo, as concentrações do
HAT variaram entre 6,83 e 99,87 µg g-1, com predomínio da
MCNR (82,08–92,28%), que pode estar associada à introdução
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2,0
1,5
1,0
0,5
n-C40
n-C38
n-C39
n-C35
n-C36
n-C37
n-C34
n-C31
n-C32
n-C33
n-C30
n-C27
n-C28
n-C29
n-C25
n-C26
n-C21
n-C22
n-C23
n-C24
n-C19
n-C20
Fitano
Pristano
n-C18
n-C15
n-C16
n-C17
n-C12
n-C13
n-C14
0,0
Figura 4. Padrão de distribuição dos n-alcanos (n-C12 a n-C40), em µg g-1, na região de Santos (estação SanD-2009).
2,0
1,5
1,0
0,5
n-C40
n-C38
n-C39
n-C36
n-C37
n-C35
n-C34
n-C31
n-C32
n-C33
n-C30
n-C27
n-C28
n-C29
n-C25
n-C26
n-C22
n-C23
n-C24
n-C21
n-C19
n-C20
Fitano
Pristano
n-C18
n-C15
n-C16
n-C17
n-C12
n-C13
n-C14
0,0
Figura 5. Distribuição dos n-alcanos (n-C12 a n-C40), em µg g-1, da estação SanF-2010 (região de Santos).
de resíduos degradados de petróleo ao sedimento (Tabela 2).
As maiores concentrações foram encontradas nas amostras ArrC2009/2010 (59,59 e 99,87 µg g-1, respectivamente) e nas amostras ArrB-2009/2010 (39,89 e 91,96 µg g-1, respectivamente),
caracterizando um considerável aumento dessas concentrações
entre as duas campanhas. Estas estações estão localizadas próximas ao porto do Forno, podendo estas altas concentrações
estarem relacionadas às atividades portuárias. A estação ArrA,
localizada afastada da região do porto do Forno, apresentou,
nas duas campanhas, baixas concentrações de HAT (6,83 µg g-1
em 2009, e 11,11 µg g-1 em 2010), o que caracteriza um sedimento pouco contaminado. Nas amostras ArrB-2009/2010 e
­ArrC-2009/2010 as concentrações de HAT encontradas foram
superiores a 10 µg g-1, chegando próximas de 100 µg g-1 (amostras
ArrB-2010 e ArrC-2010), caracterizando o sedimento com grau
de contaminação de moderado a alto nestas estações.
Ao avaliar a razão MCNR/hidrocarbonetos resolvidos,
os valores encontrados em todas as amostras foram maiores
do que 4 (4,60–11,95), o que caracteriza a origem de fontes
petrogênicas na região.
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O valor do IPC da amostra ArrA-2010 foi 5,42, característica de aportes biogênicos de hidrocarbonetos. Nas demais
amostras, os valores do IPC variaram de 0,96 a 2,05, o que pode
indicar uma introdução de compostos de petróleo nestas estações.
A distribuição dos n-alcanos da região de Arraial do Cabo
apresentou uma discreta predominância dos compostos de
maior peso molecular na maioria das amostras, seguindo o
padrão visto na Figura 6, indicando aportes biogênicos de
hidrocarbonetos oriundos de plantas superiores. Apenas na
amostra ArrC-2010 (Figura 7) pode-se observar aportes de
origem biogênica provenientes tanto de macro e microalgas
como de plantas superiores vasculares terrestres, caracterizados
pela predominância de alcanos com número ímpar de átomos
de carbono, em ambas as faixas dos compostos (de menor e
maior peso molecular). A presença dos isoprenóides pristano
e fitano em proporções similares indicam aportes petrogênicos também na amostra ArrC-2010.
As concentrações do HAT na região do porto de Macaé
variaram entre 2,21 e 226,76 µg g-1, com predomínio da
MCNR sobre o HAT (68,85 a 99,11%) (Tabela 3), indicando, como nas outras duas regiões estudadas, contaminação por resíduos de óleo. Na segunda campanha, as concentrações do HAT encontradas em todas as amostras foram
maiores do que as encontradas na primeira campanha. Isto
caracteriza um considerável aumento da contaminação entre
os períodos das campanhas.
As maiores concentrações foram encontradas nas amostras MacA-2010, MacE-2010, MacB-2010 e MacD-2010
Tabela 2. Concentração (em µg g-1 de peso seco de sedimento) para a soma dos n-alcanos na faixa de n-C12 a n-C40
(∑ n-alcanos), somatório dos compostos resolvidos (∑ resolvidos), mistura complexa não resolvida (MCNR), Total
de Alifáticos (HAT), assim como índices entre os alifáticos em amostras de sedimento da região de Arraial do Cabo.
ArrA
2009
ArrB
ArrC
ArrA
2010
ArrB
∑ n-alcanos
0,46
0,56
0,45
1,70
1,49
4,51
∑ Resolvidos
1,22
3,08
5,13
1,59
7,66
12,42
Amostras
ArrC
MCNR
5,61
36,81
54,46
9,53
84,30
87,45
HAT
6,83
39,89
59,59
11,11
91,96
99,87
IPC
2,05
0,96
1,03
5,42
1,76
1,41
MCNR/∑ Resolvidos
4,60
11,95
10,62
5,99
11,01
7,04
1,0
0,8
0,6
0,4
0,2
n-C40
n-C39
n-C37
n-C38
n-C36
n-C35
n-C34
n-C32
n-C33
n-C31
n-C30
n-C28
n-C29
n-C27
n-C25
n-C26
n-C24
n-C23
n-C21
n-C22
n-C19
n-C20
n-C18
Fitano
n-C17
Pristano
n-C15
n-C16
n-C14
n-C12
n-C13
0,0
Figura 6. Padrão da distribuição dos n-alcanos (n-C12 a n-C40), em µg g-1, Na região de Arraial do Cabo (RJ) (amostra
ArrB-2010).
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Pedro Paulo de Oliveira Pinheiro
1,0
0,8
0,6
0,4
0,2
n-C39
n-C40
n-C37
n-C38
n-C35
n-C36
n-C34
n-C33
n-C31
n-C32
n-C29
n-C30
n-C27
n-C28
n-C26
n-C25
n-C23
n-C24
n-C21
n-C22
n-C19
n-C20
n-C18
Fitano
n-C17
Pristano
n-C15
n-C16
n-C14
n-C12
n-C13
0,0
Figura 7. Distribuição dos n-alcanos (n-C12 a n-C40), em µg g-1, da amostra ArrC-2010 (Arraial do Cabo).
Tabela 3. Concentração (em µg g-1 de peso seco de sedimento) para a soma dos n-alcanos na faixa de n-C12 a n-C40
(∑ n-alcanos), somatório dos compostos resolvidos (∑ resolvidos), mistura complexa não resolvida (MCNR), Total
de Alifáticos (HAT), assim como índices entre os alifáticos em amostras de sedimento da região de Macaé.
Amostra s
MacA
MacB
2009
MacC
MacD
MacE
MacA
MacB
2010
MacC
MacD
MacE
∑ n-alcanos
0,20
3,26
4,18
1,36
2,35
4,84
6,98
4,66
3,49
9,70
∑ Resolvidos
0,69
4,53
7,54
2,16
3,58
18,60
15,39
9,95
1,19
21,26
MCNR
1,52
13,51
24,98
6,86
16,08
208,16
128,96
58,37
131,26
159,78
HAT
2,21
18,04
32,52
9,02
19,66
226,76
144,35
68,32
132,44
181,04
IPC
MCNR/∑ Resolvidos
2,61
2,20
5,40
2,98
2,71
3,31
4,49
3,18
4,64
4,49
4,82
11,19
3,28
8,38
4,12
5,87
1,48
110,30
4,25
7,52
(226,76, 181,04, 144,35 e 132,44 µg g-1, respectivamente), e
as menores concentrações foram encontradas nas amostras
MacA-2009 e MacD-2009 (2,21 e 9,02 µg g-1, respectivamente). Na primeira campanha, as estações localizadas próximas ao porto de Macaé (MacB, MacC e MacE) tiveram
concentrações mais altas do que as concentrações encontradas
nas estações mais afastadas do porto (MacA e MacD), o que
pode indicar contaminação oriunda de atividades portuárias.
No entanto, na segunda campanha, a estação MacA apresentou alta concentração de HAT, o que sugere uma contaminação desta estação entre os períodos das campanhas. Exceto
nas amostras MacA-2009 e MacD-2009, nas demais amostras as concentrações de HAT encontradas foram superiores
a 10 µg g-1, caracterizando o sedimento com moderado grau
de contaminação. As amostras MacD-2010, MacB-2010,
MacE-2010 e MacA-2010 apresentaram concentrações
superiores a 100 µg g-1, o que representa um sedimento com
alto grau de contaminação.
Ao avaliar a razão MCNR/hidrocarbonetos resolvidos, os
valores encontrados nas amostras MacE-2009/2010, MacA2010, MacB-2010, MacC-2010 e MacD-2010 foram maiores do que 4, indicando uma considerável predominância da
MCNR sobre os hidrocarbonetos resolvidos, o que caracteriza a origem de fontes petrogênicas nestas amostras, com o
maior indicativo na amostra MacD-2010 (valor desta razão
igual a 110,30). As demais amostras apresentaram valores para
esta razão diagnóstica variando de 2,20 a 3,31, o que sugere
baixa contaminação por petróleo nestas amostras.
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Revista Pesquisa Naval, Brasília - DF, n. 26, 2014, p. 89-101
Pedro Paulo de Oliveira Pinheiro
Os valores do IPC variaram de 1,48 a 5,40. As amostras
MacB-2009, MacD-2009, MacE2009/2010, MacA-2010 e
MacC-2010 apresentaram valores de IPC entre 4 e 7, o que
representa aporte biogênico de hidrocarbonetos. A amostras MacD-2010 apresentou o menor valor de IPC (1,48).
Apesar da estação MacD se encontrar longe da área do porto,
este valor pode caracterizar um aporte de hidrocarbonetos
de origem petrogênico nesta amostra. A distribuição dos
n-alcanos nas amostras da região de Macaé mostra que, na
primeira campanha (Figura 8), houve um predomínio de
n-alcanos de alto peso molecular com números ímpares de
átomos de carbono (nC-27, n-C29, n-C31 e n-C33), característicos de aportes biogênicos oriundos de plantas superiores em todas as amostras. Já nas amostras da segunda campanha (Figura 9), os n-alcanos são de origem biogênica
provenientes tanto de macro e microalgas como de plantas
1,5
1,2
0,9
0,6
0,3
n-C39
n-C40
n-C37
n-C38
n-C35
n-C36
n-C34
n-C33
n-C31
n-C32
n-C29
n-C30
n-C27
n-C28
n-C25
n-C26
n-C23
n-C24
n-C21
n-C22
n-C19
n-C20
n-C18
Fitano
n-C17
Pristano
n-C15
n-C16
n-C14
n-C12
n-C13
0,0
Figura 8. Padrão de distribuição dos n-alcanos (n-C12 a n-C40), em µg g-1, nas estações da região de Macaé da
primeira campanha (amostra MacB-2009).
1,5
1,2
0,9
0,6
0,3
n-C39
n-C40
n-C37
n-C38
n-C36
n-C35
n-C33
n-C34
n-C31
n-C32
n-C29
n-C30
n-C27
n-C28
n-C25
n-C26
n-C23
n-C24
n-C21
n-C22
n-C19
n-C20
n-C18
Fitano
n-C17
Pristano
n-C16
n-C15
n-C14
n-C13
n-C12
0,0
Figura 9. Padrão de distribuição dos n-alcanos (n-C12 a n-C40), em µg g-1, nas amostras da região de Macaé da
segunda campanha (amostra MacB-2010).
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Revista Pesquisa Naval, Brasília - DF, n. 26, 2014, p. 89-101
Pedro Paulo de Oliveira Pinheiro
Região
Soma dos
n-alcanos
(µg g-1)
Total de
Alifáticos
(µg g-1)
Porto de
Santos
(SP)
6,55±4,52
123,16±86,12
(1,59–13,32) (22,98–332,54)
Porto de
Arraial
do Cabo
(RJ)
1,63±2,15
(0,46–4,51)
51,54±39,50
(6,83–99,87)
Porto de
Macaé
(RJ)
3,92±2,69
(0,20–9,70)
50,42±81,30
(2,21–226,76)
Classificação
dos portos
quanto ao
porte
(IPEA, 2009)
Grande
10
8
6
Petrogênica
MCNR/Resolvidos
A
SanA
SanB
SanC
SanD
SanE
SanF
4
Biogênica
1
2
3
4
IPC
B
10
ArraialA
ArraialB
ArraialC
Petrogênica
MCNR/Resolvidos
12
8
6
Biogênica
4
1
2
3
4
5
IPC
C
Biogênica
100
80
60
40
20
MacaéA
MacaéB
MacaéC
MacaéD
MacaéE
Petrogênica
Tabela 5. Concentração da soma dos n-alcanos e HAT
(média±desvio-padrão e faixa de concentração) em
sedimentos das regiões portuárias estudadas neste
trabalho.
fontes, exceto para a amostra SanF-2010, que possui forte indicativo de ter contaminação de origem petrogênica. Na região
de Arraial do Cabo, segundo esta combinação de índices diagnósticos, a maioria das amostras apresentou contaminação de
origem petrogênica, com exceção da amostra ArrA-2010, que
apresentou contaminação por hidrocarbonetos oriunda de
MCNR/Resolvidos
superiores vasculares terrestres, indicados pela predominância de alcanos com número ímpar de átomos de carbono,
em ambas as faixas dos compostos (de menor e maior peso
molecular). A presença dos isoprenóides pristano e fitano
em proporções similares também foram observados nas
amostras da segunda campanha, indicando aportes petrogênicos nas amostras.
Ao relacionar as concentrações do HAT das regiões portuárias estudadas com a classificação dos seus portos quanto
ao seu porte, observa-se que existe uma relação entre o grau
de intensidade da atividade portuária e as concentrações desses hidrocarbonetos (Tabela 5). A região do porto de Santos
apresentou faixas de concentrações da soma de n-alcanos e
de HAT superiores às apresentadas pela região de Macaé que,
por sua vez, apresentou faixas de concentrações superiores
às apresentadas pela região de Arraial do Cabo. O porto de
Santos é considerado um porto de grande porte e está localizado em uma região bastante urbanizada e industrializada.
Já os portos de Arraial do Cabo e Macaé são considerados de
pequeno porte, além de estarem localizados em regiões pouco
industrializadas. Estes fatores podem justificar as maiores
concentrações na região do porto de Santos.
Uma vez combinados os índices diagnósticos IPC x MCNR/
hidrocarbonetos resolvidos (Figura 9), os resultados mostraram
que os hidrocarbonetos presentes nas amostras da região de
Santos são predominantemente oriundos de uma mistura de
0
2
Pequeno
Pequeno
3
4
5
IPC
Figura 9. Cross plot das razões diagnósticas: IPC x
MCNR/hidrocarbonetos resolvidos das amostras das
regiões dos portos de Santos, Arraial do Cabo e Macaé
(campanhas 2009 e 2010).
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Revista Pesquisa Naval, Brasília - DF, n. 26, 2014, p. 89-101
Pedro Paulo de Oliveira Pinheiro
mistura de fontes. Já na região de Macaé, a combinação das
razões diagnósticas IPC e MCNR/hidrocarbonetos resolvidos mostrou que na maioria das amostras a contaminação é
oriunda de uma mistura de fontes. Apenas a amostra MacD2010 apresentou, segundo este gráfico, contaminação por hidrocarbonetos de origem petrogênica.
4. CONCLUSÕES
Das três regiões estudadas neste trabalho, a região de
Santos foi considerada a mais contaminada por hidrocarbonetos alifáticos, seguida da região de Macaé e Arraial do
Cabo. Este gradiente de contaminação pode estar relacionado
com a intensidade das atividades portuárias, bem como a taxa
de urbanização e industrialização de cada uma das regiões.
A região do porto de Santos apresentou sedimento com
moderado ou alto grau de contaminação por HAT em todas
as amostras. Na região do porto de Arraial do Cabo, o sedimento foi considerado com grau de contaminação de baixo
a moderado, enquanto que na região do porto de Macaé, a
contaminação foi considerada de baixa para alta.
A MCNR foi encontrada com significada concentração
em relação ao HAT nas três regiões estudadas. Este fato pode
estar associado à presença de resíduos de petróleo degradado
oriundos das atividades portuárias.
Com relação aos índices diagnósticos utilizados neste
trabalho, os hidrocarbonetos alifáticos da região de Santos
e Macaé tiveram origem predominantemente de mistura de
fontes (biogênicas e petrogênicas), exceto nas amostras SanF2010 e MacD-2010, que apresentaram contaminação de origem petrogênica. Na região de Arraial do Cabo, a origem dos
hidrocarbonetos alifáticos foi predominantemente petrogênica, exceto para a amostra ArrA-2010, que apresentou contaminação por misturas de fontes (biogênicas e petrogênicas).
Deste modo, este estudo revelou que, nas regiões portuárias
estudada,s a contaminação por hidrocarbonetos alifáticos é
ocasionada por múltiplos fatores, ligados tanto à biogênese,
como às atividades portuárias e à influência urbana no
seu entorno.
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Revista Pesquisa Naval, Brasília - DF, n. 26, 2014, p. 89-101
PROCESSO DECISÓRIO
MODELOS DE ANÁLISE DE CRÉDITO
E MECANISMOS DE SECURITIZAÇÃO
ORIENTADOS AO FINANCIAMENTO DE
PROJETOS DE CONSTRUÇÃO NAVAL NO
MERCADO BRASILEIRO
Models of Analysis of Credit and Mechanisms of Securitization Orientated
to the Financing of Shipbuilding Projects in the Brazilian Market
Ricardo Leonardo Rovai1, Marcello Muniz da Silva2
Resumo: Esse trabalho tem como foco central o financiamento de
projetos de construção naval e remete à discussão dos critérios de análise de crédito e estabelecimento de garantias. Nesse contexto, são
apresentados de forma reduzida as diretrizes e procedimentos adotados pelo BNDES na análise de crédito e sua relação com a exigência
de garantias. Este estudo também apresenta uma revisão sumária, estabelecida a partir da moderna literatura, dos correspondentes
métodos de enquadramento desses enfoques, sobretudo na área avaliação de crédito. O estudo se justifica, pois, até o presente, poucos
trabalhos discutem sistematicamente os fundamentos da economia
marítima e do shipping finance (compreendido como parte da economia marítima que trata de seus esquemas de financiamento). De fato,
tais instrumentos devem ser avaliados sob perspectivas nem sempre convergentes (armador, estaleiro, agente financeiro, seguradoras e
governo), o que conduz a assunto relevante nas discussões. O artigo
busca ainda encontrar uma tipologia classificatória explicativa para o
financiamento de projetos de construção naval no Brasil.
Palavras-chave: Financiamento na indústria naval. Securitização.
Risco de crédito. Construção de barcos. Riscos de construção de
embarcações.
Abstract: This work focuses on the financing of shipbuilding projects and refers back to the discussion of the criteria of analysis of
credit and establishment of guarantees. In this context, the directives
and proceedings adopted by the National Bank of Economic and
Social Development (BNDES) in the analysis of credit and its relation with the demand of guarantees are presented in the abridged
form. This study also presents a summary revision, established from
the modern literature, of the corresponding methods of framing
of these approaches, especially in the area of credit evaluation. The
study is justified because, up to the present, few analyses discuss systematically the bases of the sea economy and of the shipping finance
(when part of the sea economy that treats its schemes of financing)
was understood how. In fact, such instruments must be valued under
perspectives not always convergent (shipowner, shipyard, financial
agent, insurers, and government), which leads to relevant subject
in the discussions. The article seeks to find a qualifying explicative
typology for the financing of projects of shipbuilding in Brazil.
Keywords: Shipbuilding Financing. Securitization. Credit Risk.
Shipping Construction. Risk Management of Shipbuilding
Construction.
1. Professor do Mestrado Profissional em Administração na Universidade Nove de Julho – São Paulo, SP – Brasil. Pós Doutorando em Administração na Faculdade de
Economia, Administração e Contabilidade da Universidade de São Paulo – São Paulo, SP – Brasil. E-mail: [email protected]
2. Pesquisador Instituto de Pesquisa Econômica Aplicada – Rio de Janeiro, RJ – Brasil. Mestre em Engenharia Naval pela Escola Politécnica da Universidade de São
Paulo – São Paulo, SP – Brasil. E-mail: [email protected]
| 102 |
Revista Pesquisa Naval, Brasília - DF, n. 26, 2014, p. 102-113
Ricardo Leonardo Rovai, Marcello Muniz Da Silva
1. INTRODUÇÃO
Este artigo pretende ter uma contribuição para a gestão financeira e de riscos da indústria naval através de seu foco central na
proposta de edificação de um modelo de financiamento de projetos para a construção naval. Em particular, este estudo trata de
assuntos relacionados à análise de crédito e mecanismos de secutização (seguro de crédito e seguro garantia) orientados ao setor.
Estudos recentes que deram origem ao projeto (SILVA,
2007) indicam que, quando avaliada por meio de métodos de
simulação, a estrutura de financiamento brasileira figura entre
as mais atrativas em relação a outros países construtores (Coréia
do Sul, Japão, China, EUA, Alemanha e Noruega). No entanto,
se verificam fortes divergências na opinião de agentes (armador, estaleiro, agente financeiro, seguradoras e governo) quanto
aos riscos associados às operações (SILVA; MARTINS, 2008a,
2008b). Em contraste, testes estatísticos sugerem que não há
diferenças pronunciadas na estrutura patrimonial para amostras não intencionais de empresas nacionais e estrangeiras
(transporte e apoio marítimo) quando avaliadas por meio de
indicadores econômico-financeiros (solvência, atividade, rentabilidade e alavancagem), incluindo os adotados pelo Banco
Nacional de Desenvolvimento Econômico e Social (BNDES)
(BNDES, 2008; SILVA; MARTINS, 2007). Os artigos concluem que essas evidências remetem à discussão dos critérios
de análise de crédito e estabelecimento de garantias.
Conceituado como a expectativa de recebimento de uma
quantia de recursos financeiros por determinado período de
tempo (ambos definidos em contrato), o risco de crédito pode
ser definido como possibilidade de que essa expectativa não
se concretize — o que remete a necessidade de implementação de modelos de avaliação de crédito e ao conceito de
seguro de crédito. Uma vez concedido o financiamento, os
riscos devem ser monitorados por meio de critérios específicos, previamente definidos. O acompanhamento da situação de crédito do(s) tomador(es) do recurso, na construção
naval, remete ao conceito de seguro garantia. Esse tem por
objetivo garantir o cumprimento de uma obrigação contratual específica (no caso, construir ou fabricar um navio) ou o
cumprimento de uma obrigação financeira.
No presente artigo, são apresentados e discutidos os procedimentos adotados pelo BNDES na análise de crédito e fixação
de garantias. Isso é feito a partir de um conjunto de estudos
elaborados por técnicos ligados ao Departamento de Crédito
do BNDES. Também serão demonstrados modelos (consagrados na literatura) de avaliação do risco de crédito, fixação de garantias e seu tratamento por meio de instrumentos
financeiros de avaliação.
Esses modelos se orientam por procedimentos destinados
a: identificar, descrever e avaliar os eventos de risco, antes e
após a concessão do financiamento; mensurar as respectivas
probabilidades de ocorrência de fatores de risco; mensurar
seus impactos sobre a operação e precificá-los de maneira
adequada. A partir do tratamento sistemático dessas informações, são determinados: procedimentos técnicos e operacionais que respaldam a operação; o valor do prêmio de risco;
os processos de controle/reavaliação e o valor da cobertura.
Com base na síntese dessas abordagens são apontadas alternativas tecnicamente consistentes e passíveis de serem implementadas em operações de contratação de financiamento à
construção naval, uma vez que os contratos de construção
envolvem diversas especificidades.
O estudo se justifica, pois, até o presente, poucas pesquisas discutem sistematicamente os fundamentos da economia
marítima e do shipping finance (compreendido como parte da
economia marítima que trata de seus esquemas de financiamento). A rigor, tais esquemas devem ser avaliados sob perspectivas nem sempre convergentes (armador, estaleiro, agente
financeiro, seguradoras e governo).
Neste artigo, ainda discuteremos as especificidades do
financiamento setorial procurando ressaltar a necessidade de
mecanismos dedicados em seu enquadramento. Em seguida,
são apresentados os tipos de risco e sua relação com as especificidades setoriais. Nesse contexto, se discute os trâmites
do financiamento por meio da atual abordagem do BNDES.
O objetivo é estabelecer uma reflexão acerca dos critérios de
análise dessa instituição. Este trabalho estabelece uma relação entre riscos, aplicação de instrumentos financeiros e de
seguro. Logo após, são discutidos os modelos que tem como
foco o tratamento de riscos em operações de financiamento.
2. ASPECTOS METODOLÓGICOS
Este estudo pode ser descrito como teórico-conceitual,
especificamente dedicado à pesquisa e à revisão da literatura
sobre o financiamento a projetos de construção na indústria
naval. Busca-se, portanto, analisar o relacionamento entre o
| 103 |
Revista Pesquisa Naval, Brasília - DF, n. 26, 2014, p. 102-113
Ricardo Leonardo Rovai, Marcello Muniz Da Silva
modelo de financiamento e o impacto na estrutura competitiva e operativa do setor naval para que o entendimento das
restrições impostas pelo modelo de financiamento proposto
pelo BNDES possa ser aprimorado em benefício da indústria naval brasileira.
A revisão bibliográfica foi de cunho analítico, crítico e de
atualização.A busca das publicações foi feita nas bases científicas de dados, para uma varredura mais ampla, que contou com as bases disponíveis tanto no Sistema Integrado
de Bibliotecas da Universidade de São Paulo (SIBINET/
USP) quanto no Portal de Periódicos da Coordenação de
Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES),
que congrega várias bases de dados tais como ISI Web of
Knowlwdge, PROQUEST e Scopus.
Foram pré-selecionados periódicos relevantes de interesse
para a temática da pesquisa. A saber: Research Policy; Research
and development Management; Technovation; Journal of Product
Innovation Management; Institute of Electrical and Electronics
Engineers (IEEE) Transactions on Engineering Management;
Journal of Engineering and Technology Management; Project
Management Journal; e International Journal of Project
Management. Além disso, periódicos importantes das áreas
de administração também fizeram parte das buscas, tais
como Academy of Management Review e Management Science,
Maritime, etc. Com base na revisão da literatura propôs-se um
quadro teórico-conceitual que pudesse estabelecer as relações
entre a literatura de gerenciamento de projetos e financiamentos na indústria naval, com vista a evidenciar os fatores críticos em face da tipologia de projetos de construção estudados.
3. FINANCIAMENTO À
CONSTRUÇÃO NAVAL
A indústria de construção naval (ICN) produz um bem
de capital de alto valor, fabricado sob encomenda, e que apresenta longos ciclos de produção e uso. Ao constituir demanda
derivada dos serviços de transporte, o frete é a principal fonte
de recursos setorial (condicionando as ordens de construção de novas embarcações dos armadores junto aos estaleiros).
Uma vez tomada a decisão de investimento e definidos os
parâmetros de preço-custo, qualidade e prazos do projeto construtivo, é preciso obter financiamento em condições compatíveis com a escala dos empreendimentos (BARBOZA, 2004).
Dado o volume de capital exigido nos empreendimentos, as
condições de financiamento setorial têm grande influência no
jogo competitivo. Essa questão é apontada por diversos autores entre eles Barboza (2004), Cho e Porter (1986), Khalid
(2005), Stopford (2005), entre outros.
Na classificação de estruturas industriais, a ICN se caracteriza como uma indústria de bens de capital produzidos sob
encomenda, ou simplesmente bens sob encomenda. Este
conceito é de extrema importância para o entendimento da
dinâmica de mercado de empresas ligadas ao setor de bens de
capital e, consequentemente, para a determinação do padrão
de financiamento da ICN, bem como, para a análise ex ante
e ex post dos riscos dos empreendimentos. A produção de
um bem sob encomenda é desenvolvida para um armador
específico. Assim, cada pedido quase sempre se refere a uma
embarcação diferente daquela produzida anteriormente. Desse
modo, o estaleiro aguarda a manifestação do armador, o qual
formaliza um pedido, acompanhado ou não de um projeto.
Na construção de uma embarcação, um bom planejamento
e controle da produção possuem enorme importância. Portanto,
torna-se imprescindível para tais empresas a criação ou adoção de ferramentas que sustentem a programação das ordens
de construção e de recursos de maneira exequível e confiável.
Estes são elementos vitais para que se atenda de maneira satisfatória prazos e critérios de qualidade de entrega — os quais
se refletem sobre os preços, custo do financiamento e demais
parâmetros praticados.
Os instrumentos de análise podem se basear em técnicas
de credit scoring, credit rating, entre outros mecanismos de avaliação de operações. As análises provêm os termos da contratação que incluem o tratamento de riscos, definição de custos e
prazos além da fixação de garantias e demais elementos associados à contratação de recursos. A existência de um conjunto
de fornecedores especializados é um atributo sistêmico de
grande importância para a competitividade de indústrias que
produzem sob encomenda, entre elas os estaleiros. Por outro
lado, o acesso ao capital depende das condições financeiras e
reputação das contrapartes envolvidas nas operações, sendo
variáveis extremamente relevantes na transferência de ativos.
Nesse caso, se aplicam mecanismos de avaliação de crédito o
que muitas vezes envolve a exigência de garantias. Esses requisitos são apontados na literatura de finanças e corroborados nas
entrevistas realizadas junto a diretores financeiros de empresas
ao longo do estudo elaborado por Silva (2007).
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Ricardo Leonardo Rovai, Marcello Muniz Da Silva
É possível afirmar que o ciclo geral dos negócios associados ao setor de transporte marítimo irá afetar a avaliação
dos ativos das empresas que nele operam (STOPFORD,
2005), impactando os resultados da avaliação de crédito. Por
esta razão, os riscos relacionados ao investimento em construção naval também se refletem na avaliação dos ativos das
empresas ligadas aos setores de armação e construção. Fato
que interfere diretamente na fixação de garantias contratuais.
Não obstante, é de extrema importância a disponibilidade
de esquemas especiais de financiamento setorial. Este conforma
um dos mais importantes elementos que compõem o chamado
fator-país, por meio da provisão de incentivos. Tecnicamente, um
financiamento constitui o processo por meio do qual as condições de pagamento e valor do empréstimo, seu suporte (se é por
meio de garantia real, sem garantia, ou com garantia não real) e seu
preço são combinadas a fim de atingir a finalidade a qual se destina o dinheiro que é tomado como empréstimo (RUTH, 1991).
No contexto dessas discussões, duas fontes de risco são críticas: risco estaleiro e risco armador. Relacionados aos tipos de
riscos apresentados na próxima seção, ambos apresentam repercussões sobre a prática e viabilidade do financiamento setorial.
4. PRINCÍPIOS DE AVALIAÇÃO
DE CRÉDITO E RISCOS NO
FINANCIAMENTO NAVAL
Um projeto pode ser definido como um conjunto de
informações (qualitativas e quantitativas, internas e externas
à empresa) coletadas, processadas e analisadas para a tomada
de decisões. O financiamento de novos empreendimentos
depende e afeta a estrutura de ativos e passivos da empresa
que o executa. O tratamento sistemático de informações
financeiras da empresa resulta na classificação de crédito
(credit scoring) e perfis de riscos de propostas (credit rating).
Em linhas gerais, uma operação de financiamento envolve a
expectativa de recebimento (ou pagamento) de determinada quantia
de dinheiro por determinado período de tempo. Nesse contexto, o
processo de captação de recursos e sua contratação têm como base
a obtenção e análises de indicadores econômico-financeiros (IEF)
que, ao refletir os riscos de transferência de ativos, se repercutem na
estrutura de financiamento. Tradicionalmente, cinco critérios são
tradicionalmente utilizados. Estes são conhecidos como os cinco
C’s de uma operação de crédito (RUTH, 1991; DAMODARAN,
2004): Caráter, Capacidade, Capital, Conglomerado e Colateral.
Atualmente, um sexto C é adicionado: Condições.
Associados aos seis C’s, e considerando a fraca relação
entre o curto e longo prazo das operações orientadas pela
ICN, certas fontes de risco afetam profundamente o setor:
• Navios de grande porte possuem longos ciclos de produção e uso e, devido à rigidez de receitas em relação aos
custos e despesas, apresentam severos riscos operacionais;
• Como aponta Barbosa (2004), o mesmo é verdade em relação aos estaleiros, uma vez que essas ocorrências não esperadas e que afetem os gastos do projeto implicam em riscos
financeiros devido a seus efeitos sobre o EBIT das empresas;
• No Brasil, as taxas de juros para o financiamento setorial
são pré-fixadas (BNDES, 2007), o que limita o risco de
taxa de juros. Contudo, pequenos diferenciais no custo de
capital repercutem na competitividade de empresas rivais
ou podem inviabilizar certas operações;
• Ativos ligados ao setor (armação, construção, etc.) possuem usos específicos, implicando em sensível risco de
liquidez em meio aos ciclos verificados nos negócios (isso
afeta não apenas a capacidade de pagamento, mas também repercute na avaliação das garantias);
• A demanda no setor é derivada da dinâmica do comércio
internacional. Devido à baixa elasticidade relativa entre
demanda e oferta por serviços de transporte, há expressivo risco de mercado;
• Riscos de evento, oriundos de guerras, embargos econômicos,
fatores climáticos, etc., que implicam em choques inesperados sobre os níveis de comércio afetando lucros e margens;
• O risco cambial tem forte efeito, uma vez que o dólar
constitui a moeda de referência utilizada em quase todas
as transações do setor;
• O risco de poder aquisitivo, traduzido em variações sistemáticas nos termos de troca, afeta desfavoravelmente
os empreendimentos;
• Por fim, como o setor é altamente regulado internacionalmente, fatores adversos associados ao risco legal e regulatório podem ocasionar choques inesperados na rentabilidade de operações.
A partir da crise que se abateu no setor no início dos anos
1980, o Fundo da Marinha Mercante (FMM) passou a ser
gerido pelo BNDES. Atualmente, quatro etapas são críticas
no processo de concessão de recursos do FMM, sendo elas:
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verificação da prioridade do projeto;
análise financeira da empresa;
estudo de viabilidade do projeto; e
fixação de condições contratuais. Essas envolvem diversas instituições, públicas e privadas e são comentadas
por Silva (2007).
5. ABORDAGEM DE AVALIAÇÃO DE
CRÉDITO DO BNDES
As operações do BNDES são estabelecidas com vistas à
oferta de crédito direcionado. Em meio às transformações
econômicas verificadas nas últimas décadas, o BNDES teve
de se adaptar para compatibilizar certas finalidades, nem sempre convergentes, como aumento da produção interna, oferta
de emprego, ganhos de produtividade, geração de divisas, etc.
Por se tratar de um banco desenvolvimento, a política de crédito do BNDES deve ser compatível com as peculiaridades
do ambiente, escolhendo prioridades. Sob a perspectiva de
gestão do risco de crédito as ações do banco devem se pautar
por uma política de auto sustentação econômico-financeira
(BERGAMINI JR; GIAMBIAGI, 2005).
Em suma, enquanto as intuições financeiras privadas pautam suas ações com vistas na relação risco/retorno, as operações do BNDES devem adicionalmente se subordinar às
metas estabelecidas pelo poder público, fato que repercute nos
processos de avaliação e precificação de crédito. Essa atuação, pautada na auto sustentação, é ainda mais peculiar na
medida em que a estrutura do BNDES é bastante alavancada
(BERGAMINI JR; GIAMBIAGI, 2005).
No que tange a compatibilização de sua postura desenvolvimentista e auto sustentação (o que envolve o tratamento
de fatores de risco), os critérios de enquadramento de propostas se fazem por meio de critérios previamente definidos.
Conforme é visto no Quadro 1, a fase de enquadramento de
propostas consiste em verificar o atendimento de duas condições: verificação dos méritos e prioridade do projeto; análise financeira da empresa tendo em vista o nível de risco de
crédito compatível com as políticas de atuação do BNDES.
No contexto dessas hipóteses de enquadramento, a implantação de qualquer política de crédito tem que ser instrumentalizada
por meio de mecanismos de classificação de crédito. No caso,
os esquemas de credit scoring estão fortemente fundamentados
na parametrização estatística de um vasto conjunto de dados
retrospectivos (que geralmente não envolvem avaliações das
garantias destinadas a lastrear a operação de crédito).
Em contraste, tendo uma densidade técnica maior, os
sistemas de classificação de risco envolvem informações qualitativas e quantitativas, de natureza retrospectiva e prospectiva levando em conta a análise da empresa (seu histórico,
contexto operacional, etc.), do ambiente (institucional, legal,
macro e microeconômico, etc.) e das garantias oferecidas
(natureza, senioridade, liquidez e valor). No entanto, um
sistema de classificação de riscos deve ser neutro e sinalizar a perda esperada por inadimplência de forma objetiva
(BERGAMINI, 1997).
Quanto à forma de alocação de recursos e determinação
do spread, o modelo prevê a combinação de sistemas de rating
com as prioridades estabelecidas pelo governo (Quadro 2).
Essa visão relaciona prioridades e rating, ancorando as operações de bancos de desenvolvimento. A rigor, a classificação por meio de rating compreende a atribuição de notas
para cada empresa. No contexto das operações do BNDES,
propostas com baixa prioridade e rating ruim não devem ser
autorizadas — exceto em casos excepcionais.
Quadro 1. O Banco Nacional do Desenvolvimento e as
hipóteses quanto ao enquadramento de projetos em
termos do risco da proposta/empreendedor.
Risco do
empreendedor
Alto risco
Baixo risco
Mérito da proposta
Possui
mérito
Não possui mérito
(1) não
aprova
(2) condiciona a aprovação
a outros critérios
(3) aprova
(4) não aprova
Fonte: Elaborado pelos autores com base em Bergamini
Jr e Giambiagi (2005).
Quadro 2. Exemplo de matriz de spreads/prioridades.
AAA > AA > ...
(i)
(ii)
(iii)
(iV)
Rating
AAA
AA
A
BBB
---
Prioridades (1>2>3>4...)
1
0,7
0,9
1,1
1,3
...
2
0,9
1,1
1,3
...
3
1,1
1,3
...
4
1,3
...
...
...
Fonte: Elaborado com base em Bergamini Jr e Giambiagi
(2005).
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Ao levarmos em consideração os critérios de priorização
expostos, os modelos de precificação de crédito devem combinar os seguintes elementos: custo de captação (tC); custos
operacionais (tB), coberturas de perdas por inadimplência (tR)
e retorno sobre aplicações (tPO). Adicionalmente, e no caso do
BNDES, a precificação sofre reflexos de sua função desenvolvimentista. A taxa de juros praticada apresenta a seguinte
estrutura denotada na Equação 1 (onde tf corresponde a taxa
final praticada):
tf = tC + tB + tR + tPO(1)
Especificamente a taxa de juros final da operação (tf )
depende: do custo médio de captação (tC); da taxa de juros
básica (tB) destinada a cobrir as despesas do BNDES (incluindo
despesas fiscais); da taxa de risco (tR) que remunera o risco
de crédito em termos de inadimplência esperada (calculada
por nível de risco quando adotado o modelo de precificação
direta ou por meio da estrutura da carteira de crédito no caso
de prática de subsídio cruzado na operação); taxa de política
operacional a qual engloba a função desenvolvimentista (sendo
igual a zero no agregado dos desembolsos do BNDES e assumindo valores positivos ou negativos atendendo a promoção
de alocação de recursos em setores específicos) (BERGAMINI
JR; GIAMBIAGI, 2005).
Ante ao exposto, o cerne das discussões se encontra relacionado à definição das taxas que formam tf e, especificamente, tR. Com efeito: tC depende das condições de captação
do BNDES (em geral os bancos tem potencial de ganhos em
operações ativas e passivas. No entanto, o custo dessas está
fora de controle em muitas situações. O foco, então, se restringe as operações ativas);
Já tOP reflete as opções de priorizar determinado setor
atendendo a política governamental (o objetivo aqui é compatibilizar as funções de um banco de desenvolvimento com
seu dever fiduciário). Enquanto isso, tB responde pela política de crédito fixada pelo Conselho Monetário nacional
(CMN) e pela monetária definida pelo governo (essas de
caráter exógeno). A variável tR segue princípios de avaliação
de risco de crédito o que envolve a definição e o emprego de
técnicas de que lhes deem conta. A rigor, tR decorre das estimativas de perdas por inadimplência, devendo ser avaliadas
por meio de técnicas que permitam obter a probabilidade de
perda por classe de risco e sua severidade, envolvendo ainda
o emprego de técnicas de gestão da carteira de crédito pelos
gestores do banco.
Apesar de exigir dados dos Demonstrativos Contábeis
das empresas e de solicitar as projeções dos mesmos, os bancos geralmente não divulgam os critérios de ponderação por
meios dos quais são efetivamente avaliadas as propostas e
através dos quais são estabelecidos os parâmetros da negociação. O mesmo se aplica ao BNDES.
As análises dos indicadores são feitas de forma ponderada, remetendo a tomada de decisão. Como não se dispõe
da estrutura de ponderação, nas análises quantitativas, serão
avaliados os indicadores, sem levar em conta análises combinadas. Com efeito, os resultados dos testes estatísticos feitos
por Silva (2007) e Silva e Martins (2007) permitem inferir
que não há grandes diferenças na estrutura de financeira das
empresas de transporte nacionais e estrangeiras quando avaliadas por meio da metodologia empregada pelo BNDES.
Embora centrados em pequena amostra de empresas nacionais, os resultados dos testes aplicados são particularmente
importantes, uma vez que indicam e traduzem características
inerentes ao setor, explicitam semelhanças relativas na composição e gestão de ativos, capacidade de autofinanciamento e
de captação por meio de contratos de financiamento (embora
a escala das operações seja diferenciada). Além disso, como
se trata de setor muito concentrado os índices representam
uma boa estimativa acerca da estrutura de capital das empresas (SILVA, 2007).
6. RISCOS, INSTRUMENTOS
FINANCEIROS E INSTRUMENTOS
DE SEGURO
A importância do mercado de fretes nas operações ligadas ao setor de transporte e construção naval foi destacada
anteriormente. A rigor, em meio ao ciclo verificado nesse
mercado, o valor de uso e o valor de mercado dos ativos das
empresas de navegação, apoio marítimo e construção são
profundamente afetados.
Nos ciclos expansivos, oriundos de crescimento da economia mundial, por exemplo, os fretes tendem a aumentar,
ampliando a rentabilidade das embarcações novas e usadas.
Isso ocorre porque a oferta de serviços de transporte é inelástica no curto e médio prazo. Expectativas favoráveis quanto
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à rentabilidade dessas empresas induzem a valorização dos
ativos (uso e mercado) e a realização de novos investimentos.
Nos ciclos de contração ocorre o oposto.
Apesar disso, ao competir em escala global, a situação
dos estaleiros melhora parcialmente no ciclo expansivo, e
tende a se tornar crítica nos ciclos de contração (uma vez
que as embarcações possuem longo ciclo de uso). Após a
entrada em operação das embarcações novas, caso haja uma
quebra no mercado de fretes, haverá um grande número de
embarcações novas pressionando o preço dos fretes. Como a
construção demorará em se restabelecer, essa depressão afeta
diretamente a ICN.
Esse descompasso entre o curto e o longo prazo é uma
das causas da necessidade de intervenção governamental no
setor – incluindo no financiamento. Em suma:
(I) A capacidade de pagamento de um financiamento
depende, além do risco não diversificável, de uma
operação primária associada à dinâmica e emprego
de ativos específicos em mercado específico;
(II) Se este emprego não gerar recursos suficientes,
outras fontes de recursos ou bens e direitos devem
ser mobilizados;
(III) Em geral, as operações devem ser lastreada por outros
ativos do tomador do recurso (ou outro instrumento
como finança, aval, etc.);
(IV) No mercado de transporte, estes são representados
pelas embarcações novas e usadas de propriedade do
armador, uma vez que o valor dos ativos dos estaleiros é baixo em relação ao valor financiado;
(V) Esse fato representa óbice a captação por parte dessas empresas;
(VI) Em geral, os armadores contratam o financiamento
oferecendo embarcações novas e usadas como garantia;
(VII) Essas embarcações perdem valor ao longo do ciclo
depressivo e
(VIII) Ainda que essas nunca devam ser o cerne do contrato, expectativas de forte variação no valor de uso
ou de mercado dos ativos interferem nas operações
pois essas são contratadas como garantias.
Quantitativamente e do ponto de vista financeiro, os
riscos podem ser conceituados de duas formas:
(I) ocorrência de fracasso como no caso da possibilidade
de pagamento ou não pagamento de uma obrigação
financeira ou cumprimento de uma etapa de um projeto — podem ser avaliado por meio de uma distribuição de Bernoulli;
(II) quantificação do processo decisório por meio do desvio padrão de uma ou mais variáveis sob investigação
em relação a sua média (SECURATO, 1993).
Operacionalmente, essa definição envolve a disponibilidade de dados para obtenção da distribuição de probabilidade e seus parâmetros correspondentes. Nas duas
definições, o crédito estabelece uma relação de confiança
entre duas (ou mais) partes envolvidas em uma operação
(SECURATO, 2002).
No entanto, uma vez que as operações envolvem vários
atores (armador, estaleiro, banco, etc.), esse problema tende
a se ampliar, com resultados adversos sobre o nível de atividade setorial. Por meio do exemplo, as seguintes observações
podem ser feitas:
(I) A classe de risco segue um padrão estabelecido pelo
IRB Brasil Resseguros S. A. (empresas ligadas ao setor
tendem a ter um baixo rating);
(II) Alíquota a ser cobrada em uma operação de seguro é
definida a partir de avaliações técnicas e com base na
classe de risco na qual a empresa opera (essas classificações de risco são estabelecidas por auditores independentes por meio de mecanismos de modelos credit
scoring e credit rating cujos parâmetros e ponderações
devem ser definidos previamente – muitas vezes por
técnicos que não possuem conhecimento do setor);
(III) O valor segurado varia a depender da percepção de
risco associada ao empreendimento, (empreendimentos com pior perfil de risco devem receber um maior
volume de recursos em caso de desvios o que distorce
a alocação de recursos).
Em contraste ao seguro garantia, modalidade executante construtor, o seguro garantia financeira deve garantir a
obrigação de pagar. Ou seja, é destinado a garantir qualquer
obrigação de pagamento e pode ser utilizado em contratos
de financiamentos e de construção, fornecimento ou prestação de serviços (Quadro 3). Segundo Ruth (1991), a garantia
financeira não constitui o objetivo do contrato, mas representa uma segurança em razão de precariedades do postulante
explicitadas durante a avaliação de crédito.
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Quadro 3. Instrumentos comuns orientados às provisão de garantias com vistas a assegurar cobertura às operações
de transação de ativos.
Critérios
Caução (ou penhor)
Políticas relacionadas
Submissão de um bem em garantia ao cumprimento de uma obrigação. No caso pode
estar associado a empréstimo cuja garantia são navios. O financiamento se dá de
acordo com valor estimado de cada ativo.
Hipoteca
Alienação fiduciária
Fiança e Aval
Garantias de recebíveis
Onerarão de um bem em garantia acerca do cumprimento de obrigação.
Transmissão de direitos de propriedade de um bem ao credor para estabelecer a
garantia de uma obrigação.
Contrato autônomo e acessório de garantias por meio do qual o fiador compromete-se
a cumprir com as obrigações perante ao credor
Cessão de mandato por meio do qual o devedor dá ao credor o direito de sacar
recursos que sejam frutos de operações futuras.
Fonte: Adaptado de Khalid (2005).
Segundo a literatura, a estrutura das garantias pode ser
de vários tipos, tais como caução, penhor, valor mobiliários
posto à disposição de garantia de pagamento (colateral), etc.
( JOHNSON STOKES & MASTER, 2005; KHALID, 2005;
RUTH, 1991). Nesse caso, uma das principais análises feitas
pelos bancos é referente ao valor mobiliário posto à disposição como garantia de pagamento (muitas vezes de difícil
avaliação). Devido à flutuação no preço dos ativos em meio
ao ciclo naval, para que seja efetivado um contrato, é preciso
avaliar os riscos dos haveres da empresa naval.
Embora essas análises fujam ao escopo do presente estudo,
é importante discorrer mais acerca dos princípios que norteiam
operações de seguro e sua relação com as operações orientadas ao setor de construção e transporte naval. Do ponto de
vista comercial as operações de seguros são orientados por
sete princípios comuns:
(I) Número e homogeneidade de segurados – A maior
parte do mercado de seguros atende membros individuais pertencentes a uma classe que agrega milhares de agentes que demandam um seguro específico.
Em certa medida, os serviços de seguros (de automóvel, vida, etc.) são produtos homogêneos e atendem a
milhares de indivíduos. Nesses casos, a oferta, magnitude do prêmio pago e valor da cobertura estão diretamente associadas à lei dos grandes números.
(II) Identificação e definição da perda – É preciso definir,
conhecer e descrever de forma precisa os eventos relacionados à(s) perda(s) e que dão origem a contratação do seguro, fixação do prêmio e valor da cobertura.
Isso envolve definir a causa dos eventos assegurados
bem como especificar o momento, local, condições, e
demais elementos associados à ocorrência de tais eventos. Seguros de acidentes de trabalho, incêndio, entre
outros, exemplificam esse princípio.
(III) Perda acidental – Eventos que constituem “gatilho”
para reivindicação do segurado devem ser fortuitos.
Isso quer dizer que devem estar fora do controle do
segurado. A perda deve ser pura, ou seja, deve resultar
de um evento bem definido. Eventos que contém elementos especulativos geralmente não são segurados.
Como exemplo, os covenants constituem uma forma
de contornar tal dificuldade;
(VI) Magnitude da perda – A magnitude da perda deve ser
avaliada sob a ótica da seguradora. A receita com os
prêmios deve ser suficiente para cobrir perdas previstas,
custos operacionais, jurídicos, e de outras magnitudes,
bem como garantir a remuneração do capital empregado na atividade, dada a sua correspondente margem
de risco sistemático envolvido;
(V) Cálculo da perda – Caso a probabilidade de ocorrência de um evento seja elevada ou a severidade em termos de custo seja tão grande que o prêmio resultante
se torne demasiadamente alto em relação a proteção
oferecida, é improvável que haja compradores para o
seguro. Assim, deve haver um equilíbrio entre a necessidade apuração custos e perdas de forma a reduzir o
valor do prêmio estimulando a contratação do seguro;
(VI) Precificação – A precificação diz respeito à padronização financeira da relação entre as contrapartes
envolvidas. Muitas operações no mercado de seguros
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são padronizadas. Quando isso é difícil, o processo de
contratação e o prêmio são elevados;
(VII)Limite para ocorrência de eventos catastróficos –
A seguradora deve se precaver quanto à ocorrência de
eventos catastróficos que, mesmo sendo raros, podem
implicar em perdas severas ou mesmo irrecuperáveis
para os envolvidos nas operações.
Uma avaliação preliminar do mercado de construção e transporte naval à luz desses sete princípios que orientam a configuração/formatação e contratação de um produto de seguro
permite inferir que o mercado de seguros orientado as operações
de construção são severamente incompletos. Seja em termos de
número, especificidades das operações, e outras características,
o mercado de construção naval envolve o que os economistas
ligados a escola institucional denominam de trocas não recorrentes. De fato, os contratos são celebrados de maneira mais
esporádica (envolvem eventos onde é difícil prever a perda, calculá-la e precificá-la) e devem ser feitos sob medida, o que dificulta as operações devido a problemas de economia de escala.
Em suma, os esquemas de securitização devem envolver
seguradoras e resseguradoras como meio de diluir o risco.
A abertura ressente do mercado de seguros brasileiro deve
contribuir para uma melhora na qualidade das operações e
maior oferta de serviços. No entanto, o problema da escala e
assimetria de informações, além de outros, precisam ser contornados por meio de algum tipo de mecanismo. A maior
escala que as encomendas da Transpetro deve dar ao setor,
incentivos a exportação de embarcações (inclusive com apoio
financeiro estatal) e apoio à indústria de reparo devem ser
complementados com medidas de fomento nas áreas de configuração de novos serviços e ou modelos serviços nessa área.
7. INSTRUMENTOS DE
TRATAMENTO DE RISCOS
A gestão do risco de crédito constitui uma das funções
essenciais de um banco. Na maior parte das vezes, os gestores dessas organizações provêm mecanismos para a avaliação
individual dos postulantes.
No entanto, o modelo também deve prover meios para
avaliar os efeitos de cada operação sobre toda a carteira de
empréstimos. As formas mais tradicionais de avaliação do
risco de crédito podem ser divididas em três classes: sistemas
especialistas, sistemas de rating e sistemas de score de crédito
(SECURATO, 1999). Por fim, o sistema de credit scoring
se destina a identificar os fatores-chaves que determinam a
probabilidade de default e combiná-los, de forma a obter um
score quantitativo das operações.
Nessa classe, se encontra grande parte dos modelos atualmente utilizados pelas instituições financeiras na concessão
de crédito e avaliação do risco de suas respectivas carteiras.
Na verdade, levantamentos estabelecidos ao longo do desenvolvimento do projeto sugerem que há um verdadeiro cardápio de modelos, cada qual apresentando especificidades e
vantagens próprias (Credit metrics, Risk Metrics Groups, Cash
Flow at Risk, Value at Risk, Corporate Methods, Stress Analyze,
Risk Management, credit Suisse finance products, Credit Risk+,
etc.). Por exemplo, enquanto o Credit Metrics procura responder “se o próximo ano for ruim, quanto o banco perderá em
empréstimos e do portfólio de empréstimos?”; o Risk Metrics
procura dar conta da seguinte questão: “se amanhã for um dia
ruim quanto o banco perderá em ativos negociáveis (ações,
títulos, etc.)”. Já o Value at Risk procura medir a perda máxima
de um ativo (ou passivo) em um dado período de tempo considerando certo nível de confiança (SECURATO, 1999).
Certamente, a principal contribuição na avaliação da probabilidade de default teve início com o trabalho seminal de
Merton (1974) que aplicou o modelo de precificação de opções
proposto por Black e Scholes (1973) na avaliação de valor de
uma empresa. Posteriormente, esse modelo foi generalizado
por meio do modelo KMV. A estrutura desses modelos será
descrita a seguir. Antes, convém salientar que a apresentação desses modelos só pretende dar uma ideia sobre o grau
de versatilidade, consistência técnica e potencial de aplicação na estruturação de operações de financiamento à ICN.
De acordo com o modelo Black e Scholes (1973), uma
opção é um instrumento financeiro que dá ao seu titular (comprador) o direito, e não a obrigação a algo, e ao seu vendedor
o dever, caso o titular exerça esse direito. Particularmente,
em uma opção de compra, ou call, o comprador tem direito
de adquirir um ativo (objeto da negociação), por um preço
pré-fixado (preço de exercício) até (ou na) a data pré-fixada.
O inverso se aplica ao vendedor. O que estimula o comprador a realizar essa operação é o desejo de garantir o preço do
ativo na data futura. Merton (1974) aplica esses conceitos
à operação de financiamento de uma empresa. Conforme a
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Ricardo Leonardo Rovai, Marcello Muniz Da Silva
Expressão 2, se assume a identidade contábil estabelecida no
balanço de uma empresa na data t=0.
A0 = D0 + PL0(2)
A identidade indica que, na data t=0, a empresa possui
um patrimônio líquido indicado por PL0, uma dívida indicada por D0 = P0 (onde P0 corresponde ao total de passivos)
resultando em um total de ativos representado por A0. Na
data t=T (T>0), os proprietários da empresa se veem ante a
seguinte situação: devem pagar a dívida DT? Isso envolve avaliar o valor da dívida em relação o valor dos ativos no instante
t=T. Caso os proprietários optem por não pagar a dívida esta
será executada e os credores assumem a empresa.
A Figura 1 ajuda a ilustrar o problema. Observe que na
data t=T (T>0) o valor dos ativos será dado pela identidade
expressa na Equação 3. Intuitivamente, é possível verificar que
se o valor dos ativos da empresa for menor do que o valor da
dívida, os proprietários não terão interesse em pagar a mesma
permitindo que a empresa seja liquidada. Em suma, não há
incentivo em pagar a dívida, uma vez que o valor dos ativos
na data t=T é menor que D0=P0).
AT = DT + PLT(3)
Da mesma forma, suponha que na data t=0 os ativos e
dívida da empresa sejam iguais a $ 100.000 e $ 400.000,
⎞
⎟
⎟
⎟
⎟
⎟
⎬
⎟
⎟
⎟
⎟
⎟
⎠
PLT = AT - DT > 0
t=0
respectivamente. O valor dos ativos vai depender das ações
do gestor e das condições do mercado (o objetivo dos proprietários é fazer com que os ativos se valorizem).
No entanto vamos supor que na data t=T o valor dos ativos
e da dívida sejam iguais a $ 300.000 e $ 800.000, respectivamente. Nesse caso os proprietários deixam a dívida ser executada, pois não vão pagar $ 800.000 por um ativo que vale
$ 300.000 na data t=T. Em suma, analogamente ao modelo
Black & Sholes (1973) o valor da dívida (D0=P0) corresponde
ao preço da opção dos ativos na data de exercício (t=T).
A rigor, esse modelo relaciona os três componentes fundamentais de uma operação financeira (principal, prazo e taxa
de desconto). Feitas as devidas ressalvas, isso de fato ocorreu
durante o período da Superintendência Nacional da Marinha
Mercante (SUNAMAN) quando a garantia da operação era
a primeira hipoteca do navio e havia prazo de seis meses de
carência após o termino da construção e o início de pagamento
das prestações. Se o armador verificasse que uma reversão no
mercado de fretes implicasse em valor da dívida maior que o
valor presente do fluxo de caixa da embarcação, esse permitia
a execução das garantias. De acordo com essa abordagem, nas
operações de financiamento atualmente orientadas ao setor,
esse mesmo princípio se verifica, embora de forma diferenciada.
Ao retomarmos os aspectos da modelagem, é possível
demonstrar que a formulação do modelo de Merton (1974)
é semelhante ao modelo de precificação de uma opção de
compra (ou call) (Expressão 4).
c = SN (d1) - Xe-rTN(d2)(4)
⎞
AT ⎟
⎟
⎟
⎬ DT
⎟
⎟⎟
⎠
t=T
PLt = At - Pt
Figura 1. Representação esquemática do modelo de
precificação de ativos proposto por Merton (1974).
onde: c, S, X, r e a função N(di) compreendem respectivamente, o valor da opção de compra, o valor do ativo na data
de exercício, o preço de exercício, a taxa de juros de referência
da operação e a função de probabilidade acumulada de uma
variável normal padronizada.
A rigor, considerando aspectos do modelo de opções, que
não serão demonstrados nesse artigo, esse último termo constitui a probabilidade que uma variável com distribuição normal padrão, φ (0.1), seja menor que um dado valor X (no caso
a probabilidade de que o valor do preço da opção S seja menor
que determinado valor). Já o modelo KMV estende e generaliza
a abordagem de Merton (1974) ao obter, por meio de procedimentos empíricos, uma fórmula geral da distância ao default
(Equação 5). Essa probabilidade pode ser entendida como a
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Ricardo Leonardo Rovai, Marcello Muniz Da Silva
probabilidade de não pagamento, por parte de uma empresa,
dos juros e do principal associados a uma obrigação financeira.
A rigor, constitui uma métrica útil que dada a sua formulação,
permite a avaliação e precificação do risco de crédito.
2
⎛ VA
⎛ σ
+ μ- A T
ln
(5)
⎝ PDT
⎝
2
DD =
σA T
⎛
⎝
⎛
⎝
onde VA, PDT, T, µ e σ representam, respectivamente, o
valor dos ativos, o ponto de default (valor crítico mínimo
associado ao valor dos ativos), o prazo da operação, o retorno
médio do ativo e a volatilidade de retorno do ativo.
Modernamente, Vassalou e Xing (2004) formularam um
modelo semelhante que, ao generalizar as aplicações dos
modelos de Merton (1974) e KMV, leva em conta o tamanho
da empresa e demais fatores no processo de determinação da
probabilidade de default. Esses e outros modelos constituem
métricas úteis e passíveis de aplicação; uma vez que, dadas
as suas formulações, incorporam características setoriais e
estruturais orientadas a avaliação e precificação do risco de
crédito setorial. Em suma, ao longo do desenvolvimento do
projeto, serão analisados os principais modelos em usos nas
instituições financeiras nacionais e internacionais com objetivo de avaliar seu grau de adequação para enquadramento
das operações de financiamento orientadas a ICN.
8. SÍNTESE, PASSOS E
DESDOBRAMENTOS DA PESQUISA
O presente artigo remeteu a assuntos relacionados ao
financiamento, particularmente em temas ligados ao financiamento orientado a construção naval. Ao fazer isso procurou abordar aspectos associados às práticas estabelecidas
pelo BNDES (principal instituição que provê financiamento
a essas operações) por meio da análise de estudos de especialistas que trataram sistematicamente do assunto.
Inicialmente, essas abordagens foram avaliadas a partir
de estudos desenvolvidos pelos autores. O estudo tratou das
dificuldades e limitações dos instrumentos vigentes no atendimento dessas operações. Ao fazer isso, remeteu à necessidade
de tratamento diferenciado ao setor naval por meio da formulação de esquemas de financiamento dedicados, que considerem ou deem conta do dever fiduciário, a luz do enfoque
dual (caráter de banco de financiamento e banco de desenvolvimento) que norteia as operações do BNDES.
No contexto dessas discussões, procurou apresentar os
principais aspectos que norteiam a provisão de crédito e os
correspondentes esquemas de securitização. Nesse ínterim, a
combinação de (i) técnicas de opções reais, (ii) combinadas ao
uso de derivativos de crédito e (iii) covenants pode dar aporte à
formulação de novos modelos transferência de ativos aderentes à realidade do setor. Nesse contexto, após a proposição do
modelo, sua corroboração, bem como a validação dos resultados
do projeto, estão centradas no emprego de simulações e convalidação por meio da metodologia Analytic Hierarchy Process
(AHP) (utilizando aporte de armadores, estaleiros, bancos,
seguradoras e demais entidades envolvidas nessas operações).
9. CONCLUSÃO
Podemos concluir que, dada à complexidade das práticas de
financiamentos operacionalizadas pela principal fonte de financiamento aos projetos de construção naval (que é o BNDES), a
competitividade da indústria naval brasileira fica comprometida
diante do impacto destas restrições no cumprimento de prazos,
na estrutura e no aporte de capitais necessários e outros fatores
restritivos impactantes. Se não houver um tratamento diferenciado ao financiamento dos projetos de construção da indústria
naval, seu crescimento estará comprometido em relação às demais
indústrias de classe e competitividade mundial, notadamente, as
asiáticas. As restrições altamente impactantes em termos de competitividade, custos, prazos, qualidade e outros fatores por parte
do modelo de financiamento proposto e praticado pelo BNDES,
juntamente com os custos de mão de obra muito superiores aos
custos dos países asiáticos, a carga tributária elevada que onera
fortemente os setores produtivos e (com bastante intensidade)
o setor naval e ainda o custo de capital para as operações diárias afetam enormemente a competitividade da indústria naval
brasileira, tornando-a uma competidora em franca desvantagem
em relação aos seus pares asiáticos.
Enquanto esta situação perdurar teremos uma indústria aquém das necessidades de desenvolvimento nacionais.
Entender o modelo e a estrutura de financiamento dos projetos da indústria naval é muito importante para podermos
buscar a melhor adequação do modelo praticado pelo BNDES
à realidade da indústria naval brasileira.
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Ricardo Leonardo Rovai, Marcello Muniz Da Silva
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Revista Pesquisa Naval, Brasília - DF, n. 26, 2014, p. 102-113
SENSORES, GUERRA ELETRÔNICA E GUERRA ACÚSTICA
CALIBRAÇÃO DE TRANSDUTORES
HIDROACÚSTICOS POR RECIPROCIDADE
EMPREGANDO SALVAS DE SINAIS
MONOTÔNICOS E DE FREQUÊNCIA MODULADA
Calibration of hydroacoustic transducers by reciprocity
method using burst signals and chirps
Carlos Alfredo Orfão Martins1, Sandro Aureliano Miqueleti2,
Carlos Eduardo Parente Ribeiro3, Rodrigo Pereira Barretto da Costa-Félix4
Resumo: Neste trabalho é introduzido um novo método para calibração
de transdutores hidroacústicos, comparando-o com um método convencional absoluto. O método convencional prevê o uso de salvas de sinais
monotônicos de frequência discreta, como sinal de excitação e sinais
de recepção em regime permanente, operando somente no intervalo de
incidência direta das ondas acústicas emitidas pelo projetor. O método
não convencional de calibração de transdutores hidroacústicos combina técnicas de reciprocidade e processamento de sinais. Esse novo
método proporciona resultados em bandas de frequências largas por
meio de um único conjunto de medições, além de minimizar as exigências de campo livre. Os resultados apresentaram compatibilidade (erro
de ±1 dB) entre os valores de sensibilidade e a resposta de transmissão
dos transdutores hidroacústicos modelos ITC 1001/1032 (ITC, USA)
e dados fornecidos pelo fabricante para dispositivos similares empregando o método convencional absoluto de calibração. Também foram
obtidos resultados empregando a metodologia não convencional de
calibração entre 1 e 25 kHz num tanque hidroacústico não anecoico
de 5 m utilizando pulsos de excitação codificado. Os limites inferiores
e superiores da faixa de frequências utilizadas poderão ser estendidos
facilmente após algum estudo complementar do método.
Palavras-chave: Transdutores hidroacústicos. Varreduras de senos.
Reciprocidade. Hidrofones. Projetores.
Abstract: In this paper, a new calibration method for hydroacoustic transducers is introduced, which is compared to a
conventional absolute method. The conventional method
uses discrete monotonic frequency burst, as excitation signal, operating restrictively in the range of direct incidence
of acoustic waves emitted by the projector. The non-conventional method of hydroacoustic transducers calibration is a
combination of signal processing techniques and reciprocity.
That novel method provides results in broader frequency
bands with a single set of measurements and minimizes the
free field requirements. The results showed good agreement
(within ±1 dB of error) between the sensitivity calibration
of a hydrophone model ITC 1001/1032 (ITC, USA) and
the data sheet provided by the manufacturer. The alternative
approach also gave reliable results between 1 and 25 kHz,
even in a 5 m large water tank. Improvements could easily be
implemented in order to extend the frequency range, such in
the lower as the upper frequency limit.
Keywords: Hydroacoustic transducers. Chirp. Reciprocity.
Hydrophones. Projectors.
1. Mestre em Engenharia Oceânica pela COPPE – Instituto Alberto Luiz Coimbra de Pós-Graduação e Pesquisa de Engenharia da Universidade Federal do Rio de
Janeiro; Instituto de Pesquisas da Marinha – Rio de Janeiro, RJ – Brasil. E-mail: [email protected]
2. Mestre em Engenharia Elétrica pela Universidade de São Paulo; Pesquisador-Tecnologista do Laboratório de Ultrassom – Inmetro – Rio de Janeiro, RJ – Brasil.
E-mail: [email protected]
3. Doutor em Engenharia Oceânica pela COPPE – Instituto Alberto Luiz Coimbra de Pós-Graduação e Pesquisa de Engenharia da Universidade Federal do Rio de
Janeiro; Professor Adjunto do Laboratório de Instrumentação Oceanográfica da COPPE – Instituto Alberto Luiz Coimbra de Pós-Graduação e Pesquisa de Engenharia
da Universidade Federal do Rio de Janeiro – Rio de Janeiro, RJ – Brasil. E-mail: [email protected]
4. Doutor em Engenharia Biomédica pela COPPE – Instituto Alberto Luiz Coimbra de Pós-Graduação e Pesquisa de Engenharia da Universidade Federal do Rio de
Janeiro; Chefe do Laboratório de Ultrassom – Inmetro – Rio de Janeiro, RJ – Brasil. E-mail: [email protected]
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Carlos Alfredo Orfão Martins, Sandro Aureliano Miqueleti, Carlos Eduardo Parente Ribeiro, Rodrigo Pereira Barretto da Costa-Félix
1. INTRODUÇÃO
A necessidade de calibração de transdutores hidroacústicos é fundamental aos institutos de pesquisa oceanográfica,
bem como a empresas do segmento naval e industrial. A calibração, nesse contexto, se resume a identificação das respostas
de sensibilidade e transmissão em frequência de transdutores
hidroacústicos. Complementarmente, aspectos relacionados
de maneira mais ampla à metrologia permitem associar normas e especificações inerentes a projeto, fabricação, manutenções e verificações periódicas ao perfeito funcionamento desses
dispositivos. Entre as diversas justificativas para a calibração
de transdutores hidroacústicos, estão suprir a necessidade da
aquisição e manutenção periódica de hidrofones e projetores
hidroacústicos em laboratórios especializados ou fabricantes.
Essa prática implicaria a redução de custos de maneira significativa, possivelmente evitando dificuldades com importação.
Na calibração dos transdutores hidroacústicos, são medidas
as respostas de recepção e de transmissão a partir do que se
calculam as sensibilidades. A sensibilidade de recepção de um
receptor hidroacústico consiste na medida de sua eficiência em
converter um nível de pressão acústica atuando em uma de suas
faces em uma medida de tensão elétrica. Essa sensibilidade de
hidrofones em campo livre e distante consiste na relação entre
a tensão elétrica de saída em circuito aberto e a pressão acústica gerada por uma onda plana progressiva. Já a resposta de
transmissão (de tensão elétrica ou corrente) de um transdutor
hidroacústico é o fator de conversão eletroacústica de um transdutor projetor, pois relaciona a tensão elétrica de excitação nos
terminais de entrada com a pressão acústica radiada no meio.
Neste trabalho é apresentada uma comparação entre o
método de calibração convencional absoluto por reciprocidade
da sensibilidade e resposta de transmissão utilizando três transdutores hidroacústicos, desenvolvido por Bobber (1970), e um
método não convencional. Este último faz uso do princípio da
reciprocidade e de uma técnica de geração de pulsos de excitação codificados com base em varredura de senos (chirps), conforme descrito detalhadamente em Martins (2013).
2. METODOLOGIA DE PESQUISA
O método da reciprocidade para calibração de transdutores hidroacústicos gera valores absolutos de sensibilidade de
transmissão em corrente (ou indiretamente em tensão elétrica)
e sensibilidade de recepção. Não é necessário o uso de um transdutor hidroacústico calibrado. A faixa de frequências na qual o
método pode ser utilizado varia entre poucas unidades de quilohertz (kHz) e 1 MHz, e as incertezas tipicamente obtidas
estão na ordem de 1 dB, conforme a Norma IEC 60565 (2007).
No método clássico da reciprocidade são utilizados três
transdutores hidroacústicos e ao menos um deve ser recíproco,
ou seja, pode ser utilizado tanto como hidrofone quanto como
projetor hidroacústico. Utilizando um dos transdutores como projetor hidroacústico e o outro como hidrofone, mede-se a impedância elétrica de transferência (relação entre as excitações
elétricas de entrada no projetor e saída no receptor) dentro da
faixa prevista de frequência de calibração. Subsequentemente,
são montadas mais duas combinações de pares de transdutores e, então, são obtidas as respectivas impedâncias de transferência. As grandezas elétricas medidas são utilizadas com o
parâmetro de reciprocidade (relação entre a sensibilidade e a
resposta de transmissão do transdutor recíproco) e os espaçamentos entre transdutores. A norma técnica IEC 60565
(2007) define como combinar essas grandezas e parâmetros a
fim de se calcular a sensibilidade e a resposta de transmissão
dos transdutores hidroacústicos.
Neste experimento, o método de reciprocidade tradicional
foi realizado empregando-se pulsos de curta duração. Dessa
forma, assegura-se uma propagação acústica em campo livre em
tanques com menores dimensões, sem necessidade de material
absorvedor em suas paredes. O janelamento temporal do sinal
permite tal aproximação. Essa técnica apresenta vasta aplicação
entre fabricantes de transdutores hidroacústicos, institutos de
pesquisa e metrologia. Por meio dela, procura-se eliminar (ou
pelo menos limitar e controlar a interferência) os efeitos de ecos
acústicos provenientes das múltiplas reflexões e reverberações
indesejadas, como as provenientes das condições de contorno,
por exemplo, as paredes e fundo do tanque, e superfície da água,
e até mesmo as provenientes do próprio transdutor.
As medições foram realizadas no Tanque de Testes
Hidroacústicos do Instituto de Pesquisas da Marinha (IPqM),
Rio de Janeiro, Brasil. Esse tanque não anecoico de água doce
possui dimensões de 10 m de comprimento por 10 m de largura com 5 m de profundidade. Foram utilizados dois transdutores recíprocos modelo 1001 e um hidrofone modelo 1032,
fabricados pela International Transducer Corporation (ITC,
2012). Os transdutores foram preparados a fim de garantir a
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Carlos Alfredo Orfão Martins, Sandro Aureliano Miqueleti, Carlos Eduardo Parente Ribeiro, Rodrigo Pereira Barretto da Costa-Félix
Além do método convencional de calibração, foi experimentado um método alternativo no qual o sinal de excitação foi um sinal com modulação em frequência denominado Pulso de Excitação Codificado (PEC), apresentado por
Costa-Félix (2005). O método alternativo de calibração faz
uso de uma varredura de senos, ou chirp. No escopo deste
trabalho, considerar-se-ão resultados suficientemente compatíveis àqueles que apresentarem erros entre os métodos
inferiores a 1 dB. Considerações metrológicas mais refinadas
não foram estudadas, tampouco foi calculada a incerteza do
novo método proposto.
Tabela 1. Fabricante e emprego dos transdutores
hidroacústicos.
Fabricante
Modelo/
No de série
Emprego
3. RESULTADOS
Os resultados obtidos foram plotados em curvas de sensibilidade e resposta de transmissão de um hidrofone e de um
transdutor recíproco respectivamente como apresentado nas
Figuras 2 e 3, em uma banda de frequência de 3 a 15 kHz,
com intervalos de 1 kHz, e comparando-se o resultado obtido
com valores similares aos fornecidos pelo fabricante ITC,
considerando-se um erro de até 1 dB como sugerido pela
Norma IEC 60565 (2007).
Uma vez que foi constatada a viabilidade do método de
calibração por reciprocidade, os resultados da sensibilidade
de recepção foram comparados ao método não convencional de calibração empregando varredura de senos (chirp)
-180
Similar Fabricante ITC 1032
Reciprocidade -1 dB
-185
dB ref V/uPa
precisão da calibração, estando suas superfícies limpas e livres
de bolhas de ar, de modo que se assegura o perfeito acoplamento acústico entre o transdutor e o meio (água).
A Tabela 1 abaixo apresenta a associação entre os transdutores e seu respectivo emprego nos experimentos:
Para a calibração de transdutores hidroacústicos por reciprocidade, foram utilizados os instrumentos pertencentes ao
Grupo de Sistemas Acústicos Submarinos (GSAS) do IPqM:
(I) Bancada de Calibração por Pulsos (Scientific-Atlanta,
USA) apresentada na Figura 1, com destaque para os
principais equipamentos;
(II)Analisador de Impedâncias 4294A (Agilent, USA); e
(III)Osciloscópio DSO 6014A (Agilent, USA).
-190
-195
-200
-205
-210
2
4
6
8
10
kHz
12
14
16
Figura 2. Sensibilidade do hidrofone ITC 1032 e curva
do fabricante.
1001/SN: 888
Projetor
International
Transducer
1001/SN: 887 Transdutor recíproco
Corporation (ITC) 1032/SN: 1248
Hidrofone
150
Multímetro
Filtro
Calibrador
Pré-amplificador
Osciloscópio
Gerador de
Funções
Transformador
de Corrente/
Tensão Elétrica
Amplificador
Figura 1. Bancada de calibração por pulsos do Tanque
Hidroacústico do Instituto de Pesquisas da Marinha.
dB ref uPa/V
145
140
135
130
Similar Fabricante ITC 1001 888
125
Reciprocidade -1 dB
120
115
2
4
6
8
10
kHz
12
14
16
Figura 3. Resposta de transmissão do Projetor ITC 1001
e curva do fabricante.
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Carlos Alfredo Orfão Martins, Sandro Aureliano Miqueleti, Carlos Eduardo Parente Ribeiro, Rodrigo Pereira Barretto da Costa-Félix
como excitação dos projetores hidroacústicos. Os chirp foram
construídos com duração de 2 ms, abrangendo a faixa de frequências de interesse. A Figura 4 apresenta um gráfico comparativo da sensibilidade do hidrofone ITC 1032 obtida por
reciprocidade para valores de frequência de até 25 kHz e a
mesma plotagem para uma calibração utilizando uma varredura de senos.
assim como a automatização do processo,a fim de aprimorar a
aquisição e o armazenamento dos sinais.
O método não convencional de calibração por varredura de senos carece de aprimoramentos no que tange à
instrumentação para a utilização de maior número de pontos, suavização das oscilações das respostas, assim como a
elaboração de um processo que contemple apenas o sinal
obtido em regime permanente.
4. DISCUSSÃO
5. CONCLUSÕES
A calibração de transdutores hidroacústicos por reciprocidade
requer diversas medições de sinais de recepção e transmissão,
associadas às incertezas e análises estatísticas da repetibilidade das
medições, assim como da instrumentação utilizada que não fizeram parte do escopo deste trabalho. O aprimoramento e a qualificação desse processo deverão englobar um rigor metrológico,
Chirp
-191
Reciprocidade
Reciprocidade +1 dB
dB ref V/uPa
-192
Reciprocidade -1 dB
-193
-194
-195
-196
-197
-198
-199
5
10
kHz
15
20
25
Figura 4. Sensibilidade do hidrofone por varredura
de senos comparado ao método convencional de
reciprocidade.
A calibração de transdutores hidroacústicos por reciprocidade
empregando o método convencional de calibração de transdutores hidroacústicos utilizando a Bancada de Calibração do IPqM
apresentou resultados de respostas de transmissão e sensibilidade
com erros inferiores a 1 dB entre os valores de sensibilidade e
resposta de transmissão de transdutores hidroacústicos modelo
ITC 1001/1032 e dados fornecidos pelo fabricante para dispositivos similares como sugerido pela norma IEC 60565:2007.
A obtenção de resultados dentro de uma barra de erros
de 1 dB a partir dos resultados obtidos pela metodologia
convencional de reciprocidade indica a viabilidade técnica
da implementação da varredura de senos na calibração de
transdutores hidroacústicos por meio de uma metodologia não
convencional. Vale destacar as vantagens dessa técnica, como
a obtenção de resultados em limites inferiores de frequência
não contemplados em técnicas convencionais por exigência
dos sinais de resposta do sistema em campo livre, a calibração
em apenas um conjunto de medições, e todo o processo ter
sido realizado em um tempo de execução significativamente
menor, ou seja, sem a necessidade da medição dos parâmetros hidroacústicos a cada valor de frequência (stepped-sine).
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em: <http://www.itc-transducers.com>. Acesso em: 01 mar 2012.
MARTINS, C.A.O. Calibração de transdutores hidroacústicos pelo método
da reciprocidade empregando salvas de sinais de excitação monotônicos
e de frequência modulada. Tese (Mestrado em Engenharia Oceânica) –
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Universidade Federal do Rio de Janeiro, Rio de Janeiro, 2013.
| 117 |
Revista Pesquisa Naval, Brasília - DF, n. 26, 2014, p. 114-117
NORMAS PARA SUBMISSÃO E PUBLICAÇÃO DE ARTIGOS NA REVISTA PESQUISA NAVAL
1 . OBJETIVO
A Revista Pesquisa Naval (RPN) é um periódico científico de
publicação anual que apresenta à comunidade científica uma coletânea de estudos desenvolvidos por pesquisadores das áreas científica, tecnológica e de inovação, cujos temas sejam pertinentes às
áreas de interesse da Marinha do Brasil (MB).
O periódico é publicado pela Secretaria de Ciência, Tecnologia
e Inovação da Marinha (SecCTM) e avaliado pelo Sistema de
Classificação de Periódicos, Anais, Revistas e Jornais (QUALIS)
da Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior
(CAPES) nas seguintes categorias: “B4”, nas áreas de avaliação
Engenharia II, Engenharia III e Interdisciplinar; “B5”, nas áreas
de avaliação Engenharia IV e Geociências; e “C”, nas áreas de
Química e Administração.
2. CORPO EDITORIAL
A administração da RPN será conduzida pelo Corpo Editorial
composto pelo Editor-Chefe, Editores-Adjuntos, Conselho Editorial
e pela Comissão Editorial, sendo:
Editor-Chefe:
Secretário de Ciência, Tecnologia e Inovação da Marinha.
Editores-Adjuntos:
Diretor do Centro de Análise e Sistemas Navais – CASNAV ;
Diretor do Instituto de Estudos do Mar Almirante Paulo Moreira
– IEAPM;
Diretor do Instituto de Pesquisa da Marinha – IPqM.
Conselho Editorial (com os seguintes elementos organizacionais
da SecCTM):
Presidente: Assessor de Relações Institucionais (SecCTM-30).
Membros:
Assessor Jurídico (SecCTM-08);
Encarregado da Divisão de Parcerias Estratégicas (SecCTM-31);
Encarregado da Divisão de Tecnologia Industrial Básica (SecCTM-32);
Encarregado da Divisão de Planejamento e Controle de Compensação
Comercial, Industrial e Tecnológica (“OFFSET”) (SecCTM-33);
Encarregado da Divisão de Propriedade Intelectual (SecCTM-41);
Encarregado da Divisão de Capacitação de Recursos Humanos de
CT&I (SecCTM-63);
Encarregado da Divisão de Planejamento de Recursos Humanos
de CT&I (SecCTM-64);
Ajudante da Divisão de Parcerias Estratégicas (SecCTM-3101); e
Auxiliar da Divisão de Parcerias Estratégicas (SecCTM-3102).
Comissão Editorial:
Membros da comunidade científica, requisitados “ad hoc”, que
farão a avaliação dos artigos em submissão, observados os critérios
de avaliação elaborados pelo Conselho Editorial e aprovados pelo
Editor-Chefe da RPN.
3. NORMAS EDITORIAIS
3.1 – Características Gerais
3.1.1. A submissão de artigos é aberta a pesquisadores, pertencentes
ou não à Marinha do Brasil (MB), que apresentem trabalhos inéditos
sobre os seus estudos, isto é, não publicados em quaisquer revistas
ou periódicos, e cujos temas sejam, prioritariamente, pertinentes às
áreas de interesse do Sistema de Ciência, Tecnologia e Inovação da
Marinha (SCTMB), abaixo discriminadas:
(I) Área de Sistemas de Armas e Munições: Compreende a
capacitação para pesquisar, projetar, desenvolver protótipos e avaliar
sistemas de armas e seus componentes (hardware), controle de armas
(software), armamento de pequeno e médio calibre e munições,
necessários às Operações Navais.
(II) Área do Ambiente Operacional: Compreende a capacitação
para pesquisar, projetar, desenvolver e inovar modelos, métodos,
sistemas, equipamentos, materiais e técnicas que permitam a produção
de informações e a ampliação do conhecimento sobre os ambientes
oceânico, costeiro, fluvial e lacustre, necessários às Operações Navais.
(III) Área de Processos Decisórios: Compreende a capacitação para
pesquisar, projetar, desenvolver protótipos e inovar modelos, métodos,
sistemas e técnicas que permitam a produção de informações e a
ampliação do conhecimento sobre os processos decisórios, estratégicos,
operacionais, gerenciais e de apoio, necessários às Operações Navais.
(IV) Área de Sensores, Guerra Eletrônica e Guerra Acústica:
Compreende a capacitação para estudar, pesquisar, projetar,
desenvolver protótipos e inovar sistemas de detecção, de discrição
e de contramedidas necessários às Operações Navais.
(V) Área de Desempenho Humano e Saúde: Compreende a
capacitação de estudar, pesquisar, modelar, projetar e desenvolver
protótipos, ampliando o conhecimento biomédico, farmacotécnico,
psicológico, da bioengenharia e da ergonomia, visando a aumentar
a capacidade de desempenho, de resistência a situações de pressão e
de proteção da saúde do homem quando em combate e dos recursos
de treinamento por simuladores, de interesse da Marinha.
(VI) Área de Materiais Especiais: Compreende a capacitação de
estudar, pesquisar, projetar e desenvolver protótipos e experimentos
de materiais para dificultar a detecção de plataformas, para absorção
de energia e proteção e detecção NBQR, para processos especiais
de soldagem, para emprego na área nuclear, materiais resistentes à
abrasão, ao impacto balístico e de materiais energéticos, ou ainda,
materiais que possuam outras características físico-químicas especiais
que sejam de interesse da Marinha.
(VII) Área de Energia: Compreende a capacitação de estudar,
pesquisar, modelar, projetar e desenvolver protótipos e experimentos
envolvendo sistemas de geração, exceto nuclear, de acumulação e
de distribuição de energia e sistemas de propulsão de interesse
da Marinha.
| II |
Revista Pesquisa Naval, Brasília - DF, n. 26, 2014, p. II-V
(VIII) Área de Arquitetura Naval e Plataformas: Compreende
a capacitação de estudar, pesquisar, projetar, simular e desenvolver
protótipos, modelos e experimentos de plataformas navais, anfíbias,
terrestres e aéreas, visando à previsão do seu comportamento nas
diversas condições do meio ambiente onde atuarão, da configuração
de seus sensores e armas e da configuração de seus sistemas de
propulsão e governo, necessários às Operações Navais.
(IX) Área de Cibernética (Tecnologia da Informação) e
Comunicações: Esta área compreende dois segmentos: a cibernética
(tecnologia da informação) e a tecnologia das comunicações, antes
tratadas de forma isolada e atualmente abordadas de forma integrada,
considerando a convergência de suas respectivas tecnologias.
O segmento da cibernética, com ênfase na tecnologia da informação,
compreende a capacitação de estudar, pesquisar, projetar, simular e desenvolver protótipos, modelos e experimentos, visando ao desenvolvimento e
à qualidade do software, à topologia das redes de computadores, à criptologia e às medidas de apoio à guerra cibernética de interesse da Marinha.
O segmento da tecnologia da comunicação compreende a capacitação de estudar, pesquisar, projetar, simular e desenvolver protótipos, modelos e experimentos visando à comunicação de dados e/
ou voz e à avaliação de desempenho das comunicações.
(X) Área de Nanotecnologia: Compreende a capacitação de
estudar, pesquisar, projetar, modelar, simular e desenvolver protótipos
e experimentos envolvendo a engenharia do átomo, que leve à criação
de elementos, substâncias e materiais inexistentes na natureza e que
atendam a necessidades específicas de interesse da Marinha.
(XI) Área Nuclear: Compreende a capacitação de estudar, pesquisar,
projetar, modelar, simular e desenvolver protótipos e experimentos
envolvendo as atividades afetas ao ciclo do combustível nuclear e a
geração de energia nuclear para propulsão naval de interesse da Marinha.
3.1.2. Os artigos em submissão serão encaminhados ao Conselho
Editorial da RPN, por e-mail endereçado à caixa-postal pesquisa.
[email protected] em formato, digital devidamente assinado(s)
pelo(s) autor(es), de acordo com o e nos termos das presentes Normas.
3.1.3. Quando da submissão, será solicitado ao autor que enquadre
o artigo em uma das áreas de interesse do SCTMB, discriminadas
no item 3.1.1. O Conselho Editorial, sempre que julgar necessário,
poderá alterar essa indicação.
3.1.4. Os autores dos artigos em submissão deverão acompanhar
o andamento do processo de seleção e efetuar as solicitações indicadas,
por e-mail endereçado à caixa-postal [email protected].
3.1.5. O Português é o idioma oficial da RPN. Em caráter
excepcional, por decisão do Conselho Editorial, poderão ser aceitos
trabalhos em outro idioma.
3.1.6. O artigo em submissão deverá ser inédito e não poderá
ser submetido para publicação em outras revistas, simultaneamente
com a RPN, implicando em cancelamento da submissão.
Em caráter excepcional, por decisão do conselho editorial, poderão
ser aceitos trabalhos não inéditos.
3.1.7. O número de artigos para publicação, por edição, será
limitado a um por autor.
3.1.8. Os artigos originais serão submetidos à avaliação da
Comissão Editorial, sem qualquer identificação de autoria, garantindo
que sejam preservados o critério de sigilo do autor e a isenção na
submissão para avaliação por pares.
3.1.9. O Conselho Editorial da RPN selecionará os artigos
a serem publicados, avaliando o cumprimento das Normas para
Submissão de Artigos Científicos à RPN, bem como os pareceres
apresentados pela Comissão Editorial.
3.1.10. No caso de haver número de artigos maior do que o comportado
pela edição, os excedentes poderão ser reservados para publicação nas
edições subsequentes, mediante autorização formal dos autores.
3.1.11. Após aprovação do artigo em submissão, os autores
serão comunicados formalmente e encaminharão ao Conselho
Editorial a “Declaração de Responsabilidade e Cessão dos Direitos
de Autor para Publicação de artigo na RPN”, conforme anexo.
No caso de autoria múltipla, a declaração poderá ser assinada
apenas pelo autor responsável pela submissão do artigo, o qual se
responsabilizará pelos demais.
3.1.12. A revisão gramatical e a obediência às normas de referência,
citadas no item 3.2.14, deverão ser obrigatoriamente providenciadas
pelo autor do trabalho, antes de sua submissão. Entretanto, no intuito
de zelar pelo padrão culto da língua portuguesa, o Conselho Editorial
da RPN se reserva ao direito de efetuar, nos originais, alterações de
ordem normativa, ortográfica e gramatical, respeitando, porém, o
estilo dos autores. As provas finais serão enviadas aos autores para
a devida ratificação.
3.1.13. A versão final do artigo será adequada ao padrão de
formatação gráfico da revista. Não serão fornecidas separatas. Os artigos
estarão disponíveis, no formato “pdf ”, no endereço eletrônico da
revista, bem como o previsto no item 4.2.
3.1.14. Os autores dos artigos publicados não perceberão qualquer
tipo de remuneração ou pró-labore.
3.1.15. A RPN fica autorizada, em caráter de exclusividade, a
publicar os artigos indicados na “Declaração de Responsabilidade e
Cessão dos Direitos de Autor para Publicação de artigo na Revista
Pesquisa Naval”, encaminhado de acordo com o item 3.1.11, pelo
prazo e nas condições ali estabelecidas.
3.1.16. Os trabalhos publicados passam a ser propriedade da
RPN, sendo permitida a reprodução parcial ou total dos trabalhos,
desde que a fonte seja citada.
3.1.17. Os artigos publicados, bem como as opiniões emitidas
nesses artigos, são de exclusiva responsabilidade do(s) autor(es).
3.2. Características Técnicas
3.2.1. Os artigos serão submetidos ao Conselho Editorial,
conforme item 3.1.2, em arquivo eletrônico gravado na extensão
“RTF” (Rich Text Format) e com tamanho máximo de 2MB.
Formato:
(I) margens: superior e esquerda 3 cm; direita e inferior de 2 cm e
(II) papel A4 (21cm X 29,7cm).
3.2.2. A estrutura dos artigos conterá as seguintes seções, na
sequência indicada:
(1) Título (português e inglês);
(2) Identificação dos Autores;
(3) Resumo;
| III |
Revista Pesquisa Naval, Brasília - DF, n. 26, 2014, p. III-V
(4) Palavras-chave;
(5) Abstract;
(6) Keywords;
(7) Introdução;
(8) Metodologia de Pesquisa;
(9) Resultados;
(10) Discussão;
(11) Conclusões e
(12) Referências.
Todas as seções e subseções, a partir da Introdução, serão numeradas com algarismos arábicos. Permite-se a omissão da Seção (8) e
a fusão das Seções (9) e (10), quando a natureza do trabalho assim
o recomendar.
3.2.3. Tamanho: a extensão máxima do artigo será de 20 laudas,
incluindo os elementos pré-textuais, texto e pós-textuais. Uma lauda
é uma página com 1.250 caracteres.
3.2.4. Título: será breve e suficientemente específico e descritivo,
contendo as palavras-chave que representem o conteúdo do texto,
acompanhado de sua tradução para o idioma inglês. Formato: fonte Times
New Roman, tamanho 14, em negrito, letras maiúsculas e minúsculas
e parágrafo centralizado, com efeito itálico para o título em inglês.
3.2.5. Identificação dos autores: deverá constar o nome completo
de cada autor, seguido do título profissional e titulação acadêmica,
informação completa sobre a afiliação do autor (incluindo instituição
de origem, vínculo funcional, cidade, estado e país) e o endereço
eletrônico para contato.
Formato: espaçamento entre linhas simples, fonte Times New
Roman, tamanho 10, letras maiúsculas e minúsculas e parágrafo
centralizado. Aplicar o efeito negrito somente para o nome do autor.
3.2.6. Resumo/Abstract: o resumo elaborado será de caráter
informativo, de acordo com a NBR 6028 da ABNT, com o máximo
de 250 palavras, ressaltando o objetivo, o método, os resultados e as
conclusões. O abstract será a tradução integral do resumo para o inglês.
Formato: espaçamento entre linhas simples, fonte Times New
Roman, tamanho 12, com efeito itálico para o Abstract, e parágrafo
justificado.
3.2.7. Palavras-chave/Keywords: as palavras-chave deverão
ser separadas por ponto. As keywords serão a tradução integral das
palavras-chave para o inglês.
Formato: espaçamento entre linhas simples, fonte Times New
Roman, tamanho 12, com efeito itálico para as keywords, letras
maiúsculas e minúsculas e parágrafo justificado.
3.2.8. Introdução: Parte inicial do artigo, onde deve constar a
delimitação do assunto tratado. Os objetivos da pesquisa e outros
elementos necessários para situar o tema do artigo.
3.2.9. Desenvolvimento: Parte inicial do artigo, que contém a
exposição ordenada e pormenorizada do assunto tratado. Divide-se
em seções e subseções, conforme a NBR-6024 da ABNT, que variam
em funções da abordagem do tema e do método.
3.2.10. Conclusão: Parte Final do artigo, na qual se apresentam
as conclusões correspondentes aos objetivos e hipóteses.
3.2.11. Agradecimentos: se for o caso, deverão ser mencionados
no final do trabalho, antecedendo as referências.
Formato: espaçamento entre linhas de 1,5, fonte Times New
Roman, tamanho 12, letras maiúsculas e minúsculas e parágrafo
justificado.
3.2.12. Referências: serão apresentadas em ordem alfabética no
final do artigo, de acordo com a norma da NBR-6023 da ABNT.
Todas as referências deverão ser citadas no texto de acordo com o
sistema alfabético (autor-data).
Formato: espaçamento entre linhas simples, fonte Times New
Roman, tamanho 12 e parágrafo justificado.
3.2.13. Notas explicativas: deverão ser evitadas. Quando
possível, os textos com essas características serão incorporados aos
elementos textuais.
3.2.14. As figuras, tabelas ou ilustrações devem conter legendas,
créditos ou fonte de consulta. Caso haja figuras e tabelas importadas
de outros programas, como Excel e Power Point, serão enviados,
também, o arquivo de origem com resolução mínima de 200 DPI.
As legendas, créditos ou fonte de consulta estarão em fonte Times
New Roman - tamanho 10.
3.2.15. Com o propósito de atender ao item 3.1.5, os elementos
textuais do artigo não poderão conter qualquer forma de identificação
do(s) autor(es).
3.2.16. Para aspectos gerais de apresentação, referências
bibliográficas, citações, notas e demais detalhes, serão observadas
as seguintes normas:
• ABNT – NBR-6021 – publicação periódica científica impressa;
• ABNT – NBR-6022 – artigo em publicação periódica
científica impressa;
• ABNT – NBR-6023 – referências;
• ABNT – NBR-6024 – numeração progressiva;
• ABNT – NBR-6027 – sumário;
• ABNT – NBR-6028 – resumo;
• ABNT – NBR-10520 – citações; e
• Apresentação tabular do Instituto Brasileiro de Geografia e
Estatística – IBGE.
4. CONSIDERAÇÕES FINAIS
4.1. Os autores dos artigos em submissão ao respectivo processo
de seleção serão oportunamente informados sobre o seu andamento,
por e-mail, até a publicação da RPN.
4.2. Os autores o receberão dois exemplares da edição que
consta a publicação de seus artigos, considerando que ela também
será disponibilizada na versão digital no sitio eletrônica da RPN.
Caberá ao Conselho Editorial da RPN a responsabilidade pelo envio
das revistas aos autores.
4.3. Quaisquer solicitações de informações adicionais deverão
ser encaminhadas à:
Secretaria de Ciência, Tecnologia e Inovação da Marinha
Assessoria de Relações Institucionais
Conselho Editorial da Revista Pesquisa Naval
Esplanada dos Ministérios, Bloco “N”, 4º andar
CEP: 70055-900 – Brasília/DF
e-mail: [email protected]
Tel/Fax: (61) 3429-1948.
| IV |
Revista Pesquisa Naval, Brasília - DF, n. 26, 2014, p. III-V
ANEXO
DECLARAÇÃO DE RESPONSABILIDADE E DE CESSÃO DOS DIREITOS
DE AUTOR PARA PUBLICAÇÃO DE ARTIGO NA REVISTA PESQUISA NAVAL
Ao Presidente do Conselho Editorial da Revista Pesquisa Naval
Secretaria de Ciência, Tecnologia e Inovação da Marinha
Esplanada dos Ministérios – Bloco “N” – 4º andar
70055-900 – Brasília – DF
Assunto: Declaração de Responsabilidade e de Cessão dos Direitos de Autor para publicação de artigo na
Revista Pesquisa Naval.
Declaro(amos) que o artigo intitulado “___________________________________”, enviado à Revista Pesquisa
Naval, periódico científico da Secretaria de Ciência, Tecnologia e Inovação da Marinha, é um artigo inédito e o
seu conteúdo não está sendo considerado para publicação em outras revistas, seja no formato impresso seja
no eletrônico.
Certifico(amos) que participei(amos) suficientemente da elaboração do artigo para tornar pública minha
(nossa) responsabilidade pelo seu conteúdo.
Cedo(emos), com exclusividade, a título gratuito e pelo período de dois anos, os direitos autorais patrimoniais
do artigo supracitado à Secretaria de Ciência, Tecnologia e Inovação da Marinha, para publicação na ____ª
edição da Revista Pesquisa Naval, a qual poderá ser em formato impresso ou em formato eletrônico, neste
último caso para disponibilização na página Internet da RPN.
Aceito(amos) as condições deste termo. (todos os autores)
Local, em _______de ______de 20__.
Assinatura do(s) autor(es) (nome completo, CPF, RG/Órgão Expedidor, cargo/profissão, instituição onde
trabalha, endereço funcional)
|V|
Revista Pesquisa Naval, Brasília - DF, n. 26, 2014, p. III-V
PRODUÇÃO EDITORIAL
Rua Bela Cintra, 178, Cerqueira César – São Paulo/SP - CEP 01415-000
Zeppelini – Tel: 55 11 2978-6686 – www.zeppelini.com.br
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Número 26 – 2014
Revista Pesquisa Naval
ISSN 2179-0655
NÚMERO 26 – 2014