El proyecto-del-buque

EL PROYECTO DEL BUQUE

EL PROYECTO DEL BUQUE............................................................................ 1

Definiendo Objetivos ..................................................................................................................................2

Principios básicos que gobiernan el proyecto del buque.........................................................................2

Las Fases del Proyecto del Buque .............................................................................................................3

EL PROYECTO CONCEPTUAL........................................................................ 6

EL PROYECTO CONTRACTUAL ..................................................................... 8

Aspectos Principales del desarrollo del Proyecto Contractual ...............................................................8

DIMENSIONAMIENTO DEL BUQUE .............................................................. 10

Limitaciones dimensionales .....................................................................................................................10

La Dimensión Crítica ...............................................................................................................................11 Buques de Peso ......................................................................................................................................12 Buques de volumen................................................................................................................................14 Buques en los que la velocidad es crítica ...............................................................................................15 Otras dimensiones críticas......................................................................................................................15

Dimensionamiento ....................................................................................................................................15 Ecuaciones para buques de peso ............................................................................................................15 Ecuaciones para buques de volumen......................................................................................................16 Relaciones entre dimensiones ................................................................................................................17 Estimación de CB ...................................................................................................................................19 Estimación de otros parámetros de formas.............................................................................................19 Dimensionamiento Básico .....................................................................................................................20

DISEÑO DE FORMAS ..................................................................................... 22

Definición de los Parámetros de Formas ................................................................................................23

Definición de las Formas..........................................................................................................................23 Derivación de formas .............................................................................................................................23 Generación de formas ............................................................................................................................24 Series sistemáticas de formas.................................................................................................................24

Evaluación Técnica...................................................................................................................................24

INTRODUCCIÓN A LA TEORÍA DEL BUQUE................................................ 27

Descomposición de la Resistencia al Avance ..........................................................................................27

CRITERIOS BÁSICOS DE DISEÑO DE FORMAS ......................................... 31

Análisis de las zonas de proa y popa .......................................................................................................31

Curva de áreas seccionales ......................................................................................................................35

Obtención Experimental de la Resistencia al Avance y del Rendimiento Propulsivo ........................35

Estimación de la Resistencia al Avance El Método de Holtrop y Mennen ..........................................39

DISPOSICIÓN GENERAL ............................................................................... 41

Forma y disposición de los elementos transversales y longitudinales ..................................................42 Disposición de los mamparos transversales ...........................................................................................42 Disposición de las cubiertas ...................................................................................................................43 Disposición de los mamparos longitudinales .........................................................................................44

Distribución de espacios...........................................................................................................................44 Espacios de almacenamiento y manipulación de la carga......................................................................45 Espacios de maquinaria..........................................................................................................................45 Tanques de consumos ............................................................................................................................46 Alojamientos ..........................................................................................................................................48 Disposición de accesos...........................................................................................................................48 Grandes huecos ......................................................................................................................................49 Aislamiento de espacios.........................................................................................................................49

DISEÑO ESTRUCTURAL................................................................................ 50 Elección del tipo de estructura ...............................................................................................................51 Cálculo de la Estructura .........................................................................................................................51 Espaciado de los elementos transversales o longitudinales....................................................................54 Forma y Estructura de los Mamparos y Cubiertas .................................................................................54 Minimización del peso de acero y/o de producción ...............................................................................55

EL SISTEMA PROPULSIVO ........................................................................... 56

Tipos de Sistemas de Propulsión .............................................................................................................56

Hélice .........................................................................................................................................................56 Hélices en Tobera...................................................................................................................................56 Hélices de Extremos de Pala Cargados ..................................................................................................57 Hélices Contrarrotativas.........................................................................................................................57 Propulsores de Eje Vertical....................................................................................................................58 Propulsores a chorro...............................................................................................................................59 Vela........................................................................................................................................................59

Generadores de Potencia .........................................................................................................................59

Selección del Motor Principal (motor diesel directamente acoplado a la hélice) ................................62

Selección de una Hélice de Serie..............................................................................................................64

SISTEMAS BÁSICOS DEL BUQUE................................................................ 66

Sistema de Alimentación de Combustible ..............................................................................................66

Sistema Eléctrico ......................................................................................................................................69 Balance Eléctrico ...................................................................................................................................69

Sistema de Enfriamiento..........................................................................................................................71

Sistema de Gobierno ................................................................................................................................73

CÁLCULO DEL DESPLAZAMIENTO ............................................................. 76

Peso en Rosca............................................................................................................................................76 Peso de la Estructura ..............................................................................................................................77 Peso de la Maquinaria ............................................................................................................................83 Peso del Equipo......................................................................................................................................84

Peso Muerto ..............................................................................................................................................85

REFERENCIAS................................................................................................ 86

El Proyecto del Buque

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El Proyecto del Buque El proyecto es un proceso iterativo Dado que se busca que el diseño sea óptimo, es necesario definir un proceso iterativo, de manera que en cada paso las características del proyecto mejoren (en un sentido que debe definirse) a las anteriores, que se tomaron como punto de partida. Algunas variaciones del diseño inicial, pueden conducir a obtener características peores, o que no cumplen con alguna de las especificaciones iniciales. Esto puede deberse a una inadecuada planificación del proceso de diseño, o al insuficiente conocimiento de alguno de los aspectos del proyecto. Las herramientas utilizadas en el proceso deben ser adecuadas (precisión, complejidad, ...) a la situación en el proceso de diseño.

El proyecto es un proceso cíclico (red) Como hemos visto, el proceso de diseño puede dividirse en fases, en función de la precisión de la definición del proyecto. Para conseguir los objetivos de cada una de esas fases, es necesario desarrollas los diferentes aspectos que componen el proyecto de un buque. En algunos casos, el proceso iterativo puede sustituirse por un análisis de diferentes alternativas. Este tipo de actuación se lleva a cabo en múltiples ocasiones, cuando la complejidad del diseño imposibilita un desarrollo iterativo. Las conclusiones de este análisis llevarán a elegir la opción más óptima de entre las consideradas. Estas características del proyecto del buque hacen que habitualmente se represente en forma de una espiral, que representa esos dos aspectos de iteratividad y ciclicidad.


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Para más información ver la referencia [1].

Definiendo Objetivos Una de las primeras fases que es vital realizar antes de iniciar un proyecto es la definición de los objetivos. Estos objetivos deben estar ordenados en función de su prioridad, de manera que la lista ordenada que formen, facilite la toma de decisiones en el caso de soluciones antagónicas. Cuando se definen objetivos es vital diferenciar entre cantidades que son esenciales (a las que denominaremos especificaciones de diseño) y aquellas que sólo son deseables y que por lo tanto pueden ser modificadas si su cumplimiento implica un coste excesivo o va en detrimento del cumplimiento de un objetivo de una meta más importante. En general estas especificaciones de diseño estarán en muchos casos definidas por las características fijadas por el armador. En el caso del diseño de un buque mercante, estas especificaciones se originan en un estudio del transporte, que examina los aspectos económicos de un determinado servicio o ruta. Es importante que cuando se planteen los objetivos, se haga con la mente abierta, sin tener en cuenta ningún tipo particular de diseño que se tenga en mente. De otra forma, los objetivos constreñirían innecesariamente el desarrollo del diseño, en el caso de que el proyecto final no siga el inicialmente pensado.

Principios básicos que gobiernan el proyecto del buque El proyecto debe satisfacer todos los requisitos especificados por el armador. En cualquier caso, resulta de gran ayuda para el proyectista que aquél establezca un orden de prioridades en las especificaciones, para el caso excepcional en el que se considere inviable el cumplimiento de todas ellas.


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El buque debe cumplir todos los requisitos legales aplicables, que incluyen convenios internacionales y legislación nacional que tratan del diseño, estructura, equipo, propulsión, habitabilidad, .... Asimismo se deben cumplir otros requisitos definidos por las costumbres de la mar, cuya inobservancia puede resultar negativa para el rendimiento de la tripulación. Se debe considerar prioritario que cada función se realice en el barco de la manera más eficiente posible. Para ello se elegirá una adecuada situación y espacio adecuado para todos los servicios, de manera que la maniobra sea segura y eficiente en todas las condiciones de navegación. Es evidente que este requisito obligará a tener que armonizar decisiones antagónicas. En ese caso debe darse preferencia al servicio que tenga una mayor contribución al rendimiento global del buque. La minimización del coste, tanto inicial como de funcionamiento, debe ser un objetivo prioritario. Se ha de considerar en todo momento el impacto de las decisiones técnicas en la actuación de la futura tripulación. El rendimiento de un buque depende de manera significativa de la eficacia de las personas que lo manejan, por lo que una característica que pueda ser fuente de problemas, debe evitarse. Para asegurar el funcionamiento eficiente de un buque, los tripulantes deben tener la capacidad de desplazarse, rápida y fácilmente desde sus alojamientos a sus puestos de trabajo. Asimismo los medios de escape deben ser lo suficientemente ágiles. No deben existir espacios inútiles. Además, todas las partes del buque deben ser accesibles para los trabajos de mantenimiento. La preocupación de la sociedad actual en los aspectos medioambientales, se está viendo cada vez más reflejada en la legislación actual. Aparte del mero cumplimiento de la legislación, la búsqueda de la reducción del impacto ambiental en la construcción y operación, así como las posibilidades de reciclaje al final de la vida útil, debe estar entre los objetivos del desarrollo del proyecto desde su fase inicial.

Las Fases del Proyecto del Buque El proyecto del buque habitualmente se divide en tres fases:

o Proyecto Conceptual o Proyecto Contractual o Proyecto de Construcción

El objeto de la fase de Proyecto Conceptual es la determinación de la viabilidad del proyecto. Se parte de unos datos muy básicos (peso muerto, capacidad de carga, velocidad, dimensiones principales y sus relaciones, coeficientes de carena, ...) a partir de los cuales debe definirse una combinación de mayor rendimiento económico.


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Los resultados principales de la fase del Proyecto Conceptual son:

o Determinación de la viabilidad o no del proyecto. o Estimación del coste de la obra (construcción y operación). o Definición de las especificaciones de la obra.

El desarrollo de la fase de Proyecto Contractual obedece a la necesidad de ofrecer soporte técnico al contrato de construcción del buque. Incorpora las actividades del proyecto encaminadas a comprobar que se cumplen los requerimientos impuestos, tanto comerciales como de seguridad, con unos márgenes adecuados. El resultado de este proceso es el desarrollo de un contrato de construcción, que incluye:

o Definición suficientemente precisa de las características de la obra (disposición general, potencia propulsora, potencia eléctrica, sistemas de carga, ...).

o Definición de los costes de la obra. o Elaboración de la oferta económica del constructor. o Definición precisa de las diferentes calidades.

Es habitual identificar dos partes dentro de la fase de Proyecto Contractual. Estas son: el Proyecto Preliminar, que incluye las actividades de elaboración del diseño necesarias para dar soporte a la oferta del constructor y el Proyecto Contractual propiamente dicho. Finalmente, el Proyecto Detallado o de Construcción incluye el desarrollo pleno del proyecto hasta la obtención de toda la documentación que es necesaria para la construcción de la obra. El resultado de este proceso es:

o Elaboración de todos los documentos que se requieren para la aceptación del inicio de la obra por parte de las autoridades, así como para la aprobación de la misma por parte de la Sociedad de Clasificación correspondiente (u otras entidades reguladoras).

o Planificación y desarrollo del proceso constructivo.


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o Elaboración de planos detallados y otro tipo de documentos necesarios para apoyar el proceso constructivo.

o Elaboración de documentación y manuales para el uso y mantenimiento de equipos y sistemas.

Es asimismo común subdividir esta fase en el denominado Proyecto de Clasificación, que incluiría las actividades necesarias para obtener aprobación de la obra por parte de la Sociedad de Clasificación correspondiente (u otras entidades reguladoras) y el Proyecto de Construcción propiamente dicho.


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El Proyecto Conceptual Como ya se ha indicado, el objeto de esta fase es la determinación de la viabilidad del proyecto. Habitualmente se parte de unos datos muy básicos (peso muerto, capacidad de carga, velocidad, dimensiones principales y sus relaciones, coeficientes de carena, ...) a partir de los cuales debe definirse una combinación de mayor rendimiento económico. En el caso más general el análisis se hace para una flota de buques, dado un volumen de mercancías a transportar en unas rutas geográficas determinadas y teniendo en cuenta las limitaciones económicas de la inversión para cada opción. Para cada opción se lleva a cabo una simulación, haciendo un cálculo de tiempos (simulación de movimientos, simulación de actividades de carga y generación de un calendario de flota), cálculos de capacidad (cantidad de carga y consumo de combustible) y cálculo de costes (coste de construcción, coste operacional de la flota e ingresos provenientes del flete. Los resultados de este proceso son:

o Determinación de la viabilidad o no del proyecto. o Estimación del coste de la obra (construcción y operación). o Definición de las especificaciones.

Las especificaciones resultado del proyecto conceptual, habitualmente incluyen:

o Número de buques o Vida útil o Rutas contempladas o Capacidad de carga o Peso muerto o Número de tripulantes y pasajeros o Sistema de manejo y almacenamiento de carga y su capacidad o Autonomía o Velocidad en pruebas a plena carga o Tipo de planta propulsora o Posibles factores limitativos (p.ej. limitaciones en calado) o Reglamentos nacionales aplicables y otras regulaciones a cumplir o Sociedad de Clasificación y cota a obtener

El desarrollo del proyecto conceptual implica:

o Estudio de mercado y predicción del flujo de carga entre pares de puertos en el área de navegación.

o Análisis de puertos (congestión, tarifas, velocidad de manejo de carga, equipamiento, ...) y elección de rutas de navegación.

o Llevar a cabo proyectos conceptuales para diferentes tipos de buques. Se puede partir inicialmente de las dimensiones principales, velocidad y una estimación del coste de construcción. A estos datos se les añade la experiencia del armador y diseñador y diferentes bases de datos.

o Determinación de la configuración de la flota. Se analizarán diferentes alternativas de la configuración de la flota (número de buques de buques de la flota para una velocidad, dado el volumen de transporte anual requerido) para una ruta.

o Optimización o elección de una banda (conjunto de configuraciones) óptima. Para ello se requiere la elección de la cifra de mérito (criterio de optimización) adecuada.


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o Estudios de sensibilidad. Análisis del efecto sobre la cifra de mérito de la variación de las diferentes variables.

La realización de las tareas mencionadas anteriormente, habitualmente se lleva a cabo mediante programas de ordenador capaces de simular la operación de una flota de buques, definidas unas rutas de navegación. Estos programas requieren la automatización del proceso de selección de la mejor alternativa, para lo que se utiliza la cifra de mérito. La cifra de mérito es un criterio de optimización (decisión) para la elección de la mejor configuración, que puede ser evaluado numéricamente. Los más comunes son:

o Coste de Construcción mínimo. Es un criterio ventajoso para el astillero, aplicable si el buque ya está contratado o cuando se quiere hacer una oferta muy económica.

o Inversión Total mínima (coste de construcción + gastos del armador). Es un criterio ventajoso para el armador si sólo le interesa minimizar el coste inicial.

o Coste de Ciclo de Vida mínimo (coste de construcción + gastos del armador + gastos operativos anuales actualizados). Es un criterio del armador que tiene en cuenta los gastos operativos (pero no los ingresos).

o Flete requerido mínimo. Es un criterio del armador que elige como mejor opción aquella que requiere el menor flete mínimo para comenzar a dar beneficio.

Σ Beneficio = Σ Flete × Carga_Anual – Σ Gastos_Anuales

o Otras opciones más complejas que tienen en cuenta efectos como la amortización o el

tiempo de recuperación de la inversión.


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El Proyecto Contractual El desarrollo de esta fase obedece a la necesidad de ofrecer soporte técnico al contrato de construcción del buque. Incorpora las actividades del proyecto encaminadas a comprobar que se cumplen los requerimientos impuestos, tanto comerciales como de seguridad, con unos márgenes adecuados. El resultado de este proceso es el desarrollo de un contrato de construcción, que incluye:

o Definición suficientemente precisa de las características de la obra (disposición general, potencia propulsora, potencia eléctrica, sistemas de carga, ...).

o Definición de los costes de la obra. o Elaboración de la oferta económica del constructor. o Definición precisa de las diferentes calidades.

El punto de partida de este proceso es normalmente un buque base. Este término se refiere a un proyecto similar, del que se pueda disponer de información suficiente y que pueda servir de guía para las primeras fases del proyecto. A partir de las características del buque base se pueden estimar aspectos críticos como estabilidad, francobordo, potencia, ... Las primeras estimaciones cambiarán necesariamente a medida que avance el proyecto.

Aspectos Principales del desarrollo del Proyecto Contractual Cálculo de Potencia y Propulsión Estimación o cálculo de la potencia necesaria y de las características básicas del equipo propulsor y de maniobra. Definición de Formas Se realiza el plano de formas del buque intentando cumplir, además de los requisitos de buen comportamiento hidrodinámico, otras características definidas. Cálculo del peso en rosca y de la posición del centro de gravedad del buque. Compartimentado / Disposición General Es necesario disponer las cubiertas y mamparos como paso inicial para llevar a cabo la disposición general. Definición de Capacidades y Cálculo del Arqueo

1. Se definen las dimensiones de todos los tanques y se cubican. 2. Posteriormente se realiza el cálculo del arqueo y francobordo del buque.

Definición Estructural Diseño de la cuaderna maestra, en primer lugar, y definición posterior precisa de la estructura del buque. Maniobrabilidad y Comportamiento en la Mar Se lleva a cabo un análisis de las características del buque respecto a su maniobrabilidad y comportamiento en la mar. Definición de la Planta Propulsora y Otros sistemas del buque Se definen de manera concreta las características y disposición del equipo propulsor, así como el resto de sistemas del buque.


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Estabilidad Intacto / Estabilidad en avería 1. Es necesario definir las diferentes situaciones de carga para, posteriormente, llevar a

cabo el análisis de la estabilidad para el buque intacto. 2. Se lleva a cabo un estudio de la estabilidad del buque ante averías. 3. Se analiza la resistencia longitudinal de la estructura.

Análisis de Costes. Se evalúan las magnitudes económicas (de entre las cuales, la principal es el presupuesto), al objeto de facilitar la toma de decisiones.


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Dimensionamiento del buque Durante las primeras fases del desarrollo del proyecto del buque es esencial realizar un dimensionamiento del mismo. Este término se refiere a la obtención de las dimensiones y características principales del buque a partir de la especificación de alguna o algunas de ellas. En general, la eslora puede considerarse como la característica reina, ya que a partir de su conocimiento, pueden derivarse con relativa sencillez muchas de las características principales del buque. La obtención de la eslora puede hacerse de tres formas principales:

o Explícitamente, cuando exista una restricción de la dimensión de la eslora o una especificación sobre la longitud del buque. Por ejemplo, a partir de especificaciones tales como la longitud de los espacios de carga, se puede obtener la eslora del buque añadiendo a este dato, la eslora de la cámara de máquinas, de los piques de proa y popa y de otros compartimentos que puedan ser necesarios.

o A partir de relaciones de base experimental que ligan la eslora con la resistencia al avance. En general estas fórmulas relacionan la eslora con el número de Froude y el coeficiente de bloque. Estas fórmulas pretenden establecer un equilibrio entre la geometría del buque y una potencia propulsiva razonable.

o A partir de relaciones de base experimental, que permitan estimar relaciones entre las dimensiones principales. Una vez obtenidas estas relaciones, la eslora se puede obtener a partir de las condiciones que imponga la característica más crítica del proyecto.

En muchos casos, el proceso de dimensionamiento se comienza con la determinación de la eslora, a partir de las especificaciones del proyecto, para luego obtener el resto de dimensiones. Sin embargo, en este apartado presentaremos un procedimiento racional para obtener las dimensiones principales del buque, que deriva la eslora de las restricciones que imponga la característica más crítica del proyecto. Es importante mencionar que en el proceso de dimensionamiento, las características principales que se especifiquen pueden conllevar la aparición de limitaciones físicas u operacionales en otras dimensiones. Así por ejemplo, una vez definidos en un buque el peso muerto y la capacidad de bodegas, pueden presentarse limitaciones en la eslora, por ejemplo debido a las necesidades de maniobra en un puerto determinado, en la manga, por el tránsito por un canal, en el calado por la profundidad disponible en puerto, …

Limitaciones dimensionales Las dimensiones principales (y otras características) del buque están sometidas a determinadas limitaciones que pueden ser específicas del astillero (por dimensiones de las gradas o diques de construcción) o genéricas (por el tráfico del buque). Las limitaciones dimensionales pueden imponer una restricción en la eslora, manga, calado o puntal, o bien en varias de estas dimensiones. Una limitación en la eslora puede ser impuesta por las dimensiones de los canales o muelles. También puede aparecer por la necesidad de virar el barco en un paso estrecho. En cualquier caso es importante reflexionar profundamente sobre las consecuencias de esta limitación, en el caso de que esta pueda llevar a una eslora menor que la que sería deseable si no existiera esta limitación.


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Adicionalmente, se han de considerar las restricciones que pueden introducir los distintos reglamentos (Sociedades de Clasificación, Autoridades Nacionales u Organismos Internacionales). Existen otras limitaciones, como el calado aéreo para el paso del buque bajo puentes, o para el astillero constructor producidas por obstáculos en el recorrido del buque durante la botadura o salida al mar.

Figura 1. Limitaciones de los principales canales y calados máximos de puertos para graneleros. Fuente: R. Alvariño, J.J. Azpíroz y M. Meizoso. El proyecto básico del buque mercante. FEIN. Madrid 1997.

La Dimensión Crítica En el momento de fijar los requisitos de un diseño, y más a la hora de convertir estos en un diseño, es muy importante identificar cuál de esos requisitos puede convertirse en crítico. En general identificaremos como crítica una sola dimensión, aunque lo habitual es que una o más dimensiones sean o puedan ser críticas. Por ejemplo, la velocidad es habitualmente un aspecto crítico en el proyecto del buque, que normalmente obliga a un cuidadoso diseño de formas, con el objeto de reducir al máximo la resistencia al avance. Por ello, cuando, por ejemplo, digamos que el peso es la dimensión crítica, estamos realmente hablando de la dimensión más crítica, lo cual presupone que la velocidad será seguramente también una dimensión crítica.


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Buques de Peso El peso (desplazamiento) es un aspecto crítico para la mayoría de los barcos (aunque, como en todo, existen excepciones). En cualquier proyecto, el diseñador ha de lograr que el empuje (dado por el volumen de la obra viva) sea, como mínimo, igual al peso muerto más el resto de pesos inevitables para el buen funcionamiento del buque y que todo el volumen del buque permita ubicar toda la carga y los restantes servicios del buque. Es por ello que el peso será un aspecto dominante en aquellos barcos cuya carga sea especialmente “pesada” en relación al espacio que ocupará, es decir la densidad de la carga será elevada. Denominaremos Buques de Peso a aquellos que, por transportar cargas muy densas o de bajo coeficiente de estiba, tienen como condicionamiento más restrictivo el peso. Un ejemplo extremo de este tipo de barcos sería un transporte de mineral de hierro. La decisión sobre si un buque tendrá como condicionante crítico el peso o no, puede tomarse simplemente analizando el tipo del buque, o de manera más precisa analizando el valor límite de la densidad de carga (LDC) que se define como la relación entre el peso muerto de la carga y el volumen de los espacios de carga:

carga total

carga total

carga totalcarga

total

DWT DWTDWT DWTLDC =

×∆

=∇ ∇∇ ×∇ ∆

Ecuación 1. Cálculo de la densidad de carga

Llegados a este punto es importante recordar que se denomina peso muerto (DWT) al peso de la carga, pasaje, tripulación, pertrechos y consumos, es decir, el resto del desplazamiento que no pertenece a la partida de peso en rosca. Si denominamos CB al coeficiente de bloque hasta el calado T y C’B al coeficiente de bloque hasta el puntal D, podemos rescribir la Ecuación 1 como:

carga total

carga total

cargacarga

total

DWT DWTDWT DWT

LDC=

1025B

B

C DC T

× ∆ =∇∇ ′ ×

× ∇ × ×

Ecuación 2. Cálculo de la densidad de carga

La Ecuación 2 nos ofrece una forma de determinar cuándo un buque tendrá como condicionante crítico el peso. El procedimiento consiste en estimar los diferentes parámetros1 de la Ecuación 2 a partir de datos disponibles de construcciones típicas. Si la densidad de la carga del buque es mayor que el valor LDC calculado, el peso será crítico en el proyecto.

1 Si no se conoce un valor más aproximado de la relación DWTcarga/DWTtotal, puede tomarse un valor en torno a 0.90.


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En las tablas siguientes se muestran las relaciones características entre pesos y volúmenes para algunos tipos de buques. Peso muerto

totalDWT Relación Peso muerto / Desplazamiento

totalDWT∆

Buques tanque y graneleros 20 000 ton 0.79 100 000 ton 0.85 200 000 ton 0.87 Portacontenedores (CB de 0.65 a 0.72) 15 000 ton 0.71 30 000 ton 0.74 100 000 ton 0.78

Tabla 1. Relación Peso muerto/Desplazamiento para diferentes tipos de buques. Referencia [2]. Capacidad de carga

carga∇ Capacidad de carga / Volumen de carena

carga

total

∇∇

Buques tanque 40 000 ton 0.65 100 000 ton 0.67 200 000 ton 0.675 Portacontenedores (CB de 0.65 a 0.72) 20 000 ton 0.58 50 000 ton 0.585 100 000 ton 0.595

Tabla 2. Relación Capacidad de carga/Volumen de carena para diferentes tipos de buques. Referencia [2].

Tipo de buque Relación calado puntal

TD

Buques tanque 0.78 Buque de carga general 0.70 Buques graneleros 0.73

Tabla 3. Relación Calado Puntan para diferentes tipos de buques. Referencia [2]. Por otra parte, es posible estimar aproximadamente el valor de C’B, a partir del coeficiente de bloque CB, usando la siguiente relación.

( ) 0.813B B BD TC C CT−′ = + −

Dado que los buques de peso “no tienen problemas de capacidad”, el principal condicionante dimensional es el calado. Los buques de peso se proyectan para conseguir, con el mínimo volumen, el máximo calado (T), o lo que es lo mismo el mínimo francobordo permitido. En general, son buques de peso muerto:


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o Graneleros de sólidos. Especialmente los transportes de carbón y mineral, con densidades superiores a 1 Tm/m3.

o Petroleros de crudo y productos, con densidades cercanas a la unidad. o Quimiqueros, con densidades superiores a la unidad. o Graneleros combinados (OBO = Ore-Bulk-Oil o Mineral-Grano-Petróleo y OO = Ore-

Oil o Mineral-Petróleo).

Buques de volumen Denominaremos Buques de Volumen a aquellos buques que, por transportar cargas poco densas o de alto coeficiente de estiba, tienen como condicionamiento más exigente el volumen de bodegas o de tanques de carga (ver Figura 2). Podemos entonces decir en términos coloquiales que estos buques “sólo tienen problemas de capacidad”. La solución más económica del diseño, en estos casos, consiste en aumentar el puntal del buque hasta conseguir el volumen de carga necesario. Un aspecto concreto que puede provocar que el volumen se convierta en crítico es la necesidad de proveer espacio para usos adicionales, como por ejemplo para la acomodación de pasaje o la disposición de algún elemento de maquinaria especial. Estos buques se proyectan prescindiendo de los condicionantes de pesos/calado, es decir, haciendo caso omiso del francobordo, pero analizando con sumo cuidado los problemas de estabilidad del buque intacto. Es evidente que si el barco necesita espacio, la solución de diseño más inmediata (y también la más económica) consistente en aumentar el puntal. Este aumento del puntal está limitado por los requisitos de estabilidad del buque, que tendrán que considerarse con cuidado. Conviene por lo tanto controlar el valor de la relación B/D (estabilidad) por encima de un valor mínimo lo que puede obligar a aumentar L/B. En resumen, debe seguirse un proceso iterativo iniciado con el aumento de la dimensión “más económica” (D), corrigiendo las salidas de rango de B/D con aumentos de B y manteniendo L en el mínimo compatible con una explotación eficiente (resistencia al avance razonable).

Figura 2. Buques de peso muerto y volumen En general, son buques de volumen:

o Cargueros y polivalentes. Los cargueros clásicos están en la frontera entre los buques de peso y los de volumen. Sin embargo, los buques polivalentes, han de estar preparados para poder transportar cargas muy ligeras y voluminosas.

o Madereros.


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o Transportes de gas licuado (LNG = Liquefied Natural Gas y LPG = Liquefied Petroleum Gas). Los problemas de estos proyectos son muy específicos, debido sobre todo a las bajas temperaturas de transporte, que pueden llegar a -162ºC.

Buques en los que la velocidad es crítica Como ya se ha mencionado, la velocidad es usualmente uno de los parámetros más críticos del proyecto del buque. Sin embargo, en los denominados buques rápidos la velocidad aparece como un aspecto especialmente limitante o muy crítico. Para este tipo de barcos, las formas y en especial la eslora están restringidas por la necesidad de alcanzar una velocidad. En realidad sería posible diseñar un buque con el mismo desplazamiento y espacio de carga, y una menor eslora (y por lo tanto más económico de construcción) pero la eslora mínima admisible estará ligada a alcanzar la velocidad especificada de una manera económica. Es por ello que el proyecto definitivo, de este tipo de buques usualmente tendrá una cierto volumen de espacio extra, al que habrá de buscar utilidad. Por otro lado la velocidad que el buque podrá ofrecer estará ligada a un determinado mar, por lo que las características de comportamiento en la mar del buque serán también de vital importancia.

Otras dimensiones críticas Podríamos decir que el área de cubierta es la dimensión más crítica para buques como los transportes de vehículos y trenes (car and train carriers), aunque también podríamos decir que en estos casos la longitud de garaje o incluso la estabilidad son los condicionantes más críticos. Las dimensiones principales (L,B,D) son críticas en los portacontenedores. Estas dimensiones se deben fijar en función de las dimensiones de los contenedores, con el objeto de maximizar la capacidad de transportarlos. Por último en ferries o cruceros, la estabilidad se presenta como un elemento crítico, que limita el número de cubiertas que pueden disponerse, y por tanto determina las dimensiones del buque.

Dimensionamiento A continuación presentaremos algunas reglas generales, criterios y procedimientos básicos para llevar a cabo el dimensionamiento del buque, en los casos principales que se corresponden con las situaciones ya mencionadas en las que la dimensión crítica es el peso o el volumen.

Ecuaciones para buques de peso Las dimensiones para un buque cuyo diseño está definido por su desplazamiento, están ligadas por la siguiente relación:

( )1BC L B T sρ∆ = ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ + Donde ρ es la densidad del agua (1 025 Kg/m3 para el agua de mar) y s es el desplazamiento del forro del casco y de los apéndices. Es importante hacer notar, que a la hora de dimensionar este tipo de barcos vamos a asumir que el desplazamiento es un dato (especificación). Esto nos obliga a estimar desde un primer momento el desplazamiento del buque de la manera más


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exacta posible. Una explicación detallada de cómo se puede calcular el desplazamiento puede encontrarse en la referencias [2], [3] y [4]. A partir de la anterior ecuación es posible obtener la siguiente relación:

( ) ( )( )

1/32/ /(1 ) /B

L B B DL

s C T Dρ

∆ ⋅ ⋅=

⋅ + ⋅ ⋅

Esta relación, nos permite obtener la eslora del buque a partir de las relaciones entre los coeficientes principales y una estimación del coeficiente de bloque. Lo habitual es obtener las relaciones entre los coeficientes a partir de regresiones estadísticas de datos disponibles, mientras que el coeficiente de bloque habitualmente de criterios de minimización de la potencia. En ocasiones, cuando el peso muerto del buque es conocido, es posible utilizar alguna de las siguientes expresiones para la obtención del desplazamiento del buque:

D

DWT LWTDWT

K

∆ = +

∆ =

En ellas DWT es el peso muerto total, LWT es el peso en rosca y KD es la relación entre peso muerto y desplazamiento. La primera de ellas puede utilizarse en el caso de buques poco convencionales, y siempre y cuando se disponga de información suficiente como para poder determinar con suficiente aproximación el peso en rosca a partir de datos dimensionales. La segunda de las ecuaciones requiere obtener el valor de KD a partir regresiones estadísticas. Lamentablemente, es habitual que los datos de esta relación tengan una gran dispersión, por lo que en la práctica, esta ecuación será poco exacta. Para obtener el desplazamiento total del buque, es necesario añadir una corrección al denominado desplazamiento de trazado. Esta corrección incluye el peso del forro del casco y los apéndices. En una primera aproximación y para barcos de una sólo línea de ejes, este incremento de desplazamiento puede estimarse en un 0.5% del desplazamiento de trazado. Una aproximación más exacta puede obtenerse de las siguientes fórmulas:

Desplazamiento del forro = ( )1

2·380

t L∆ , donde t es el espesor medio del forro en mm.

Desplazamiento del timón = 3

20.13· RA , donde AR es el área del timón en m2.

Desplazamiento del propulsor = 30.01d , donde d es el diámetro del propulsor.

Ecuaciones para buques de volumen La ecuación básica que liga las dimensiones de un buque cuya aspecto crítico es el volumen es:

H B CC L B D′∇ = ⋅ ⋅ ⋅ Donde ∇H es el volumen de trazado del buque bajo la cubierta principal, C’B es el coeficiente de bloque al puntal de trazado y DC es el puntal efectivo (al que hay que añadir el arrufo y la brusca medias de la cubierta). Es importante hacer notar, que a la hora de dimensionar este tipo de barcos vamos a asumir que el volumen ∇H (especificación). Esto nos obliga a estimar desde


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un primer momento esta dimensión del buque de la manera más exacta posible. Una explicación detallada de cómo se puede calcular este volumen puede encontrarse en la referencia [2]. A partir de la ecuación anterior podemos derivar la siguiente relación:

( ) ( )1/32/ /H

B

L B B DL

C

∇ ⋅ ⋅=

′

Al igual que en el caso anterior, esta relación, nos permite obtener la eslora del buque a partir de las relaciones entre los coeficientes principales y una estimación del coeficiente de bloque C’B al puntal. Como ya se ha mencionado anteriormente, es posible estimar aproximadamente el valor de C’B, a partir del coeficiente de bloque CB, usando la siguiente relación.

( ) 0.813B B BD TC C CT−′ = + −

Para obtener la eslora usando las ecuaciones anteriores, lo habitual es obtener las relaciones entre los coeficientes a partir de regresiones estadísticas de datos disponibles, mientras que el coeficiente de bloque habitualmente de criterios de minimización de la potencia.

Relaciones entre dimensiones Como ya hemos comentado, la eslora puede considerarse como la característica reina, que en el caso que nos ocupa está vinculada a la ecuación que liga las relaciones dimensionales con la dimensión crítica del proyecto. En lo que se refiere al resto de dimensiones, a partir de regresiones estadísticas podemos obtener las siguientes:

( )( )( )

( )( )( )

,

,

,

B f L T f D

D f B T f L

D f L T f B

= =

= =

= =

De las cuales habremos de seleccionar 3, que serán las que nos permitan resolver la ecuación básica. La elección de esas tres relaciones dependerá de qué aspectos del proyectos sean más prioritarios, y por lo tanto deban ser controlados. Para ayudar a esta elección se comentan a continuación algunos criterios para seleccionar una u otra relación.

o La relación entre puntal y manga está vinculada con la estabilidad, puesto que KG depende del puntal y KM es función de la manga. Cuando la estabilidad sea un condicionante en el diseño, la elección de esta relación, nos permitirá controlar los valores obtenidos y en caso necesario limitar el valor. Como referencia se puede tomar un valor B/D = 1.5 para barcos “poco estables”, mientras que valores en torno a 1.8 indican una “buena” estabilidad.

o La relación entre calado y puntal está vinculada al francobordo del buque y por tanto es una medida de las imposiciones del convenio sobre líneas de carga. Actualmente el cálculo del francobordo de un buque es muy sencillo, gracias a los programas informáticos disponibles, por lo que esta relación puede ser sustituida por cálculos más exactos, en el caso de que se requiera algo más que una mera estimación.


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Coste Construcción Coste Operativo Casco Maquinaria

Incremento L Se incrementa el peso de la estructura y por lo tanto el coste de construcción de manera muy importante.

Se reduce la potencia necesaria y los costes asociados, al menos para Fn reducidos.

Se reduce el coste y el consumo de combustible.

Incremento B Se incrementa el coste de construcción (pero de manera menos importante que con L).

Se incrementa la potencia y los costes asociados.

Se incrementa.

Incremento D y T Se reduce el coste de construcción.

Se reduce la potencia y los costes asociados, si va asociado a una reducción de L.

Se reduce.

Incremento CB Forma más económica para incrementar el desplazamiento y el peso muerto.

Se aumenta la potencia. Por encima de cierta relación entre Fn y CB se produce un muy importante aumento de la potencia necesaria. Existe una combinación de CB y CM de resistencia mínima.

Se incrementa.

Incremento CP No tiene una influencia significativa.

Se aumenta la potencia. Se considera el parámetro más definitorio de la resistencia al avance.

Se incrementa.

Tabla 4. Criterios de optimización de las dimensiones principales.


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o La relación entre puntal y eslora tiene influencia en la resistencia longitudinal del buque. Considerado este como una viga, el aumento de la relación L/D, disminuye el alma, y por lo tanto aumenta las tensiones producidas por los momentos flectores.

o La relación entre calado y eslora, y calado y manga suelen considerarse como secundarias. En su lugar es habitual utilizar la relación calado / puntal en combinación con otras relaciones. Como apunte interesante cabe decir que elevadas relaciones de L/T reducen la posibilidad de que el barco sufra pantocazos. Por su parte la relación manga / calado tiene cierta influencia en la estabilidad inicial y en la resistencia al avance.

o En cualquier caso, es necesario asegurar que las relaciones disponibles no tengan una incertidumbre excesiva. En caso de utilizar regresiones estadísticas de datos propios, sería recomendable no utilizar aquellas relaciones cuyo coeficiente de correlación sea menor de 0.6.

Finalmente se incluye una tabla, en la que se presentan algunos criterios para optimización del proceso de elección de las dimensiones principales. Estos criterios deben tenerse en cuenta cuando a lo largo del proceso de diseño, se considere la modificación de alguna de estas dimensiones.

Estimación de CB La utilización de las ecuaciones básicas de dimensionamiento, presentadas anteriormente, requieren de la determinación del coeficiente de bloque del proyecto. A continuación se presentan unas fórmulas que pueden servir para ese propósito. La fórmula de Alexander (1962) es la más conocida de las expresiones que permiten estimar el valor del coeficiente de bloque.

0.5·3.28·B

VC KL

= −

Donde L es la eslora en metros y K puede variar entre 1.03 para buques rápidos y 1.12 para buques lentos. Esta fórmula tiene en cuenta criterios hidrodinámicos y de capacidad de carga. Diversos autores han obtenido fórmulas que relacionan el coeficiente de bloque con el número de Froude. A continuación se muestra una de ellas, que ha sido obtenida de un análisis estadístico de datos.

11 23 1000.70 tan8 4B

FnC radianes− − = +

Estimación de otros parámetros de formas A continuación se listan una serie de fórmulas que permiten estimar diferentes parámetros de formas. CM: Fórmula de Kerlen (influye en la resistencia al avance)

-3.56M BC =1.006-0.0056 C⋅

CP: Fórmula de Troost (influye drásticamente en la resistencia al avance)


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P nC =1.2-2.12 F⋅ XCC: Fórmula de Troost en % de la Lpp respecto a la cuaderna maestra (determina los trimados)

CC BX 17.5 C 12.5= ⋅ −

LCC: Longitud del cuerpo cilíndrico (influye en los costes constructivos). La siguiente fórmula ofrece un valor recomendado que pondera aspectos hidrodinámicos y económicos.

2B B PPLCC 658 1.607 C 914 C L = − + ⋅ − ⋅ ⋅

Dimensionamiento Básico

1. Elección del parámetro crítico para el diseño. Más específicamente, determinar si el buque es de volumen o de peso. Una vez determinado este aspecto, se tendrá la ecuación básica que liga a las dimensiones principales.

2. Realización de una base de datos de referencia de buques similares al objeto del

proyecto. Esta base de datos debe contener al menos las dimensiones básicas de los buques, aunque cualquier información adicional como factores de formas puede ser de gran utilidad. Un ejemplo de esta base de datos se presenta a continuación:

3. Establecer las relaciones entre los diferentes parámetros adimensionales básicos a partir de regresiones estadísticas de las entradas de la base de datos anterior. Además es necesario seleccionar tres de estas relaciones, entre el siguiente conjunto de seis, que pueden ser obtenidas.

( )( )( )

( )( )( )

,

,

,

B f L T f D

D f B T f L

D f L T f B

= =

= =

= =

4. Si no es conocido como especificación, llegado a este punto es necesario fijar el valor

de la dimensión crítica del proyecto (volumen o desplazamiento). Esta dimensión puede

NOMBRE LOA LBP B T D DWT AÑO VOL. VEL. BHP

ARCTIC I 98.9 95.9 12.9 5.9 7.5 4233 1969 4544 12 4320IKAN DURI 94.0 90.5 14.9 5.8 8.1 4260 1981 4104 14 3900JERSBEK-LASBEK 91.7 89.0 14.2 5.7 7.1 3852 1982 3802 13 2450KOPEX 100.0 98.0 16.0 6.2 7.9 5324 1979 6000 13 4000LUCY P.G. 102.0 93.6 14.1 5.2 6.5 4080 1974 4741 13 2500MATAGRIFONE-MESSANA 86.5 84.0 15.7 8.3 11.3 4470 1991 5050 13 3200NANCY ORR GAUCHER 105.0 103.4 12.6 5.9 7.5 4675 1967 5000 13 4350NORDIC TIGER 86.0 83.5 13.0 5.5 7.8 3889 1981 4312 12 1950POLISAN I 96.0 94.5 14.0 5.1 6.3 3506 1974 3355 14 2800PROOF GALLANT 90.2 89.0 14.5 5.7 8.0 3726 1980 3778 12 2400REINBEK-RODENBEK 91.7 89.5 14.0 5.7 7.3 3914 1982 3802 13 2450SARA THERESA 82.7 81.5 13.4 6.1 7.6 3500 1974 3801 11 2400SARIBAY 97.8 96.3 14.2 5.4 6.8 3660 1980 3841 13 2250STOLT MAPLEWOOD 91.2 89.1 14.5 5.5 6.8 3560 1976 3738 11 3600TRANS BORG 101.4 98.5 16.4 6.2 7.9 5280 1980 5550 13 3450TSUTA MARU Nº1 104.0 102.0 16.0 6.3 7.9 5495 1983 5385 13 3300UNITED TONY 88.0 86.6 13.4 5.9 7.5 4165 1982 4861 12 1950


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ser solamente una primera aproximación que puede ser corregida más adelante al avanzar en la espiral de proyecto, pero cuanto más exacto sea su valor mayor credibilidad podemos dar a los resultados obtenidos en esta fase de dimensionamiento. Cómo primera aproximación de este dato pueden también utilizarse regresiones estadísticas entre buques similares al que es objeto del proyecto.

5. Estimar un primer valor de la eslora, y a partir de él, y mediante las relaciones entre los

diferentes parámetros obtenidas en 3, hacer una primera evaluación tentativa de las dimensiones principales. Asimismo se ha de hacer una estimación del resto de relaciones adimensionales y parámetros de formas del buque (al menos el coeficiente de bloque es imprescindible) a partir de nuevas regresiones o mediante fórmulas de base empírica. En el caso de elaborar nuevas regresiones, se ha de tener en cuenta que los errores cometidos por su uso pueden ser mucho mayores.

6. Actualizar el valor de la eslora, utilizando la ecuación básica que liga las dimensiones

del proyecto. Si este nuevo valor no es lo suficientemente cercano al estimado en 5, es necesario reevaluar el resto de relaciones y repetir el proceso hasta la convergencia.


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Diseño de Formas La definición de formas de un buque es un aspecto de suma importancia, por sus múltiples implicaciones en diferentes aspectos del proyecto. Tradicionalmente, el aspecto principal que se ha estudiado en el proyecto de formas es el cumplimiento de la velocidad contractual. En este sentido hay que señalar que la consecución de unas formas óptimas desde este punto de vista (hidrodinámico) se enfrenta habitualmente a los condicionantes económicos o a la necesaria capacidad de carga. El diseño de formas se iniciará cuando se ha llegado a una situación en la que es necesario tener el plano de formas del buque:

o Como base para el desarrollo de la Disposición General. Este aspecto es más crítico para buques finos, en los que la Disposición General aproximada es más compleja.

o Para la disposición y cubicación de tanques y espacios de carga. o Para el cálculo de las curvas hidrostáticas, determinación del trimado y estudio de la

estabilidad. o Para la determinación de algún valor necesario para el cálculo de pesos, centro de

gravedad o estimación de costes. o Para en inicio de los ensayos en canal.

El diseño de formas se enfrentará a la consecución de diferentes objetivos:

o Obtención del desplazamiento y calado de proyecto. o Obtención de los espacios de carga y volúmenes de tanques requeridos. o Obtención de las áreas de cubierta para disponer los diferentes elementos. o Cumplir con los requisitos de minimización de potencia: mínima resistencia al avance,

buen rendimiento del casco y posibilidad de disponer la hélice y el timón con los huelgos apropiados para evitar problemas de vibraciones.

o Cumplir con los requisitos de buen comportamiento en la mar y buena maniobrabilidad. o Una situación de XCC que permita tener un trimado satisfactorio en cada situación de

carga. o Disponer de un KM para los calados de operación que asegure una estabilidad

suficiente. o Evitar discontinuidades o diseños que dificulten el diseño estructural. o Que las formas resulten beneficiosas desde el punto de vista constructivo (desarrollables

y sin curvaturas complejas). o En muchos casos es un requisito importante el que las líneas tengan una componente

estética atractiva. Los anteriores objetivos han de ser ordenados por prioridad, pues difícilmente podrán alcanzarse plenamente. El proceso de diseño de formas puede dividirse en tres fases, organizadas esquemáticamente, tal y como se muestra en la Figura 3:

o Definición de los Parámetros de Forma. Donde se lleva a cabo una elección de dimensiones y parámetros de forma, así como una definición de los criterios específicos de diseño y de la jerarquía de los mismos o la definición de una cifra de mérito.

o Definición de las formas. o Evaluación técnica.


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Figura 3. Esquema del proceso de diseño de formas.

Definición de los Parámetros de Formas Su definición inicial se ha llevado a cabo junto al dimensionamiento del buque. El resultado de este proceso debe ser un conjunto de dimensiones principales y coeficientes de carena. En el caso típico, conoceremos: Lpp, B, T, Cb, Cp, Cm, Cwp y Xcc.

Definición de las Formas Existen tres procedimientos para llevar a cabo el trazado de las formas del buque:

o Derivación de formas, a partir de un buque considerado bueno para los criterios primarios

o Generación de formas, a partir de los parámetros principales o Series sistemáticas (desarrolladas por canales de experiencias y astilleros)

Derivación de formas La derivación de formas requiere de la elección de unas formas base que sean buenas para los criterios primarios y que posean parámetros de forma similares a los que se han definido como objetivo. Para llevar a cabo esta derivación se pueden utilizar:

o transformaciones geométricas simples disponibles en programas CAD


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o transformaciones geométricas complejas, disponibles en programas especializados de generación y derivación de formas

Las operaciones disponibles para la derivación de formas no permiten cualquier transformación. Las operaciones básicas que se pueden llevar a cabo son:

o Transformación afín. Cambio de dimensiones principales => Cambio en los coeficientes de forma

o Incremento longitud del cuerpo cilíndrico => Cambio en los coeficientes de forma o Modificación de Cp, manteniendo constantes las dimensiones principales => Cambio en

el resto de los coeficientes de forma o Modificación de Cb, manteniendo constantes Cm y las dimensiones principales =>

Cambio en el resto de los coeficientes de forma El buen criterio al aplicar iterativamente las operaciones anteriores debe permitir obtener unas formas que cumplan con los objetivos marcados.

Generación de formas La generación de formas debe partir de la definición de los parámetros y características principales de las formas. Las principales herramientas informáticas disponibles para llevar a cabo este procedimiento pueden agruparse en tres tipos:

o generadores de formas analíticas 3D (FORAN) o generadores de formas analíticas 2D + alisado 3D o generadores cuasi automáticos de formas 3D con control de alisado (MAXSURF)

Series sistemáticas de formas Las series sistemáticas son estudios sistemáticos de formas, llevados a cabo por canales de ensayos o astilleros. Los resultados se expresan en función de ciertos parámetros básicos (L/B, B/T, CP, ...). Existen unas pocas series libres y la mayoría de los grandes astilleros posees series propias. En el rango de aplicación de la serie se puede conocer aproximadamente la resistencia al avance del buque, por interpolación de los datos experimentales disponibles. Para definir unas formas basadas en una serie sistemática es necesario partir de los parámetros principales de formas. A partir de ahí, el proceso es una simple elección de las formas más cercanas a los objetivos definidos, de entre el abanico de opciones disponible. Las series sistemáticas publicadas más conocidas, junto con su rango de aplicación son:

Serie 60. (0.16<Fn<0.29, 0.6<Cb<0.8, ...) HSVA. (0.15<Fn<0.80, Cp=0.645, ...) NSBM. (0.0<Fn<1.4, 0.35<Cb<0.50, ...) MarAd. (0.13<Fn<0.18, 0.80<Cb<0.875, ...)

Evaluación Técnica Esta fase del diseño de formas requiere la evaluación del diseño actual, teniendo en cuenta los objetivos definidos. Esto obliga a estudiar/determinar, al menos, los siguientes aspectos:


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o Determinación de la resistencia al avance. Que puede llevarse a cabo mediante ensayos

experimentales, métodos estadísticos, métodos numéricos o mediante el uso de series sistemáticas.

o Cálculos de arquitectura naval. La mayoría de los programas de generación y derivación de formas incluyen módulos de cálculo, que permiten evaluar este aspecto.

o Estimación de la capacidad de carga. A partir de una distribución de los espacios, puede estimarse la capacidad de carga.

o Interacción con la hélice. o Evaluación del comportamiento en la mar. o Estudio de la curva de áreas seccionales.

Una vez que se han evaluado todas esas características, se ha de comprobar si los objetivos definidos han sido alcanzados con suficiencia. En caso negativo, es necesario redefinir los coeficientes de formas para tratar de mejorar aquellos aspectos cuyo cumplimiento es necesario. Esta redefinición ha de hacerse teniendo en cuenta los efectos principales que la modificación de una magnitud puede tener. Estos ya han sido comentados en apartados anteriores, aunque se incluyen aquí algunos de ellos a modo de ejemplo:

o Coeficiente prismático Cp. Influencia en la resistencia del buque. Se recomienda reducirlo (y comprobar su efecto en Cm), si hay que disminuir la resistencia al avance.

o Relación B/D. Influencia en la estabilidad inicial. Se recomienda aumentarla, si hay mayores exigencias de estabilidad.

o Relación L/B. Influencia en la maniobrabilidad. Se recomienda reducirla si se quiere mejorar la facilidad de evolución.

o Relación L/T. Puede dar una idea de la frecuencia de pantocazos de la carena. Se recomienda aumentarla, si se quiere disminuir esta frecuencia.

Es importante mencionar que la modificación de un parámetro no debe ser nunca drástica, pues además del efecto principal, pueden aparecer otros comportamientos indeseables en el diseño. Es evidente que este proceso de toma de decisiones es muy compleja si hay múltiples criterios de diseño y requiere de una gran experiencia del proyectista. Como alternativa, es posible definir un esquema de proyecto de formas diferente. Este esquema se basa en definir un espacio muestral de parámetros de forma, como variaciones de una solución base. Todas estas alternativas son evaluadas técnicamente y se elige la mejor de ellas, de acuerdo a los criterios (comparación de alternativas).


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Introducción a la Teoría del Buque La hidrodinámica aplicada al buque constituye la parte más significativa de la teoría del buque presenta una gran complejidad en su estudio para buques que navegan en superficie. El hecho de navegar en la separación de dos fluidos (agua y aire) complica de manera importante su análisis. Estas dificultades en el estudio teórico se han intentado suplir de una manera experimental. La experimentación con modelos a escala tuvo sus comienzos en España en el siglo XVIII con los trabajos de Jorge Juan, el cual realizó trabajos en Cádiz y Aranjuez. Estos trabajos se publicaron en 1771 bajo el nombre de “Examen Marítimo”, siendo considerado el primer libro sobre Construcción Naval. La experimentación con modelos empezó a tomar un carácter sistemático a partir de los ensayos de Willian Froude, el cual enuncio las leyes de semejanza mecánica, que aún hoy en día constituyen la base de los ensayos en canales de experiencias. En los siguientes apartados se incluye un resumen de algunos conceptos básicos de teoría del buque.

Descomposición de la Resistencia al Avance Tradicionalmente, el estudio de la resistencia al avance del buque se ha basado en considerar que esta se compone de una serie de partidas que se integran de manera aditiva. En general, la más importante de estas componentes de la resistencia al avance de un barco es la resistencia viscosa. Esta resistencia se puede descomponer a su vez en dos partidas: la resistencia por fricción y la resistencia de presión por fricción. La primera de ellas2 produce por la fricción directa entre el agua y el casco. Como es sabido, el agua no desliza sobre el casco, sino que una delgada lámina de agua permanece pegada a la obra viva. Junto a esta lámina podemos imaginar otra que es arrastrada por la primera, pero que por efectos de la viscosidad del fluido no es solidaria a aquella, sino que avanza a una velocidad ligeramente menor. Así, a medida que nos alejamos del buque, nos encontramos con láminas de agua cada vez menos influidas por el avance del barco, hasta que a una cierta distancia del casco, el agua no es influida por el movimiento de la embarcación. La Figura 4 muestra las distribuciones típicas de esta variación de la velocidad del agua, a medida que nos alejamos del buque. La contribución de cada punto del casco a la resistencia de fricción (tracción o tensión tangencial del fluido, en inglés skin friction) es proporcional a la tasa a la que varía la velocidad del fluido a medida que nos alejamos del barco. Es evidente que dado que la resistencia por fricción actúa en la superficie del casco, la reducción de superficie mojada redunda en una disminución de esta componente de la resistencia.

2 Experimentalmente se demuestra que en buques nuevos de baja velocidad esa resistencia llega al 85% de la total y al 50% si se trata de un buque rápido.


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Figura 4. Esquema del comportamiento del flujo hidrodinámico alrededor de una carena tipo.

Aunque el cálculo de la resistencia por fricción de un casco requiere el uso de técnicas experimentales o numéricas, existen fórmulas experimentales, obtenidas para placas planas y otros cuerpos geométricos simples, que pueden ser de utilidad. La más conocida de ellas es la línea de fricción3 ITTC 57. Según esta curva, es posible calcular la resistencia friccional de una placa plana4, mediante la fórmula:

( )( )210

0.075log 2

FCRn

=−

Ecuación 3. Línea de fricción ITTC 57.

Donde CF es el coeficiente adimensional de fricción5, definido a partir de la resistencia por fricción RF, por la relación:

212

FF

RCSVρ

=

Ecuación 4. Definición del coeficiente de fricción. Por su parte, la resistencia de presión por fricción se debe a un desequilibrio en las fuerzas de presión sobre el casco que se produce por fenómenos viscosos. La Figura 5 muestra tres configuraciones típicas de la distribución de presión a lo largo de una línea de corriente sobre el casco del buque. La primera de estas curvas corresponde a un caso ideal en el que no existieran fenómenos viscosos (un fluido sin viscosidad que produce un flujo potencial). En ese caso la distribución de presión está equilibrada, de manera que su integral sobre el casco es nula (es decir, la resistencia de presión por fricción en un fluido sin viscosidad es nula). El efecto de la viscosidad sobre la distribución de presión se muestra en las siguientes curvas. En ellas se aprecia el desequilibrio que se produce en esta distribución, lo que provoca la

3 Esta línea de fricción fue tomada como estándar por la Internacional Towing Tank Conference en 1957. 4 Se entiende que la placa plana avanza por el fluido paralelamente a su propio plano, por lo que la única fuerza que experimenta es la resistencia por fricción. 5 La expresión de fuerzas mediante coeficientes adimensionales es muy común en ingeniería. Esta adimensionalización se hace dividiendo la fuerza por el coeficiente ½ ρSV2, donde ρ es la densidad del fluido (agua en nuestro caso), S el área mojada del modelo o buque, según corresponda y V su velocidad.


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aparición de resistencia. Un diseño adecuado de las líneas de agua del casco puede reducir apreciablemente esta componente de la resistencia. En este sentido es importante señalar que esta componente de la resistencia depende esencialmente de dos factores: las formas del casco y el número de Reynolds. Las recomendaciones más habituales para minimizar la resistencia de presión por fricción se basan en limitar las curvaturas de las líneas de agua del casco, así como el ángulo de entrada del agua en la línea de flotación6.

-0.6-0.4-0.200.20.40.60.811.2

012345678910

Flujo potencial (sin viscosidad)Flujo típico sin separaciónFlujo típico con separación

Figura 5. Distribuciones típicas de presión sobre una línea de corriente del casco

(estación 10 en proa y 0 en popa). Es muy importante tener en cuenta que el coeficiente de forma del buque que más influye en la resistencia viscosa es el coeficiente prismático CP. A medida que aumenta, más llenas son las formas del casco, y en particular las de popa. Este efecto, junto con el consiguiente aumento de las curvaturas de las líneas de agua del casco, influye de manera muy significativa en el aumento de la resistencia de presión por fricción. Es habitual descomponer la resistencia viscosa, definida por el coeficiente adimensional7 CV, en función del coeficiente de fricción de una placa plana, en la forma:

( ) ( )( )( )2

10

0.0751 1log 2

V FC k C kRn

= + = +−

Figura 6. Descomposición típica de la resistencia viscosa. Donde k es el denominado factor de forma que se asume depende exclusivamente de la geometría del casco y que toma en consideración la resistencia de presión por fricción8 y la

6 Como curiosidad, hay que mencionar que la componente de resistencia de presión por fricción de una placa plana es nula (pues la superficie que se opone al agua es nula). 7 Adimensionalizado en la forma clásica, a partir de la resistencia viscosa RV, por:

212

VV

RCSVρ

=

8 Algunos autores sugieren que en realidad sólo se toma en consideración una proporción de esta resistencia de presión por fricción, e incluso otros asumen (erróneamente) que la resistencia viscosa excluye aquella. Esta se debe a dos hechos; por una parte la imposibilidad experimental de segregar las


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variación de resistencia por fricción debida a las diferencias geométricas entre una placa plana de superficie igual al barco y el propio barco. Esta descomposición tridimensional (k, Rn, Fn) se atribuye a Hughes. La segunda más importante componente de la resistencia al avance es la resistencia por formación de olas, cuya aparición se debe a la energía empleada en generar las olas y que es transportada por ellas. A bajas velocidades las olas generadas por el buque son de muy pequeña amplitud lo que implica que casi toda la resistencia es de carácter viscoso. Al aumentar la velocidad el patrón de olas cambia, se altera la longitud de onda y su altura. En este proceso hay una serie de velocidades de avance donde la crestas del sistemas de olas generado (ver Figura 7) se suman unas con otras (interferencia positiva) y otras velocidades donde las olas se cancelan (interferencia negativa). Teniendo en cuenta que la energía transportada por una ola depende del cuadrado de su amplitud, el efecto de interferencia provoca oscilaciones en la componente de resistencia por formación de olas.

Figura 7. Representación esquemática de la suma de los trenes de olas

transversales generados por el barco para Fn = 0.4 Como ya hemos señalado, el fenómeno de interferencia de los trenes de olas es capital en el comportamiento de esta componente de la resistencia. A modo de ejemplo, para números de Froude alrededor de 0.4, la longitud de las olas generadas por el barco es aproximadamente igual a su eslora. Esto provoca que la ola generada en proa y la de popa se amplifiquen (sumen) al coincidir sus crestas. Por el contrario para valores en torno a Fn = 0.34, la longitud de ola es aproximadamente 2/3 de la eslora, lo que provoca que la cresta de una coincida con el valle de la otra y se atenúen. Cuando el valle de la ola generada por la proa, coincide en la zona de popa, se induce un aumento del trimado dinámico del buque, por la depresión que se produce. Este efecto es más notorio para valores de Fn > 0.4. Dado que la resistencia por formación de olas aparece por la pérdida energética transportada por las olas, los fenómenos de interferencia de olas mencionados anteriormente tienen gran importancia. De hecho la atenuación de dos trenes de olas implicará una menor resistencia por formación de olas, mientras que su amplificación aumentará el valor de esta componente de la resistencia. componentes de la resistencia viscosa y por otro al hecho de que existe una significativa interacción entre la resistencia de presión por fricción y el resto de componentes de la resistencia, que invalida la descomposición aditiva clásica propuesta por Fn.

-2

-1.5

-1

-0.5

0

0.5

1

1.5

2

-0.200.20.40.60.811.21.41.6

Ola de ProaOla de PopaSuma


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En la práctica la resistencia por formación de olas no puede calcularse de manera experimental, por lo que suele hablarse en su lugar de la denominada resistencia residual que engloba a la resistencia por formación de olas y a los efectos de interacción de la resistencia de presión por fricción con el resto de componentes9.

Criterios Básicos de Diseño de Formas En este apartado vamos a comentar algunas de las características básicas de las formas de embarcaciones típicas, incluyendo algunas recomendaciones de diseño. Dada la complejidad de los fenómenos involucrados y la gran variedad formas que pueden generase, estas recomendaciones pueden no adaptarse a una gran variedad de casos, por lo que deben ser tomadas con precaución. Las discusiones y recomendaciones de diseño que se presentan tienen como objetivo principal (aunque no único) la reducción de la resistencia al avance del buque. Otras consideraciones de diseño se estudiarán con mayor detalle en otras lecciones del curso. En este sentido hay que tener en cuenta que las consideraciones de diseño que pueden influir en el trazado de las formas del buque son de lo más variado, e incluyen aspectos de estabilidad, capacidades, comportamiento en la mar o incluso criterios estéticos. A continuación vamos a discutir algunas recomendaciones de diseño de formas genéricas, para posteriormente presentar algunos criterios específicos de formas de veleros y embarcaciones planeadoras.

Análisis de las zonas de proa y popa Hay tres aspectos principales cuya disposición hay que considerar a la hora de trazar las formas de la proa del barco [5,6]. El primero de ellos es el semiángulo de entrada en la línea de flotación α (ver Figura 8). Un ángulo excesivo en esta zona puede provocar que las formas resultantes induzcan una transición temprana del flujo turbulento y por ello un aumento de la resistencia viscosa. Por otra parte, este ángulo influye de manera determinante en la forma de las secciones de proa y de la curva de áreas de cuadernas. Una fórmula que permite estimar el valor máximo recomendado de este ángulo es:

( ) 32 3125.67 / 162.25 234.32 0.1551 6.8 - /PP P P CC A FB L C C X T T Tα = ⋅ − + + +

Donde Lpp, B y T son la eslora entre perpendiculares, manga y calado respectivamente y Xcc la posición del centro de carena en relación a la eslora.

9 Como ya hemos dicho la descomposición propuesta originalmente por Froude: RT = RV(Rn) + RW(Fn) (resistencia total igual a resistencia viscosa más resistencia por formación de olas) no es válida, pues aparecen fenómenos de interacción entre las componentes, por lo que sería más correcto escribir RT = RV(Rn) + RW(Fn) + RI(Fn,Rn). En lugar de esta, se suele asumir (Hughes) que RT =(1+k)RV(Rn) + RR(Fn).


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Figura 8. Semiángulo de entrada en la línea de flotación.

También es posible encontrar en la literatura recomendaciones para el valor máximo de ese ángulo en función del coeficiente prismático. De esta forma para CP = 0.55 se recomiendan valores en torno a 8º, , para CP = 0.70 entre 10º y 14º y para CP = 0.8 valores en torno a 33º. El segundo de los aspectos mencionados al principio se refiere al abanico y lanzamiento. Éstos han de disponerse de manera que se disminuya el cabeceo y el embarque de agua.

Se recomienda que la roda forme, en su intersección con el plano de la flotación β (ver Figura 9), un ángulo entre 15 y 30º permitiendo de esta manera conseguir un ángulo de entrada del agua constante para una mayor zona de calados

El abanico en las formas de proa permite amortiguar el cabeceo del buque, debido a la fuerza hidrostática adicional generada por la inmersión de un mayor volumen en este movimiento. Por otra parte, un abanico excesivo puede provocar que las olas creen grandes momentos torsores en esta zona del buque, a la vez que incrementar la resistencia al avance por olas rompientes.

Figura 9. Ángulo de la roda en su intersección

con el plano de la flotación Una de las preguntas que hay que hacerse a la hora de diseñar las formas de proa del buque es si es interesante la disposición de un bulbo. En este sentido es importante tener en cuenta que la disposición de un bulbo en proa incrementa los costes de construcción. Otros aspectos que pueden ayudar a contestar esta pregunta son:

α

β


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o En determinados casos su disposición disminuye significativamente la potencia requerida.

o La experiencia indica que su disposición es ventajosa para buques rápidos con CB<0.626 y Fn>0.26.

o No parece que su disposición disminuya la resistencia en buques 0.625<CB<0.725 y CB >0.825

o Parece que hay ventajas para buques 0.725<CB<0.825 o En general, no existen criterios seguros para conocer si es apropiado o no disponer un

bulbo en proa y qué tipo de bulbo podría ser aconsejable (ensayos en canal). Finalmente, para el trazado de las líneas de proa, hay que considerar la disposición de formas de las secciones en U o V (ver Figura 10). A continuación se listan las ventajas genéricas de la disposición de formas en V, frente a las formas en U.

o Mayor volumen en las líneas de agua superiores o Mayor manga en flotación, lo que permite disponer de un mayor momento de inercia

del área de flotación y un centro de empuje más alto. Estos efectos incrementan la estabilidad del buque.

o Menor superficie mojada. o Menos superficies curvas, y menor superficie total, lo que disminuye los costes

constructivos. o Mejor comportamiento en la mar, debido a una mayor reserva de flotabilidad y menor

susceptibilidad al pantocazo. o Mayor superficie de cubierta.

Las formas en V tienen en contra una mayor resistencia por formación de olas (aunque la resistencia viscosa es menor, el total da un valor mayor que para las formas en U en el rango de 0.18 < Fn < 0.25). Experimentos realizados para comparar la resistencia al avance de buques similares pero con formas de proa diferentes [6], muestran las ventajas de las formas en V, para Fn < 0.18 y Fn > 0.25. Para Fn cercanos a 0.23 las formas en U marcadas son las de mejor comportamiento, mientras que en los rangos de transición son recomendable formas intermedias.

Figura 10. Formas de las secciones de proa en V (izquierda) y en U (derecha).


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Por su parte, el trazado de la zona de popa de la embarcación tiene gran influencia en el rendimiento propulsivo. Por una lado por su influencia en el fenómeno de separación del flujo y por tanto en la resistencia viscosa y por otro en el rendimiento del propulsor (en embarcaciones con propulsión por hélice), que es máximo con una estela homogénea [5]. Para el trazado de esta zona hay que tener en cuenta los siguientes aspectos:

Dar cabida a la/s hélice/s con una inmersión adecuada. Disponer de unos huelgos mínimos entre hélice, codaste y timón. Las SSCC imponen

unos requisitos mínimos de seguridad.

El trazado del final de las líneas de agua ha de hacerse de manera que se minimice la

separación y por lo tanto la resistencia viscosa. Para ello se recomienda que en ningún caso el semiángulo de estas líneas supere los 30º.

De igual manera, el trazado del final de los cortes paralelos a crujía ha de hacerse de manera que se minimice la separación y por lo tanto la resistencia viscosa. Para ello se recomienda que en ningún caso el ángulo de estas líneas con la horizontal no supere los 30º (aunque la experiencia indica que para ángulos superiores a 15º se produce separación). Esta misma limitación del ángulo es aplicable a los cortes verticales de las formas.

La disposición de una popa de estampa puede reducir la resistencia al avance10 e implica una mayor facilidad constructiva. Las recomendaciones básicas para la disposición de una popa de este tipo son:

o Fn < 0.3. El espejo debe comenzar en la línea de flotación, permitiendo una ligera inmersión en navegación.

10 La separación que se provoca en el espejo hace que el barco aparente ante el flujo tener más eslora de la real. Esto puede provocar una reducción de la resistencia por formación de olas por efecto de la interacción entre los trenes generados en proa y popa.


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o Fn ≅ 0.3. El espejo debe tener sólo una ligera inmersión. o Fn ≅ 0.5. La inmersión del espejo debe ser del orden de 10-15% del calado. o Fn > 0.5. La inmersión puede llegar al 15-20% del calado.

En buques Fn > 0.5, se suele disponer en el codaste, bajo el espejo un flan, que permite reducir el trimado dinámico de la embarcación y con él la resistencia al avance.

Curva de áreas seccionales La curva de áreas seccionales representa la posición de las cuadernas de trazado en abscisas y el área de la cuaderna hasta el calado en ordenadas (ver Figura 11). Habitualmente se dibuja en un formato estándar de proporciones 2x1, lo que permite su comparación con otros diseños existentes.

Figura 11. Curva de áreas de cuaderna típica.

Esta curva se ha utilizado tradicionalmente en canales de experiencias para estudiar la bondad de unas formas. Basados en ella, pueden enunciarse las siguientes recomendaciones.

El trazado de los hombros de proa y popa (uniones del cuerpo cilíndrico con los extremos de proa y popa) han de tener un trazado suave y alisado. Se suele tomar como referencia un radio de curvatura mayor que 0.3 veces el área de la maestra en la escala correspondiente.

Desde el hombro de popa hasta las cercanías de la hélice el trazado debe ser recto o con muy poca curvatura, para obtener así las mejores características de resistencia al avance. Esta curva protubera hacia popa según lo hace la bovedilla del codaste.

Desde el hombro de proa, la zona pendiente hacia proa ha de ser también prácticamente recta.

Se recomienda que la eslora de la zona de proa, hasta el hombro de proa sea aproximadamente igual a LPP(1-CPA). Donde CPA es el coeficiente prismático de esa zona.

Se recomienda que la eslora de la zona de popa, hasta el hombro de popa sea aproximadamente igual a LPP(1-CPP). Donde CPP es el coeficiente prismático de esa zona.

Obtención Experimental de la Resistencia al Avance y del Rendimiento Propulsivo La necesidad de obtener el valor del rendimiento propulsivo está en la determinación de la resistencia al avance del buque y en su caso de la potencia requerida del motor. Para su determinación experimental son necesarios tres tipos de ensayos [7]. Evidentemente, los dos últimos casos carecen de sentido en el caso de veleros.

Hombro de proa Hombro de popa


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Figura 12. Ensayo de remolque.

Ensayo de Remolque11 para la determinación de la curva del coeficiente de resistencia (CT) - velocidad del modelo y extrapolación de estos datos a la escala del buque. El coeficiente de resistencia total se define de manera similar al coeficiente de resistencia por fricción, a partir de la resistencia al avance R, mediante:

212

TRC

SVρ=

Figura 13. Los rendimientos del sistema propulsivo del buque. Esquema.

Por otra parte, la teoría clásica, basada en la descomposición de Froude, establece las siguientes relaciones entre los coeficientes de resistencia del modelo y del buque12,

11 El ensayo de remolque consiste en hacer correr el modelo del buque para una cierta gama de velocidades, midiendo la resistencia que dicho modelo experimenta al avance. 12 k es el denominado factor de forma que depende exclusivamente de la geometría del casco y se supone igual en el modelo que en el buque. CR es el coeficiente de resistencia residual que es función


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( )( )

1

1

Modelo Modelo ModeloT F R

Buque Buque BuqueT F R

C k C C

C k C C

= + +

= + +

El ensayo de remolque se lleva a cabo de manera que FnModelo = FnBuque y permite estimar el factor de forma k, a partir de los datos de los ensayos para bajos valores de FnModelo, donde CR es aproximadamente cero 13 . Finalmente es posible obtener CT

Buque a partir de k, la ley del coeficiente de fricción de la placa plana (CF) y teniendo en cuenta que CR

Buque = CRModelo.

Es importante señalar que la selección del criterio FnModelo = FnBuque para realizar los ensayos no es arbitraria. Dado que existe una imposibilidad física de conseguir una similitud física total entre los fenómenos real y experimental [5] (igualdad de Fn y Rn), y el alto coste que significaría el tratar de ensayar a igualdad de Rn, la señalada es la única elección viable. Ensayo del Propulsor Aislado14 para la determinación del rendimiento de la hélice. Para ello se miden los coeficientes de empuje (KT) y de par (KQ) para diferentes grados de avance (J) de la hélice.

2 4 2 5, ,AT Q

V T QJ K Kn D n D n Dρ ρ

= = =⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅

Donde VA es la velocidad de avance de la hélice, n sus revoluciones por segundo, D su diámetro y T, Q los valores medidos de empuje y par motor, respectivamente. De esta manera, el rendimiento de la hélice se calcula por,

2 2A T

oQ

V T J Kn Q K

ηπ π

⋅= =

⋅ ⋅

Evidentemente, los anteriores valores, obtenidos directamente para el modelo, también deben extrapolarse a la escala del buque, para lo que existen diversas técnicas que no se incluyen aquí. Ensayo de Autopropulsión15 para la determinación del rendimiento del casco y rotativo relativo. En este ensayo se miden el empuje de la hélice y par motor entregado, de igual manera que en el ensayo del propulsor aislado, observando que para un mismo valor de KT (correspondiente al punto de diseño), el valor correspondiente de KQ difiere entre los dos ensayos. De esta manera, se define el rendimiento rotativo relativo como,

PAQ

rr APQ

KK

η =

Donde AP se refiere al ensayo de autopropulsión y PA al del propulsor aislado.

exclusivamente del número de Froude y cuya componente principal es la resistencia por formación de olas. 13 La igualdad de números de Froude FnModelo = FnBuque implica que los coeficientes de resistencia residual son idénticos en modelo y buque CR

Buque = CRModelo, dado que se asumen que CR depende exclusivamente

de Fn. 14 El ensayo del propulsor aislado se realiza para conocer el comportamiento de la hélice aisladamente. Para ello se remolca la hélice a una gama de velocidades, montada en un eje acoplado a una barquilla. Por medio de un motor eléctrico se entrega un par a la hélice, que le harán girar a unas revoluciones y entregar un empuje. Estos tres parámetros son los medidos para cada velocidad. 15 El ensayo de autopropulsión consiste en la medición del par a la hélice, sus revoluciones y el empuje entregado, para una gama determinada de velocidades de un modelo autopropulsado por la propia hélice.


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Por otra parte, a partir del valor medido de KT (KTAP= KT

PA), podemos determinar el valor de JPA correspondiente a partir de los datos del ensayo del propulsor aislado. Este valor nos permite determinar el denominado factor de estela (w) que mide la velocidad de avance real del agua que llega a la hélice, en relación a la velocidad de avance del buque según,

1PA

AV V J D nwV V− ⋅ ⋅

= = −

Los anteriores parámetros (ηrr y w) también están sujetos a efectos de escala por lo que deben ser corregidos. Esta corrección no se describe aquí. Además, se comprueba experimentalmente que para una velocidad de avance del buque, en el ensayo de autopropulsión, el empuje que suministra la hélice es mayor que el valor de la resistencia del casco, obtenido en el ensayo de remolque, para la misma velocidad. Este efecto se mide por el denominado coeficiente de succión,

T RtT−

=

A partir de los coeficientes anteriores, se define el rendimiento del casco como,

11h

t EHPw THP

η −= =

−

Finalmente, el rendimiento propulsivo se calcula como:

22 2

PAA

p m m m h rr oAP PAA

EHP R V n Q V TPHP V T n Q n Q

πη η η η η η ηπ π

⋅ ⋅ ⋅ ⋅= ⋅ = ⋅ ⋅ ⋅ = ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅


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Figura 14. Diferentes ejemplos de ensayos e instalaciones experimentales.

Estimación de la Resistencia al Avance El Método de Holtrop y Mennen Como en todo proceso de diseño, al abordar el trazado de las formas, es necesario disponer de un método de evaluación de su comportamiento. Este método debe servir para decidir cuál de las alternativas que se barajan en cada momento es la mejor. Se puede decir que existen tres tipos de métodos que pueden ayudarnos en esta tarea:

Métodos experimentales: Tradicionalmente, los ensayos con modelos han sido la única manera de determinar el comportamiento de unas formas. La metodología tradicional de estos ensayos ha sido ya presentada en la sección Obtención Experimental de la Resistencia al Avance y del Rendimiento Propulsivo. Baste decir, que en muchos casos, la experimentación resulta un proceso caro y lento, por lo que normalmente se relega a las últimas fases del proyecto, con el objeto de validar las expectativas sobre el proyecto final.

Métodos numéricos: En los últimos años han aparecido diferentes herramientas de simulación por ordenador que permiten estudiar el comportamiento de unas formas. La ventaja de estos métodos reside en la posibilidad de evaluar los efectos de modificaciones en un diseño, a medida que se van realizando. Por otro lado, la complejidad de estas herramientas, aplicada al diseño de formas, requiere de un usuario experto, aunque su uso está generalizado en problemas bidimensionales como el diseño de perfiles hidrodinámicos. En general, puede decirse que existen dos familias de métodos, una basada en la teoría del flujo potencial, que permiten calcular la resistencia por formación de olas y otra basada en las ecuaciones de Reynolds que reproducen el comportamiento de los fluidos reales.

Métodos estadísticos: Estos métodos se basan en análisis de regresión sobre ensayos sobre modelos y mediciones de velocidad en barcos reales. Existen varios de estos métodos publicados, y a lo largo de este texto presentaremos alguno de los más conocidos. La gran ventaja de estos métodos es su sencillez, pues permiten evaluar la resistencia al avance o potencia necesaria, mediante la aplicación de unas fórmulas muy sencillas. Su desventaja está en la imprecisión de los resultados obtenidos, que en algunos casos es muy importante16.

16 Hay que señalar que, si se conocen datos experimentales de alguna embarcación similar a la que es objeto de diseño, éstos pueden servir para estimar el error de predicción de los métodos estadísticos, y en función de esta estimación obtener un valor más aproximado.


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Figura 15. Simulación numérica (CFD – Computacional Fluid Dynamics) del comportamiento de una carena.

En Febrero de 1977, la revista “Internacional Ship Progress” publicó un artículo firmado por J. Holtrop [ 8 ], investigador del centro MARIN (Wageningen, Holanda) que explicaba un procedimiento estadístico de predicción de potencia, que puede considerarse, aún hoy en día, como el más general y complejo de cuantos existen en la actualidad. En 1978 [9], 1982 [10] y 1984 [11], y en colaboración con G.G.J. Mennen, J. Holtrop publicó en la misma revista diversas versiones mejoradas del procedimiento original, incluyendo diversas ventajas en la predicción del comportamiento de buques finos de alta velocidad y buques llenos lentos, así como una formulación para la estimación del rendimiento propulsivo. La compleja formulación del método ha sido elaborada efectuando análisis de regresión de una muestra básica constituida por 1707 ensayos de remolque y 1287 ensayos de autopropulsión. Las últimas revisiones del método han complementado la muestra básica incluyendo buques de características extremas. La correlación entre las predicciones y la realidad ha sido establecida analizando más de un centenar de pruebas de velocidad a bordo de unos 60 buques de nueva construcción. El rango de aplicación de este método se presenta en la Tabla 5. La predicción de la resistencia de remolque por el método que nos ocupa se basa en el procedimiento tridimensional de Hughes, utilizando la línea básica de fricción de la ITTC. Una completa revisión del método de Holtrop y Mennen puede encontrarse en [5].

Característica Mínimo Máximo Fn 0.00 0.85Cp 0.55 0.85LPP/B 3.90 9.50

Tabla 5. Límites de aplicación del método de Holtrop y Mennen.


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Disposición General A continuación se hará un análisis de diversas posibilidades de configuración estructural y de espacios del buque, con el objetivo final de definir de forma integrada la disposición general del buque. La distribución de espacios o disposición general esta estrechamente vinculada al servicio a que se destina el buque, por lo que es muy difícil presentar conclusiones o dar recomendaciones generales. Es por ello que siempre es importante el estudio de la disposición general característica de un tipo concreto de buque antes de iniciar el proceso de distribución de espacios en un proyecto. El proceso de distribución de espacios en el buque, al igual que la mayoría de los aspectos que involucra el diseño del buque sigue un proceso iterativo, que se describe a continuación. En una primera etapa del diseño del buque, cuando se lleva a cabo la selección de dimensiones principales, se realiza un primer bosquejo de la distribución de espacios o disposición general esquemática, en donde se representan, a grandes rasgos, la configuración del buque en las tres vistas principales: alzado, planta y sección maestra sin mucha precisión y basándose la mayoría de las veces en un buque de referencia. En esta disposición esquemática aparecen identificadas las zonas dedicadas a:

o Espacios de almacenamiento de la carga. o Espacios de manipulación de la carga. o Espacios de maquinaria. o Espacios de alojamientos. o Espacios para tanques lastre. o Espacios para tanques de consumos.

Como ejemplo de la precisión con que se definen las zonas en esta etapa, se puede hablar del orden de ±l m en sentido longitudinal en buques entre 80m y 150m de eslora. A partir de la disposición esquemática inicial, el proceso que se sigue a continuación es el siguiente:

o Asignación de espacios principales. o Fijación de las superficies limites de espacios. o Disposición de elementos en cada espacio, especialmente de maquinaria y alojamientos. o Situación de accesos y escapes de cada espacio.

Durante la segunda iteración, la fijación de la situación de las superficies limites de cada espacio esta estrechamente ligada a la configuración estructural. Cuando esta interacción no es tenida en cuenta a la hora de disponer los espacios, normalmente se llega a situaciones que requieren soluciones estructurales complejas (y costosas). Principalmente, las interacciones entre la configuración estructural y la disposición general que se han de tener en cuenta son:

o Interacción entre clara de cuadernas y la situación de los mamparos transversales. Los mamparos transversales deben apoyarse en cuadernas.

o Interacción entre el espaciado de refuerzos longitudinales y la situación de mamparos longitudinales. Los mamparos longitudinales deben apoyarse en los refuerzos longitudinales

o Interacción entre el espaciado de refuerzos longitudinales y la situación de cubiertas y plataformas. Las cubiertas suelen apoyarse en los refuerzos longitudinales


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o Interacción entre la brusca y arrufo en cubierta y la manga o eslora de las escotillas de carga. Las escotillas de carga deben ocupar una zona en la que haya los menores cambios de brusca posible.

o Interacción entre los codillos en el costado y la situación de las cubiertas adyacentes. Debería tratar de evitarse que las cubiertas interfieran con los codillos que pueda tener el casco.

o Interacción entre la disposición de espacios y el despiece en bloques. En la construcción por bloques es importante tener en cuenta el despiece que se pueda realizar a la hora de disponer los límites de los espacios.

Forma y disposición de los elementos transversales y longitudinales Como ya se ha mencionado anteriormente, el espaciado y dimensiones de los espacios está condicionado por los espaciados de los elementos estructurales. Una ver que la estructura esté definida se han de ir posicionando las superficies límites de los espacios. Estas superficies límites de los grandes espacios son:

o En sentido transversal, los mamparos transversales y el forro del casco. o En sentido vertical, las cubiertas, plataformas y techo de casetas, y el forro del casco

(fondo). o En sentido longitudinal, los mamparos longitudinales y el forro del casco (costado).

Las superficies de las cubiertas son planas y horizontales, es decir sin bruscas ni arrufos, excepto en las cubiertas de intemperie. La cubierta superior suele tener brusca y se procura huir del arrufo por su coste constructivo. La solución mas económica para la brusca, es la del tipo trapezoidal y para el arrufo, cuando se requiere, es el de tipo poligonal. De esta manera, la cubierta está siempre formada por un conjunto de superficies planas. En buques que transportan graneles sólidos se dispone la tapa del doble fondo con tolvas que superen el talud natural de la carga y equivalen a bruscas trapeciales de signo contrario. Las superficies de los mamparos transversales son planas, verticales y con refuerzos de vigas rigidizadoras soldadas. Como alternativa, se pueden construir mamparos corrugados, que permiten reducir el coste de producción y el peso de la estructura, aunque reducen la capacidad de carga (excepto en el caso de líquidos o graneles de grano muy fino). En el primer caso, los rigidizadores se colocan por una sola cara, que se procura coincida con el interior de tanques, con las corrugaciones se trata de conseguir superficies lisas/limpias, para cargas a granel tanto liquidas como sólidas, ya que se disponen siempre entre espacios de carga. Las superficies de los mamparos longitudinales suelen ser planas y completamente verticales mientras lo permitan las formas del buque, o integradas por un conjunto de superficies planas, cuando deban seguir dichas formas en las zonas extremas del buque. Los refuerzos, de manera análoga a los mamparos transversales, pueden ser vigas rigidizadoras soldadas o bien puede sustituirse el mamparo plano por uno de tipo corrugado. Su uso y disposición sigue los mismos criterios que se han indicado para los mamparos transversales; con una salvedad, en determinados casos las corrugas se disponen horizontal en vez de verticalmente. Adicionalmente, en casos muy especiales, se disponen mamparos longitudinales integrados por superficies curvas, paralelas al casco.

Disposición de los mamparos transversales


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Llegado a este punto, se supone que ya se ha elegido el espaciado de los elementos secundarios (transversales en la estructura longitudinal) en la zona de carga y que se dispone de la disposición general esquemática propia de la primera etapa del proyecto. La situación de la cámara de maquinas, que varia entre completamente a popa y en el centro, depende del tipo de buque y se puede obtener de un buque similar. En los buques tanque es obligatorio situarla a popa de la zona de carga. En el resto de buques de carga la tendencia es ubicarla lo mas a popa posible, con objeto de reducir al mínimo el espacio desaprovechado por la o las líneas de ejes. Sin embargo en buques rápidos, con formas finas, se hace imprescindible situarla mas a proa, pues las formas finas no permiten disponer del espacio suficiente en popa. Además esta disposición más central permite resolver los problemas de asientos excesivos sin utilizar lastres e, indirectamente, los de resistencia longitudinal. La estructura de los extremos de popa y proa, y de la cámara de maquinas, cuando ésta está a popa, es transversal. El espaciado de cuadernas en las zonas mas extremas es de 600 mm ó 610 mm, excepto en buques muy grandes que suele ser de 700 mm. Para la zona de cámara de maquinas se elige una clara intermedia o de transición entre la clara de las zonas extremas y la seleccionada para la zona de carga, o la propia de la zona de carga, si no son muy diferentes. Debe de tenerse presente que para buques mercantes, en las zonas de estructura transversal se disponen claras de cuadernas siempre dentro del rango entre 500mm y 1000mm. Esta afirmación puede hacerse extensiva al espaciado de longitudinales, en las zonas con reforzado longitudinal. En el proceso de disposición de los mamparos transversales, se comienza por situar la cuaderna de construcción 0. Esta cuaderna coincide con la perpendicular de popa en buques de un solo timón, si el diámetro de la mecha es superior a un mínimo (que se puede fijar en unos 200 mm) y está media clara a proa de la perpendicular de popa en caso contrario. El número mínimo de mamparos transversales se establece en los reglamentos de las sociedades de clasificación, aunque habitualmente puede reducirse dicho número si los requisitos de explotación del buque así lo recomiendan. Por otra parte, la eslora y disposición de estos espacios está restringida por los requisitos de los reglamentos de estabilidad después de averías. El cumplimiento de estos reglamentos impondrá una distribución de longitudes máximas de los compartimentos a lo largo de la eslora del buque. La posición del mamparo de colisión tiene que estar entre unas distancias mínima y máxima de la perpendicular de proa que establecen los reglamentos y para las cuales se tiene en cuenta la protuberancia en eslora del bulbo. Para buques de carga esas distancias son 0.05·L y 0.08·L respectivamente (la eslora que se considera es la eslora entre perpendiculares). Para buques de pasaje, según el reglamento de SEVIMAR, este valor debe de estar entre 0.05·L y 0.05·L+3.00m. El mamparo de popa de cámara de maquinas en buques con dicha cámara a popa debe de ser capaz de albergar la pieza de la bocina, por lo que ha de elegirse la cuaderna de construcción mas a popa que satisfaga este requerimiento.

Disposición de las cubiertas En general en buques mercantes esta distribución se rige por condicionantes geométricos: La altura del doble fondo en la zona de carga tiene un mínimo para los buques con requerimientos de cálculos de inundación. Como estos requisitos son aplicables, prácticamente, a todo tipo de buques mercantes parece recomendable utilizar como valor preliminar mínimo B/15, siempre que sea viable.


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La altura del doble fondo de cámara de maquinas se obtiene directamente al situar alineados los elementos de la línea de ejes. Es decir, deben alinearse la hélice con el motor (altura del cigüeñal sobre la bancada) en el caso de motores directamente acoplados o la hélice con la salida del reductor, y la entrada de este con el cigüeñal. Si la altura del doble fondo así calculada esta en el rango 1 500mm – 2 500mm es aceptable. Para valores excesivos o escasos se disponen polines o pozos, respectivamente. Si no coinciden las alturas de los doble fondos en cámara de maquinas y en zona de carga, se establece una zona inclinada de transición, con pendiente inferior a 1/3, generalmente dentro de maquinas. Las alturas de cubiertas intermedias y plataformas vienen definidas en la zona de carga, por el tipo de buque y por el espaciado de longitudinales del forro, mientras que en la cámara de máquinas se definen en función del puntal del motor propulsor y la disposición de tecles. Deben considerarse alturas mínimas entre plataformas de 3 500mm a 4 000mm, siendo 3 000mm el mínimo absoluto admisible en toda la zona de maquinas y local del servomotor del timón. Se procura una distribución relativamente homogénea de alturas a partir de la primera plataforma, la cual siempre tiene un puntal mas alto sobre el doble fondo de maquinas, que el que se deja entre las restantes plataformas. La continuidad estructural entre cubiertas intermedias, plataformas, palmejares y longitudinales de costado debe de ser cuidadosamente analizada, para evitar la aparición de esfuerzos cortantes o lo que es equivalente, aumentar las necesidades de reforzamiento de la estructura. La altura total de la zona de alojamientos, sobre la que se sitúa el puente de gobierno, viene impuesta por la visibilidad desde este. Se recomienda o se exige, según los casos, que la zona oculta para el timonel mirando hacia proa, no supere una eslora y media o dos esloras del buque, dependiendo del tipo del mismo. La altura de cada cubierta sobre la inmediata inferior es no menor de 2 600mm, aunque siempre que no haya limitaciones de otro tipo debe estar entre 2 800mm – 3 000mm. Siendo el mínimo admisible en cualquier caso 2 300mm. El puntal de la cubierta castillo tiene que satisfacer un requisito del reglamento de líneas de carga, que establece una altura mínima en la perpendicular de proa, sobre el calado máximo (con el objeto de limitar los embarques de agua). Esta limitación condiciona la altura de la cubierta castillo y suele aconsejar dotarla de arrufo. Por otro lado, este requisito se cumple con facilidad en los grandes buques, en los que no es necesario disponer un castillo.

Disposición de los mamparos longitudinales La situación en semimanga del doble casco o de los mamparos longitudinales esta reglamentada, para aquellos buques que requieren cálculos de inundación. Los tamaños de las grandes aberturas para las escotillas de carga y huecos en plataformas de maquinas, del guardacalor, de las casetas de habilitación o de las zonas de carga, deben tener en cuenta la distribución del reforzado longitudinal en fondo, doble fondo y cubiertas, que a su vez deben coincidir con los refuerzos verticales de los mamparos transversales. Estos mismos criterios son de aplicación a las vagras estancas y no estancas, así como al túnel de tuberías, cuando existe, en el doble fondo bajo la zona de carga. Las vagras deben tener continuidad con aquellas situadas bajo cámaras de maquinaria, que están condicionadas por los equipos y los tanques y cofferdams (o mamparos huecos).

Distribución de espacios


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La distribución de espacios puede comenzarse incluso antes de haber definido las características principales del buque, y posteriormente irse corrigiendo iterativamente a medida que progresa el proyecto del buque. A continuación daremos unas indicaciones básicas para la disposición de los diferentes espacios en el buque.

Espacios de almacenamiento y manipulación de la carga Los espacios de almacenamiento y manipulación de la carga se deciden en base al volumen requerido y al tipo y modo de estiba y manipuleo. Este tipo de espacios dependen de manera principal del tipo y servicio del buque, por lo que poco se puede hablar de manera general. En cualquier caso es interesante hacer mención de que la disposición habitual de la cámara de bombas de los petroleros de crudo es a popa de la zona de tanques. Esta cámara ha desaparecido en los modernos petroleros de productos y quimiqueros, siendo sustituida por bombas de pozo profundo que permiten una mayor versatilidad y segregación de la carga.

Espacios de maquinaria Los espacios de maquinaria principal se disponen a partir del volumen requerido, que principalmente dependerá de la potencia instalada, tanto propulsora como de generación de energía y del tipo de propulsión. En el caso más habitual de motores propulsores diesel y para los buques mercantes, se pueden dar las siguientes formulas, como valores orientativos para la eslora, en metros, de la cámara de maquinas, LCM:

En función de la longitud del motor principal, LMP: para motores de 2 tiempos: LCM = C1 x LMP donde C1 varia entre 2,2-3,5; valor promedio 2,85. para motores de 4 tiempos: LCM = C1 x LMP + C2 donde C1 varía entre 1,7-2,3; y C2 entre 1,0-2,0. En función de la potencia propulsora, PB (en kW x 103): para motores de 2 tiempos: LCM = C1 x PB + C2 donde C1 varia entre 3,2-4,4; y C2 entre 8,0-10,0. para motores de 4 tiempos: LCM = C1 x PB + C2 donde C1 varía entre 1,4-2,0; y C2 entre 6,0-10,0. LCM = C1 x PBC

2 donde C1 varía entre 8,0-8,6; y C2 entre 0,40-0,48.

Dentro de estos espacios se comienza situando la maquinaria propulsora. Si se tiene en cuenta el reductor, si existe, y el desmontaje del eje de cola se puede definir aproximadamente la posición del motor propulsor. La posición definitiva tendrá en cuenta la situación de los pernos de anclaje, procurando limitar al máximo la coincidencia con varengas. En buques cuyo tamaño lo permita, los grupos electrógenos se suelen situar en la primera plataforma. En caso contrario se dispondrán también sobre el doble fondo. En el primer caso deben estar próximos al local de control, donde se sitúan el cuadro eléctrico principal y todos los controles de maquinas. Todas las bombas que aspiran del mar o de tanques bajos han de situarse en la parte baja de cámara de maquinas, para evitar problemas de cebado, lo que crea las mayores dificultades al realizar la disposición de equipos en este espacio. En la práctica, la mayoría de los equipos conviene situarlos sobre el doble fondo, que queda muy empachado, y por el contrario las plataformas quedan muy vacías. Las bombas de agua salada (de lastre, de refrigeración, de circulación, de sentinas, etc.) conviene situarlas cerca de las tomas de mar, para hacer el


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colector lo mas corto posible, siendo lo mas frecuente su emplazamiento en la zona de proa de la cámara de maquinas. El local de purificadoras se suele disponer dentro de la cámara de maquinas, separado por mamparos no estancos. Los talleres y pañoles de maquinas van situados en las plataformas mas altas. Otros locales de maquinaria, como el del servomotor o los de bombas hidráulicas para la maquinaria de cubierta no ofrecen grandes dificultades, tanto en la elección del emplazamiento, como en la disposición de equipos en su interior.

Tanques de consumos Los tanques de consumos se disponen en las zonas próximas a la cámara de maquinas y de alojamientos, con la excepción de los tanques de almacén del combustible del motor principal. Una vez que se han definido las cantidades necesarias de cada líquido, bastara conocer la densidad para establecer las necesidades de volúmenes. Se debe de tener en cuenta para calcular el volumen neto, el descuento por «hierros» para todos los tanques, y la expansión por gases para los tanques de combustible y aceite. Los tanques de almacén de fuel oil para el motor principal se suelen disponer en el doble fondo y el proyectista ha de elegir entre dos opciones. La solución mas barata consistente en disponerlos lo mas cerca posible de cámara de maquinas, con el consiguiente ahorro en longitudes de tuberías. Mientras que la solución más idónea para mejorar la estabilidad en las diferentes situaciones de carga consiste en situar el conjunto de estos tanques más próximo a la sección maestra. De esta manera se aproa el centro de gravedad, reduciendo la necesidad de lastrar durante la navegación para compensar el cambio de momento estático longitudinal. En la práctica se suele adoptar una solución intermedia. La capacidad de los tanques almacén se determina a partir de la autonomía del buque, que viene dada por la relación:

CombustibleVAutonomía= B

e a ea c ec

VP C P C P C

ρ ⋅ ⋅⋅ + ⋅ + ⋅

donde,

o VB velocidad de servicio del buque (a la que se consideran los consumos) o P potencia del motor principal (MP) en servicio o Pa potencia motores auxiliares (MMAA) si consumen el mismo combustible que el MP o Pc potencia de la caldera auxiliar (si existe) o Ce consumo específico MP o Cea consumo específico MMAA o Cec consumo específico caldera auxiliar o densidad del combustible

y teniendo en cuenta la relación:

Combustible Tq.Alimentación Tq.Sedimentación Tq.ServicioDiario Tq.Reboses TuberíasV = V +V +V +V +V En cámara de maquinas se disponen los tanques de sedimentación y servicio diario, cuya capacidad se calcula a partir del consumo especifico del motor obteniéndose las necesidades de consumo para 24 horas que definen el volumen de los tanques de servicio diario; los tanques de sedimentación de fuel oil son ligeramente mas grandes, por ejemplo un 10%, que los de servicio


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diario. Análogamente se definen los tanques de servicio diario de motores auxiliares o de calderas. Los tanques almacén de los motores auxiliares se sitúan generalmente en el doble fondo, bajo cámara de maquinas. En esta zona se disponen también los tanques de derrames, reboses y de lodos. Todos los tanques que acabamos de citar suelen ser estructurales. Los tanques de servicio y de almacén de aceite del motor principal han de situarse donde indica el fabricante. Es práctica normal colocarlos inmediatamente debajo del propio motor, siendo intercambiables el de servicio y el de almacén, a fin de proceder a la limpieza del aceite de cada tanque alternativamente. Los motores auxiliares pueden requerir una disposición análoga o, lo más frecuente, llevar el cárter húmedo y solo requerir de tanque almacén. En algunos casos este ultimo tanque y todos los otros tanques de aceite para servicios varios, son no estructurales y se disponen, en general, en plataformas altas dentro de la cámara de maquinas. En lo que se refiere al agua dulce, coexisten tres tipos de utilización de agua dulce a bordo que son:

o Agua dulce para los servicios de refrigeración. o Agua de alimentación de calderas. o Agua de servicios sanitarios, incluye agua potable.

Antiguamente el distinto grado de pureza y de tratamiento del agua obligaba a disponer servicios independientes para estos tres tipos, pero actualmente, debido a la facilidad de generar agua dulce a bordo, se ha disminuido el rigor en esta segregación, por lo que se usa el mismo agua dulce para cualquier servicio. Su almacenamiento se mantiene en tres tipos distintos de tanques, cuyos volúmenes aproximados se listan a continuación:

o Tanque de agua dulce para los servicios de refrigeración: aproximadamente 2 a 5 veces la capacidad del circuito.

o Tanque de agua de alimentación de calderas: aproximadamente 2 a 3 veces la capacidad de las calderas.

o Tanque de agua de servicios sanitarios, incluye agua potable: se calcula en función de un consumo de entre 125 y 200 litros por persona y día.

Estos tres tipos de tanques se disponen cerca de cámara de maquinas y de alojamientos para reducir las longitudes de las tuberías. Son tanques estructurales y conviene no situarlos en el doble fondo, sino altos para facilitar la aspiración de las bombas correspondientes. Los tanques de lastre, que se llenan con agua de mar, cumplen el objetivo de facilitar la navegación del buque, cuando no se satisfacen las necesidades de estabilidad y trimados suficientes, bien por falta de carga, bien por haber gastado los consumos. Se utilizan como tanques de lastre todas aquellas zonas inservibles para otro uso. Esto no quiere decir que los espacios previstos para lastre son los espacios sobrantes, al contrario estos espacios deben ser tenidos muy en cuenta cuando se definen las necesidades globales de volumen del buque. Es importante destacar que la legislación medioambiental actual impide la utilización de tanques de uso mixto (combustible o carga y lastre), aunque se sigue permitiendo la utilización mixta de algunas bodegas de carga de graneleros o de sus tanques altos.


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Alojamientos Los alojamientos viene definidos por su volumen que depende por una parte del número de tripulantes (para pasajeros en buques mercantes los criterios pueden considerarse similares) que lo establecen los reglamentos nacionales basados en el tamaño del buque, la potencia propulsora y los niveles de automatización, y por otra parte el estándar o grado de confort aplicable en el buque en diseño, que se suele medir por los metros cuadrados por tripulante y el tipo de los camarotes y de los aseos, individuales, dobles, etc. Los mínimos están fijados por reglamentos nacionales e internacionales. Los alojamientos se encuentran situados normalmente encima de la cubierta de francobordo y en la mayoría de los buques mercantes encima de la cámara de maquinas. Los locales comunes tales como, comedores, salones y oficios se sitúan en cubiertas intermedias. Por encima se disponen los camarotes de oficiales, mas abajo los de maquinas y mas arriba los de puente. Por debajo o al mismo nivel que los locales comunes están, en orden descendente, los camarotes de maestranza, los del personal de fonda, los de la tripulación de cubierta y los de la de maquinas. La cocina, la gambuza seca y la gambuza refrigerada deben disponerse teniendo presente que es necesario el traslado de pesos y volúmenes importantes entre ellas, y que la recepción de alimentos para ambas gambuzas debe ser lo mas cómoda posible. La gambuza refrigerada se divide en varias cámaras con distintas temperaturas para la conservación de los distintos tipos de alimentos. También debe procurar evitarse que la gambuza refrigerada este bajo superficies a la intemperie, lo que obligaría a aumentar el aislamiento y las capacidades de enfriamiento. Los locales de navegación, puente de gobierno y derrota se sitúan en la parte de proa de la cubierta mas alta de la superestructura, teniendo en cuenta que en estos locales se disponen todos los paneles centrales de detección y de alarmas contraincendios y de seguridad. La telegrafía suele estar también en esta cubierta. A ambos lados del puente de gobierno se disponen dos alerones que abarcan la manga máxima del buque y permiten al practico, o al oficial encargado de las maniobras, circular de una banda a otra del buque, para lo que no debe de existir ningún obstáculo en el camino (por ejemplo las puertas deben ser correderas). En buques dedicados a navegaciones largas y estancias cortas en puerto es frecuente disponer de salas de recreo, gimnasios, saunas, etc. para distraer el tiempo del personal que no se encuentra de guardia.

Disposición de accesos El estudio de la disposición de los accesos es un tema esencial en el desarrollo del proyecto del buque, se puede afirmar que los problemas de acceso dan lugar a incomodidades y riesgos. Los distintos reglamentos o recomendaciones tienen en común los siguientes principios de carácter general:

o Los locales de uso general deben tener dos vías de escape independientes y lo mas alejadas, entre si, que sea posible. Las escalas verticales no se suelen aceptar como vías de escape.

o Las escaleras deben disponerse en dirección longitudinal, para evitar que el ángulo del balance se sume a la pendiente. La máxima inclinación admitida de escaleras es de 50° con la horizontal.

o Las escaleras interiores deben ser de acero y materiales incombustibles. Las escaleras exteriores deben tener peldaños antideslizantes y estar en lugares protegidos de los golpes de mar.

o Los ascensores son complementarios de las escaleras, no las sustituyen.


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o Los accesos a los tanques de lastre y de consumos son a través de registros y escalas verticales. Si el tanque es muy grande se exigen dos accesos situados en posiciones diagonalmente opuestas.

o Las puertas deben de tener anchuras mínimas que dependen del servicio a que se o dedica el local. Estas anchuras mínimas son del orden de 650mm para camarotes y

puertas exteriores, de 600mm para aseos y 900mm para enfermerías y salidas de emergencia. Este valor de 600mm debe considerarse un mínimo práctico para aquellos accesos por lo que tenga que circular una persona.

Grandes huecos La disposición de los grandes huecos, escotillas de carga y huecos en plataformas de maquinas deben plantearse desde el principio del proyecto. En lo que se refiere a los huecos en plataformas de maquinas se definen conjuntamente con la disposición de tecles, accesos y considerando el desmontaje del motor principal.

Aislamiento de espacios Entre determinados espacios deben disponerse cofferdams (espacios huecos) cuya dimensión menor coincide con la clara entre cuadernas o el espaciado de longitudinales, a fin de impedir la contaminación de unos contenidos con otros. Concretamente se exigen cofferdams alrededor de todos los tanques de aceite o de los tanques de agua dulce. Los espacios de habilitación han de procurar independizarse de los guardacalores de cámara de maquinas para evitar ruidos y vibraciones a la tripulación. Esto se consigue sin grandes dificultades en los buques grandes donde se dispone la chimenea completamente independiente de la zona de alojamientos.


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Diseño estructural A continuación daremos unas indicaciones sobre la elección del tipo de estructura y unas guías generales para diseñar y calcular la estructura del buque. La elección del tipo de estructura obedece a la necesidad de ofrecer una respuesta eficaz a las solicitaciones que actúas sobre ella. Por ello es necesario analizar estas solicitaciones, asó como cuáles son las respuestas de la estructura a dichas solicitaciones y los posibles modos de fallo. En la mayoría de los casos las únicas cargas que se consideran en los cálculos estructurales son:

o Cargas estáticas generales debidas a los momentos flectores y esfuerzos cortantes verticales.

o Cargas estáticas locales debidas a las presiones estáticas debidas a la carga y al agua (cargas hidrostáticas).

o Cargas dinámicas generales de baja frecuencia debidas a la variación periódica de los momentos flectores y torsores y de los esfuerzos cortantes verticales.

o Cargas dinámicas locales debidas a las presiones dinámicas debidas a la carga. Asimismo, en aquellos casos en los que puedan ser importantes, se tienen además en cuenta cargas como las ocasionadas por el pantocazo (impacto) o cargas térmicas locales.

Figura 16. La respuesta primaria del buque (flexión).

Las repuestas de la estructura a las cargas anteriormente mencionadas son deformaciones y tensiones. Estas respuestas se suelen clasificar de una manera global de la forma siguiente: Respuesta primaria. La respuesta más característica de la estructura del buque, y usualmente la más importante corresponde a todo el casco flexando como una viga (ver Figura 16). En esta situación las deformaciones primarias se producen en el plano de cada elemento estructural y las tensiones más importantes se producen en la cubierta superior y en el fondo. La estructura del buque debe soportar los esfuerzos primarios que se producen en las situaciones más críticas, que se denominan arrufo y quebranto (ver Figura 17). Respuesta secundaria. Es la respuesta característica a los momentos torsores que se producen en el buque y se aprecia especialmente en los paneles de chapa reforzada entre dos mamparos transversales contiguos. Las tensiones secundarias en la chapa son de membrana y las deformaciones secundarias son normales al plano de cada panel.

EMPUJE EMPUJE

PESO


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Respuesta terciaria. Este grupo corresponde a las respuestas locales de cada zona de chapa entre refuerzos. Las tensiones terciarias en la chapa son de flexión o sea, nulas en el plano medio de la chapa. Las deformaciones terciarias son normales al plano medio de la chapa. Los modos genéricos de fallo de una estructura son:

o Pandeo. Que aparece cuando un elemento está sometido a la acción de tensiones de compresión o de cortadura. Cuando estas tensiones superan un límite, el elemento en cuestión falla, apareciendo una gran deformación en dirección normal a la acción de los esfuerzos o incluso la ruptura.

o Fluencia. Que aparece bajo la acción de tensiones de tracción sobre una estructura. Cuando estas tensiones superan un cierto nivel, el elemento plastifica y sufre grandes deformaciones, antes de llegar a su ruptura. Este tipo de fallo es característico de estructuras debilitadas por la fatiga.

Elección del tipo de estructura Una de las primeras decisiones que deben ser tomadas en el diseño estructural es la elección del tipo de la estructura, es decir si la estructura principal será de tipo transversal o longitudinal. Para buques de grandes esloras (mayores de 200 m) la estructura longitudinal es generalmente un requisito de clasificación. Pero incluso si no es este el caso, la estructura longitudinal resultará en un menor peso de acero, y será por lo tanto más económica. Para barcos de eslora menor de 65 m, la resistencia longitudinal de la estructura es de importancia secundaria y la elección de uno u otro tipo de estructura no representa una ventaja en el peso de acero. Sin embargo, la estructura longitudinal es más compleja e incrementa los costes de producción. Para las esloras intermedias, la elección depende del diseñador, quien debe sopesar si es más ventajoso minimizar el peso del acero, o los costes de producción. La elección habitual lleva a estructuras mixtas, que combinan la estructura longitudinal para el fondo y la cubierta resistente, mientras que la estructura transversal se utiliza para los costados y el soporte de las cubiertas centrales. En cualquier caso, la estructura de los extremos de popa y proa, y de la cámara de maquinas, cuando ésta está a popa, suele ser transversal.

Cálculo de la Estructura Si se tiene en cuenta solamente los cuatro tipos de carga principales anteriormente citados, el procedimiento de cálculo básico, se basa en las siguientes tareas:

a) El primer análisis que se lleva a cabo se fija en las cargas estáticas generales y dinámicas de baja frecuencia, y en particular en los momentos flectores y esfuerzos cortantes verticales. Para ello, el buque se modeliza como una viga de inercia variable apoyada en ambos extremos y que trabaja en aguas tranquilas, por lo que sólo se ve sometida a la acción de pesos y empujes. Los pesos estarán definidos por las distribuciones de peso en rosca y peso muerto para cada situación de carga, mientras que los empujes estarán definidos por las formas del casco y los calados de la correspondiente situación de carga. A partir de los datos anteriores, las diferentes sociedades de clasificación imponen unos requisitos a la estructura del buque, que principalmente definen un módulo resistente mínimo de la sección maestra del buque, que permita hacer frente a las situaciones más críticas de arrufo y quebranto (ver Figura 17). Aunque las reglas de las diferentes sociedades de clasificación son muy complejas, es posible utilizarlas de forma extractada para obtener una primera aproximación del módulo resistente necesario para una estructura típica de acero. En concreto podemos


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asumir que el módulo resistente de la sección central del buque, respecto a su eje neutro estará dado por:

( )2 6 3

1 1 0.7 10L BZ f k C L C m−= ⋅ ⋅ ⋅ + × Mientras que el momento flector máximo será:

1 2W WOM f f M= ⋅ ⋅ Donde:

1f es un factor de servicio del buque, que toma el valor 0.5 para servicio en aguas abrigadas, 0.8 para el caso de servicio de cabotaje o viajes cortos y 1.0 en el resto de casos.

2f vale 1.1 para el caso de arrufo y ( )1.9

0.7B

B

CC + para el caso de quebranto.

1C varía con la eslora, pero típicamente para el mayor abanico de tamaños buques

(entre 90 y 300 m) vale ( )1.5

30010.75 100L−−

2C es un factor dependiente de la posición a lo largo de la eslora, para nuestro caso tomaremos el valor mayor (1.0) que corresponde con la sección central. Lk es un factor que caracteriza la resistencia del acero utilizado en la construcción y toma el valor unidad para aceros estándar y 0.78 para aceros de alta resistencia.

Mientras que

( )21 20.1 0.7WO BM C C L B C kN m= ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ + ⋅

A partir de estas fórmulas, y teniendo en cuenta que la tensión máxima que aparecerá está dada por

2WM kN

mZσ =

es sencillo evaluar el módulo resistente de la sección maestra que será necesario, así como asegurar que no se sobrepasa la tensión de fluencia del acero empleado.

b) Un segundo aspecto de importancia es la evaluación del efecto de los momentos

torsores, que son debidos a cargas dinámicas. En este caso los reglamentos facilitan fórmulas aproximadas para aquellos casos en los que este efecto puede ser más crítico, que son de aplicación a los buques con grandes aberturas (por ejemplo grandes escotillas de carga). Un análisis más detallado pasaría por un cálculo simplificado de una estructura compuesta por barras, o bien un cálculo de láminas rigidizadas aprovechando las capacidades de los actuales programas informáticos


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Figura 17. Condiciones de quebranto y arrufo. La flexión del buque en estas situaciones provoca unas cargas máximas en las secciones centrales y una concentración de tensiones en cubierta y fondo.

Arrufo: El peso del buque se concentra en la zona media del buque mientras que el empuje tiene valores más altos en los extremos de popa y proa.

PESO

EMPUJE EMPUJE

Quebranto: El peso del buque se concentra en los extremos, mientras que el empuje tiene valores más altos en la zona central.

PESO PESO

EMPUJE


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c) Posteriormente se han de llevar a cabo los cálculos de la estructura sometida a cargas locales (presiones estáticas y dinámicas). En principio solo se consideraran las cargas estáticas y el coeficiente de seguridad garantizara la resistencia a las cargas dinámicas locales. Un cálculo aproximado de estos elementos, puede asumir que la estructura está constituida por barras, que integran un conjunto de grandes vigas, tales como: varengas, vagras, bulárcamas, esloras, palmejares, baos fuertes, etc., generalmente dispuestas en forma de anillo. Sin embargo, la capacidad de los programas de cálculo actuales permite analizar la estructura compuesta por láminas reforzadas e incluso con una combinación de láminas y barras, aunque este tipo de cálculos suelen reducirse a determinados bloques del buque de especial interés.

d) Por último se analizan las acciones dinámicas locales, que en general implican un cálculo más detallado del escantillonado de los elementos sometidos a estas acciones.

Espaciado de los elementos transversales o longitudinales Una ver que se ha elegido el tipo de estructura del buque, hay que decidir el espaciado de los elementos secundarios (transversales en la construcción de tipo longitudinal), que condiciona el espaciado de los elementos primarios, pues lo más conveniente es que sus espaciados sean múltiplos exactos de aquellos. El espaciado de los elementos resistentes puede estar (como en el caso de un buque portacontenedores) completamente condicionado. En otros casos, el espaciado se suele elegir optimizando el peso de la estructura, al considerar que así también se minimiza el coste de la misma, esto no es exacto, aunque puede valer como primera aproximación. Obviamente la zona a optimizar en los buques mercantes es la zona de carga. En lo que se refiere al espaciado de cuadernas en las zonas más extremas, se suele tomar un valor de 600 mm ó 610 mm, excepto en buques muy grandes que suele ser de 700 mm. Para la zona de cámara de maquinas se elige una clara intermedia o de transición entre la clara de las zonas extremas y la seleccionada para la zona de carga, o la propia de la zona de carga, si no son muy diferentes. Debe de tenerse presente que para buques mercantes, en las zonas de estructura transversal se disponen claras de cuadernas siempre dentro del rango entre 500mm y 1000mm. Esta afirmación puede hacerse extensiva al espaciado de longitudinales, en las zonas con reforzado longitudinal. La situación do la estructura primaria transversal se hace con múltiplos enteros de la clara de cuadernas. Es decir la situación de varengas, bulárcamas, anillos transversales, etc. coincide, o debe coincidir, con una cuaderna de construcción.

Forma y Estructura de los Mamparos y Cubiertas Las superficies de las cubiertas son planas y horizontales, es decir sin bruscas ni arrufos, excepto en las cubiertas de intemperie. La cubierta superior suele tener brusca y se procura huir del arrufo por su coste constructivo. La solución mas económica para la brusca, es la del tipo trapezoidal y para el arrufo, cuando se requiere, es el de tipo poligonal. De esta manera, la cubierta está siempre formada por un conjunto de superficies planas. En buques que transportan graneles sólidos se dispone la tapa del doble fondo con tolvas que superen el talud natural de la carga y equivalen a bruscas trapeciales de signo contrario.


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Las superficies de los mamparos transversales son planas, verticales y con refuerzos de vigas rigidizadoras soldadas. Como alternativa, se pueden construir mamparos corrugados, que permiten reducir el coste de producción y el peso de la estructura, aunque reducen la capacidad de carga (excepto en el caso de líquidos o graneles de grano muy fino). En el primer caso, los rigidizadores se colocan por una sola cara, que se procura coincida con el interior de tanques, con las corrugaciones se trata de conseguir superficies lisas/limpias, para cargas a granel tanto liquidas como sólidas, ya que se disponen siempre entre espacios de carga. Las superficies de los mamparos longitudinales suelen ser planas y completamente verticales mientras lo permitan las formas del buque, o integradas por un conjunto de superficies planas, cuando deban seguir dichas formas en las zonas extremas del buque. Los refuerzos, de manera análoga a los mamparos transversales, pueden ser vigas rigidizadoras soldadas o bien puede sustituirse el mamparo plano por uno de tipo corrugado. Su uso y disposición sigue los mismos criterios que se han indicado para los mamparos transversales; con una salvedad, en determinados casos las corrugas se disponen horizontal en vez de verticalmente. Adicionalmente, en casos muy especiales, se disponen mamparos longitudinales integrados por superficies curvas, paralelas al casco.

Minimización del peso de acero y/o de producción La minimización del peso de acero es de particular importancia en el caso de buques de peso muerto, en aquellos que tienen un calado restringido y en los buques rápidos. En otro tipo de buques es también deseable reducir el peso de acero, con el objeto de minimizar el coste de material, pero siempre y cuando los costes de producción no se incrementen por encima de lo que supone la reducción en material. A la inversa, una reducción de los costes de producción puede ser interesante, aún cuando se incremente el peso del acero. A continuación se enumeran una serie de aspectos que se han de tener en cuenta al objeto de reducir el peso de acero o bien los costes constructivos:

1. La reducción del espaciado entre cuadernas y longitudinales puede disminuir de manera importante el peso de la estructura. Sin embargo, la adicción de más refuerzos provoca un aumento en las necesidades de corte y soldadura, de manera que aumenta el coste constructivo.

2. La elección de secciones estándar, en lugar de unas fabricadas en el astillero, es una manera eficiente de reducir los costes de producción. Cuando esta elección implique la reducción del espacio entre refuerzos, para llegar al módulo resistente requerido, debe estudiarse la idoneidad de esta decisión.

3. La disposición de los mamparos debe coincidir con la posición de las cuadernas, para minimizar el número de éstas. Para ello, en buques tanque y graneleros, la eslora de los tanques, bodegas y escotillas debe ser múltiplo del espaciado entre cuadernas.

4. El uso de aceros de alta resistencia es para cierto tipo de buques una de las maneras más eficientes de reducir el peso de la estructura. Aunque el coste de este tipo de acero sea mayor, la reducción en el volumen de material y en algunos casos también en mano de obra, puede ser sensiblemente mayor.

5. La construcción de mamparos transversales corrugados permite reducir el coste de producción y el peso de la estructura, aunque reducen la capacidad de carga (excepto en el caso de líquidos o graneles de grano muy fino).


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El Sistema Propulsivo

Tipos de Sistemas de Propulsión

Hélice La hélice es con mucho el sistema de propulsión más utilizado en buques mercantes. Su principio de funcionamiento es similar al de las alas de los aviones, pues cada sección de la hélice es un perfil que actúa provocando diferencias en el flujo que se produce entre las caras activa e inactiva (o pasiva), debido a la forma de las secciones de la pala y a su ángulo de ataque. Esta diferente flujo provoca un empuje, por las diferencias de presión que aparecen, de manera similar a como ocurre en las alas de un avión. El resultado es que cada pala produce un empuje en la dirección de avance del barco, gracias al movimiento rotatorio del conjunto.

Algunas definiciones importantes:

o Disco de hélice. Es la sección recta del cilindro circular circunscrito a la hélice. o Área desarrollada de una pala. Es el área verdadera de la superficie activa. o Área desarrollada de la hélice. Es la suma de las áreas desarrolladas de las palas. o Área del disco. Área del disco de la hélice. o Área proyectada de la hélice. Es el área de la proyección de las palas sobre un plano

perpendicular al eje. o Relación del área proyectada. Cociente entre el área proyectada de la hélice y el área del

disco. o Relación del área desarrollada. Cociente entre el área desarrollada de la hélice y el área

del disco.

Hélices en Tobera El flujo de agua se acelera en el disco de la hélice, debido a la presencia de la tobera, esto permite aumentar el coeficiente de estela y el rendimiento de la hélice.


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El rendimiento de este tipo de hélices, frente a las convencionales, es notable cuando el resbalamiento de la hélice es importante, como ocurre en los remolcadores. Existen sistemas que permiten que se pueda girar la tobera alrededor de un eje vertical. De esta manera el propulsor se puede utilizar como timón.

Hélices de Extremos de Pala Cargados Este tipo de hélice incorpora unas placas de cierre en los extremos de las palas que permiten que la distribución radial de empuje en la pala tenga su máximo más cerca del extremo, mejorando de esta forma su rendimiento. La resistencia mecánica de las palas es más crítica que en una hélice convencional. Existen diversas patentes, que se diferencian en la forma y disposición de las placas de cierre.

Hélices Contrarrotativas Son hélices de palas fijas montadas coaxialmente en el mismo eje. Se caracterizan por una mayor eficacia propulsiva, al incrementarse el rendimiento rotativo relativo. Su diseño es muy complejo, debido a los problemas de cavitación que pueden aparecer en la segunda hélice, por lo que se utilizan muy raramente.


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Propulsores de Eje Vertical Consisten en un disco que gira alrededor de un eje vertical y del que cuelgan varias palas. Estas van cambiando su posición durante el giro, de tal manera que adoptan siempre un ángulo conveniente como para que el empuje siempre se produzca en la dirección deseada. El propulsor actúa también de timón y de mecanismo de inversión de marcha, proporcionando gran maniobrabilidad. La gran maniobrabilidad que ofrecen es su mayor ventaja, y en su contra tienen un menor rendimiento que el de una hélice convencional. Hay dos patentes Voith-Schneider y Kirsten-Boeing


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Propulsores a chorro Consiste fundamentalmente en una turbobomba que aspira el agua del mar y la expulsa a gran velocidad a través de una tobera, que en la mayoría de los casos es orientable, lo que permite la maniobra. Este sistema tiene un gran rendimiento para altas velocidades, mientras que es muy poco eficiente para bajas velocidades.

Vela Y no nos olvidemos del sistema de propulsión de buques más común: la vela. El funcionamiento de las velas (de ceñida) en los barcos actuales es similar al de las alas de los aviones, que aprovechan la curvatura de la superficie del ala para conseguir un empuje. La vela actúa modificando la dirección del viento. Este cambio de dirección genera un empuje en la vela, que tiene dos componentes, una lateral y otra en la dirección de avance.

Generadores de Potencia Las tipologías más típicas de sistemas generadores de potencia para propulsión en buques se enumeran a continuación: Motor diesel. Es un motor térmico que funciona según el ciclo termodinámico de igual nombre. La diferencia con respecto a otro tipo de motores de explosión es que los diesel comprimen fuertemente el aire aspirado hasta alcanzar una temperatura que permite el encendido espontáneo del combustible al ser inyectado. Son las plantas más comunes en construcción naval (dejando aparte la vela utilizada casi exclusivamente para la práctica deportiva), representando aproximadamente el 90% del total, debido a su economía de funcionamiento y flexibilidad de opciones.

Diesel lento. Trabajan hasta 400 rpm y suelen ser los que desarrollan la mayor potencia. La lentitud del régimen de rpm se debe al límite que impone la inercia de sus enormes


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partes móviles. Suelen ser reversibles, requiriendo la parada del motor. (rápido, medio, lento). Diesel semirrápido y rápido. Trabajan entre 400 y 900 rpm los primeros y hasta 2000 rpm los segundos. Son notablemente más pequeños que los anteriores al bajar su relación peso potencia hasta los 3 Kg/CV, frente a los 20 Kg/CV de los lentos. Su rango de potencias es también menor, cubriendo una gama hasta aproximadamente 8000 CV.

Turbina de vapor + generador de vapor. Consiste en una cámara a través de la cual circula vapor a elevada presión y temperatura, impulsando el movimiento de unas paletas que están unidas a un rotor. Para mejorar su rendimiento suelen dividirse en dos cuerpos (alta y baja presión de vapor). Requieren de un sistema adicional de generación de vapor (caldera o reactor nuclear). El rendimiento y empacho del sistema completo es sensiblemente peor que en el caso del motor diesel. El uso de estos sistemas está restringido a casos muy especiales, como los inmensos portaviones nucleares, donde la gran potencia necesaria lleva al uso de turbinas de vapor. Turbina de gas. Su principio de funcionamiento consiste en la compresión y combustión de aire, y accionamiento de unas ruedas de paletas coaxiales por el gas resultante. Sus principales características son su baja relación peso/potencia y el gran consumo específico frente a otro tipo de instalaciones. Este segundo hecho restringe su uso prácticamente a instalaciones que exigen la obtención de una gran potencia durante un periodo reducido de funcionamiento, y en combinación con otro tipo de generadores de potencia. El uso de turbinas de gas está en la mayoría de los casos unido a la obtención de altas velocidades y en muchas ocasiones trabajan en combinación con sistemas de propulsión a chorro de agua (waterjets). Otros sistemas. Existen diferentes disposiciones de sistemas de generación de potencia mixtos que combinan diferentes elementos, para aprovechar las ventajas de todos ellos y funcionar en cualquier régimen con un rendimiento óptimo. En algunos casos estas instalaciones incorporan motores eléctricos, que permiten un gran control de la relación potencia/revoluciones, combinan motores diesel y turbinas de gas ... Algunas definiciones:

o Potencia indicada (IHP = Indicated Horsepower) es la potencia del ciclo térmico del motor

o Potencia al freno (BHP = Brake Horsepower) es la potencia del motor, medida en el acoplamiento del motor al eje (por medio de un freno).

o Potencia en el eje (SHP = Shaft Horsepower) es la potencia transmitida a través del eje (medida con un torsiómetro tan cerca de la hélice como sea posible).

o Potencia entregada a la hélice (PHP = Propeller Horsepower) es la potencia entregada a la hélice (descontando las pérdidas en el eje de la anterior).

o Potencia de empuje (THP = Transformed Horsepower) es la potencia transformada por la hélice (se obtiene descontando su rendimiento de la potencia a la hélice).

o Potencia efectiva o de remolque (EHP = Effective Horsepower) es la potencia que realmente se emplea en mover el barco o la potencia que sería necesario emplear para remolcar el barco a la velocidad de proyecto (puede obtenerse descontando de la anterior las pérdidas debidas a la forma del barco, apéndices, etc).


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En el apartado Obtención Experimental de la Resistencia al Avance y del Rendimiento Propulsivo se presenta brevemente la metodología experimental habitual para determinar la potencia propulsiva del buque. A lo dicho en el apartado referido sólo hay que añadir que es posible estimar las características de la hélice del buque a partir de los datos de series sistemáticas, entre las que destaca la serie B (o la más reciente BB). A partir de las características de estas hélices de serie, podemos calcular las de una hélice cualquiera, mediante las expresiones,

0.752

0.75

0.3

0.25

serieBT T D

serieBQ Q D

H c ZK K CD

c ZK K CD

⋅ ⋅= + ⋅∆

⋅= − ⋅∆

Donde H, D son el paso y el diámetro de la hélice, Z el número de palas, c0.75 la cuerda de la pala en la estación 0.75D/2 y ∆CD es el incremento en el coeficiente de resistencia del perfil de la sección. Como ya se ha mencionado, a partir de los valores anteriores, se puede calcular el rendimiento de la hélice como:

2 2A T

oQ

V T KJn Q K

ηπ π

⋅= =

⋅ ⋅


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La potencia propulsiva que se debe instalar en el buque viene entonces definida por:

p pBHP EHP R Vη η= ⋅ = ⋅ ⋅

Donde V es la velocidad de proyecto, y R es la resistencia al avance para esa velocidad. Una vez calculada la potencia propulsiva necesaria para la condición de navegación especificada, se habrá de elegir el motor propulsor, dentro de la gama disponible. La potencia deberá aumentarse en aquellos casos en los que se desee incorporar alguna toma de potencia adicional como PTO (power take off). Por otra parte la potencia pico del motor propulsor que se instalará deberá superar en un 15% (aproximadamente) la potencia calculada, con el objetivo de que la situación de navegación en mar se cumplan los criterios de velocidad exigidos (margen de mar). Asimismo se acostumbra a aumentar en un margen del 10% adicional el valor la potencia instalada, para disminuir los costes de mantenimiento del motor.

Selección del Motor Principal (motor diesel directamente acoplado a la hélice) La Figura 18 muestra la zona de funcionamiento posible de un motor genérico. En ella el punto M es el punto de referencia (100% MCR al 100% de las revoluciones), en el que el rendimiento del motor es máximo. La curva 6 corresponde a la potencia absorbida por el propulsor en situación de pruebas (P = k·rmp3), mientras que la 1 corresponde a la situación real de navegación (aproximadamente un 3% más de potencia a las mismas revoluciones). El área de funcionamiento del motor está delimitada por las curvas:


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3.- Límite de velocidad del motor 4.- Límite par/velocidad 5.- Límite por presión media efectiva 7.- Límite de potencia continua 8.- Límite de sobrecarga

Figura 18. Curva potencia/revoluciones de un motor genérico. La Figura 19 muestra la zona de selección (L1, L2, L3, L4) de un motor genérico, tal y como aparece habitualmente en los catálogos de los fabricantes. Para cada familia de motores se disponen de gráficos donde los cuadriláteros L1-L2-L3-L4 se solapan. Se elegirá un motor que contenga en el interior del cuadrilátero el punto de MCR requerida (M), estando lo más cerca posible de L1 (máximo rendimiento). El punto S, sobre la línea 6, corresponde a la condición de proyecto de la hélice, y el SP a la misma potencia pero en la línea 1. El punto M (punto de selección del motor) se obtiene aumentando en un 10% la potencia absorbida a partir del punto SP.


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Figura 19. Ejemplo de selección de un motor genérico.

Selección de una Hélice de Serie Existen series sistemáticas de hélices que pueden utilizarse para hacer una primera estimación de las características de la hélice. De entre estas series destaca la serie B (y la más reciente BB). Las características de estas hélices de serie se presentan en gráficas o sus expresiones matemáticas que permiten obtener las curvas KT y KQ en función de J=V/(n·D) y H/D. Una de estas gráficas se muestra en la Figura 20. El objetivo de este proceso de selección es obtener la hélice que posea el valor más elevado de rendimiento ηo. Dado un valor del coeficiente KT (o KQ), la hélice con mayor rendimiento está definida por el punto de tangencia vertical con una de las curva ηo. (sólo una de ellas tendrá esta tangencia en la recta vertical definida por el valor de KT o KQ). El proceso de selección de la hélice de la serie BB óptima, seguiría los siguientes pasos:

1. Fijar el número de palas de la hélice y elegir el gráfico de la serie correspondiente. 2. Elegir un valor tentativo del número de revoluciones de giro de la hélice y calcular el

grado de avance (J) de la hélice para ese punto de funcionamiento, así como los valores de los coeficientes KT y KQ.

3. Calcular el punto de mayor rendimiento definido por el punto de tangencia vertical con una de las curva ηo. En la horizontal de ese punto se obtiene el valor de la relación H/D.

4. Comprobar el valor del grado de avance (J) de la hélice en el punto de funcionamiento calculado. Si no coincide con el estimado en 2, volver a estimar el número de revoluciones (promedio entre el estimado y el calculado) y repetir el proceso.


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Figura 20. Curva KT-KQ para la serie BB. Este procedimiento puede utilizarse para calcular una hélice óptima genérica, utilizando las expresiones presentadas en Generadores de Potencia.

2 4

2 5

A

T

Q

VJn D

TKn DQK

n D

δ

ρ

ρ

= =⋅

=⋅ ⋅

=⋅ ⋅


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Sistemas Básicos del Buque

Sistema de Alimentación de Combustible Este sistema tiene como misión proveer de combustible al Motor Principal (MP) en las condiciones requeridas (cuando los Motores Auxiliares utilizan el mismo combustible que el MP, se utiliza el mismo sistema para ambos) Tomaremos como referencia el sistema más común en los buques mercantes, basado en un motor de explosión que consume Fuel Oil. Las características básicas del sistema vienen definidas por la autonomía, los usos y las especificaciones de los elementos. Los objetivos principales del diseño son asegurar un servicio adecuado y el menor consumo energético posible. El Fuel Oil no puede ser directamente utilizado por el motor, requiere de un proceso previo de calentamiento, sedimentación, purificación y separación.

El volumen total de combustible, se calcula como:

Combustible Tq.Alimentación Tq.Sedimentación Tq.ServicioDiario Tq.Reboses TuberíasV = V +V +V +V +V Los volúmenes que se han de considerar son los utilizables (aprox. un 95% del total del tanque). El volumen de tuberías es muy pequeño frente al resto y se puede despreciar en la mayoría de los casos. A partir del volumen anterior, la autonomía del buque se puede calcular como:


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CombustibleVAutonomía= B

e a ea c ec

VP C P C P C

ρ ⋅ ⋅⋅ + ⋅ + ⋅

VB velocidad de servicio del buque (a la que se consideran los consumos) P potencia del motor principal (MP) en servicio Pa potencia motores auxiliares (MMAA) si consumen el mismo combustible que el MP Pc potencia de la caldera auxiliar (si existe) Ce consumo específico MP Cea consumo específico MMAA Cec consumo específico caldera auxiliar ρ densidad del combustible Los criterios habituales para el dimensionamiento de los tanques del sistema son:

El volumen de combustible necesario se calcula a partir de la autonomía especificada. El volumen del tanque de sedimentación se dimensiona como un 15% más del consumo de 24h del MP.

Tq.SedimentaciónV 1.15 24 eP Chρ⋅

= ⋅ ⋅

El volumen de los tanques de servicio diario se dimensionan como un 10% más del consumo de 8h (un turno) o 24h (un día) del MP.

Tq.ServicioDiarioV 1.10 8 eP Chρ⋅

= ⋅ ⋅

El volumen del tanque de reboses se calcula (aproximadamente) de manera similar al de servicio diario (o 1 h de consumo del motor principal si el volumen es excesivo). El volumen del tanque de alimentación se calcula como diferencia entre el volumen total y el del resto de tanques.

Como hemos comentado anteriormente, el Fuel Oil no puede ser directamente inyectado por el motor, requiere de un proceso previo de calentamiento. Asimismo la necesaria purificación del combustible también requiere de un precalentamiento. Por ello, las temperaturas de funcionamiento del sistema vienen definidas por las especificaciones de los elementos (depuradora e inyección), las características del combustible y el requisito de mínimo consumo energético. Los valores habituales de las temperaturas son:

TTq.Alimentación ≅ 40-47ºC (mínimo para poder bombear) TTq.Sedimentación ≅ 60ºC TTq.Reboses ≅ 45-60ºC (la entrada es a ≅ 20ºC) TTq.ServicioDiario ≅ 90ºC TInyección ≅ 110ºC

Las depuradoras requieren el combustible entre 80 y 100oC, por lo que se suele disponer un sistema de calentamiento adicional en su alimentación. Es importante mencionar que la elección de las temperaturas de los tanques debería hacerse para asegurar el mínimo consumo energético posible. Una vez fijadas las temperaturas de cada uno de los tanques, la potencia necesaria para calentar los tanques se puede calcular como:


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Una forma simple de evaluar la potencia necesaria para calentar un tanque es:

superficies( )exterior interior

j j j jc V TQ K S T T

tρ δ

δ⋅ ⋅ ⋅

= + ⋅ ⋅ −∑&

δt incremento de tiempo elegido para el incremento de temperatura δT incremento de temperatura V volumen de combustible en el tanque c calor específico del combustible Kj coeficiente de transmisión de calor de la superficie j Sj área de la superficie j Tj temperatura en la superficie j En la fórmula anterior el primer término se refiere a las necesidades de calentamiento, mientras que el segundo evalúa las pérdidas de calor por las paredes del tanque. En la Figura 21 se dan las indicaciones necesarias para la evaluación de este segundo término. Las necesidades de calefacción instantánea (por ejemplo calentamiento a la entrada de las depuradoras o para la inyección) se pueden estimar por:

Q c q Tρ δ= ⋅ ⋅ ⋅& donde q es el caudal de combustible.

Figura 21. Cálculo de las pérdidas de calor en los tanques.


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Sistema Eléctrico Este sistema tiene como misión generar y/o proveer de energía eléctrica a los diferentes consumidores del buque. Las características básicas del sistema vienen definidas por los usos, las especificaciones de los elementos y el requerimiento de menor consumo energético posible. Las necesidades de energía eléctrica son muy dependientes de la situación de operación y por ello el dimensionamiento del sistema requiere la realización de un balance eléctrico. El balance eléctrico se basa en la estimación del consumo eléctrico medio en cada situación de operación.

Balance Eléctrico Para realizar el balance eléctrico se han de seguir los siguientes pasos/criterios:

o Se definen las diferentes situaciones de operación del barco, entre las cuales hay diferencias significativas de consumo eléctrico (p.ej Navegación, Maniobra atraque, Puerto, Carga, ...)

o Se listan los diferentes consumidores eléctricos en una tabla, indicando el número de unidades instaladas y su potencia máxima.

o Se asignan factores de utilización para cada situación y unidad. o Se determina el consumo medio en cada condición, como suma de los consumos medios

de cada unidad. o Se asigna un margen de seguridad al consumo medio de cada situación. o Se calcula el número y capacidad de los generadores eléctricos y baterías, de manera

que se cumplan las siguientes características: o Se han de poder servir todos los consumos en cada situación. o El sistema de generación/almacenamiento habrá de tener la flexibilidad suficiente como

para atender todas las situaciones, funcionando con el máximo rendimiento posible. o El coste de instalación y mantenimiento del sistema será mínimo.


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Una vez realizado el balance eléctrico se conoce como resultado de este el consumo medio en cada una de las situaciones de operación. A partir de estos datos es necesario determinar


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la capacidad y número de generadores que se instalaran. Las consideraciones de diseño básicas que hay que seguir para esta elección son:

o Si se instala un único generador, en condiciones de carga mínima, su rendimiento será muy bajo (los equipos tienen un límite inferior de potencia generada).

o Si se instalan varios generadores diferentes para atender a las diferencias de consumo, el sistema tendrá gran flexibilidad y alto rendimiento, pero se incrementarán los costes de instalación y mantenimiento, y se necesitarán más respetos.

o Si se instalan varios generadores iguales, el número de respetos necesarios disminuirá, pero puede que el rendimiento del sistema sea menor en condiciones de carga elevadas.

o El sistema debe tener capacidad de responder a la caída de (al menos) un generador, por lo que debe haber un equipo de respeto.

Sistema de Enfriamiento

Existen a bordo diferentes equipos que requieren para su funcionamiento de un servicio de refrigeración (culata, cilindros, turbosoplante, aceite, evaporador, ...). El único líquido refrigerante para ser utilizado a bordo cuya disponibilidad es inmediata, ilimitada y gratuita es el agua de mar, por lo que es evidente su utilización en este sistema. Lamentablemente, el agua marina es muy corrosiva y su uso directo depende de las especificaciones de PH, cloro, sulfato y dureza del elemento. Es por ello que en la mayoría de los casos se instalan circuitos de refrigeración separados para el Agua Salada y Agua Dulce (refrigerado a su vez por Agua Salada). Por otra parte, hay consumidores que requieren que el agua la refrigeración Alta temperatura (culata y camisas MP y MMAA, evaporador, ...) mientras que otros Baja Temperatura (aire admisión, aceite lubricante, ...), por lo que han de instalarse dos circuitos (cuasi independientes). Una opción es utilizar el agua, una vez refrigerados los elementos de Baja temperatura, para el circuito de Alta temperatura. Asimismo, por exigencia de diferentes elementos, el sistema debe ser precalentado, para acercarse a la temperatura de régimen. Los criterios principales del diseño son asegurar un servicio adecuado con el menor coste de instalación y mantenimiento.


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Sistema de Gobierno Daremos aquí las indicaciones básicas para el proyecto de un sistema de gobierno típico, cuyos elementos definitorios son el timón y el servomotor. Las características principales del timón son:

C: cuerda del timón H: altura del timón d: distancia del borde de ataque a la vertical del centro de presiones de la pala do: distancia del eje de la mecha del timón a la vertical del centro de presiones de la pala

El proceso de diseño básico del sistema de gobierno puede seguir estas líneas: 1.- Elección del tipo de timón o timones a emplear con su perfil hidrodinámico. Si no se dispone de mayor información, puede solventarse buscando información sobre buques análogos. Por otra parte existen perfiles hidrodinámicos NACA estándar, cuyo adecuado comportamiento es bien conocido. 2.- Determinación del área de la pala El área de la pala puede estimarse a partir de fórmulas empíricas, como las ofrecidas por diferentes SSCC. Por ejemplo DNV recomienda:

2

1 25100P

L T BLA

⋅ = + ⋅

Donde AP es el área mínima proyectada del timón y L,B,T, eslora, manga y calado del buque, respectivamente.


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3.- Estudio de la posición del timón y su acoplamiento al buque El área calculada debe disponerse de manera adecuada al perfil del codaste del buque, teniendo en cuenta que es recomendable que el timón cubra el diámetro de la hélice, e incluso supere en un 10% a éste. Asimismo la relación de aspecto del buque y el área de compensación deben estar de acuerdo a los valores normales en el tipo de buques proyectados. 4.- Determinación del par torsor máximo y de la potencia del servomotor necesaria El par torsor ( MT = Pn·do ) puede calcularse a partir de los valores de presión normal y centro de presiones de la pala. Estos valores pueden estimarse a partir de las características hidrodinámicas del perfil hidrodinámico o por las siguientes fórmulas experimentales (Jöessel) para timones rectangulares:

( )25.3 · sin

0.2 0.3 sin ,0.2 0.3 sinn

S Vd PC

ρ αα

α⋅ ⋅ ⋅

= + =+

Siendo C la cuerda del timón, S su superficie, V la velocidad del agua que incide en el timón (en primera aproximación se puede suponer que es la velocidad del buque), d la distancia entre el borde de ataque y el centro de presiones, y α el ángulo de metida del timón. Pn es la presión normal. Si el timón no fuera rectangular, habría que descomponerlo en rectángulos elementales, a los que ya se pueden aplicar las fórmulas anteriores. El par torsor máximo se calcula para valores de α en torno a 35º (que es el valor máximo de funcionamiento normal).


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[ ]35º35ºT n oM P d= ⋅

Donde sustituyendo los valores anteriores, obtenemos

( )2

15.3 sin 35º 0.2 0.3sin 35º

0.2 0.3sin 35ºTS VM C dρ⋅ ⋅ ⋅ ⋅

= ⋅ + ⋅ − +

Las SSCC reglamentan el tiempo máximo (tm) para girar el timón de una banda a otra (-35º a 35º), lo que nos permite calcular la potencia media necesaria para realizar esta acción, que puede ser utilizada para estimar la potencia del servomotor requerida.

35º

0

1m n o

m

Q P d dt

α= ⋅ ⋅∫&

Donde sustituyendo los valores anteriores, obtenemos

( )35º 2

10

1 5.3 sin 0.2 0.3sin0.2 0.3sinm

m

S VQ C d dt

ρ α α αα

⋅ ⋅ ⋅ ⋅= ⋅ + ⋅ − ⋅ +∫&

Es conveniente señalar la importancia que el área de compensación (definida por la distancia d1) tiene sobre la potencia de servomotor necesaria. La relación del área de compensación y el área de la pala suele estar entre 0.2 y 0.3.


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Cálculo del Desplazamiento El objetivo de esta lección es aprender la metodología de cálculo directo del desplazamiento y del centro de gravedad del buque, y en particular de su peso en rosca. En el desarrollo prestaremos especial atención al cálculo del peso del acero o de la estructura, como aspecto más significativo del cálculo del desplazamiento. El cálculo del desplazamiento del buque se llevará a cabo cuando:

o Sea necesaria la determinación del calado y trimado y la evaluación del volumen de carga en cada situación.

o Sea necesaria la evaluación de las características de estabilidad. o Sea necesario para la estimación de costes. o Se ha determinado que el desplazamiento es un aspecto crítico del proyecto. El

desplazamiento es, en la mayoría de los casos un aspecto determinante del proyecto. Debido a ello el desplazamiento del buque suele evaluarse y corregirse varias veces a lo largo del proyecto.

El desplazamiento (∆) o peso del buque, puede estimarse a partir de los datos de un buque base o bien directamente. En este último caso necesitamos calcular los pesos de cada uno de los elementos que componen el buque. El desplazamiento del buque se descompone en dos partidas principales, el peso en rosca (LWT) y el peso muerto (DWT). En algunos casos se añade a las anteriores partidas el lastre fijo (aunque conceptualmente se incluiría en el peso en rosca).

∆ = LWT + DWT

LWT. El peso en rosca es la suma de todos los pesos del buque listo para navegar, excluyendo, carga, pasaje, tripulación, pertrechos y consumos, pero incluyendo fluidos en aparatos y tuberías. DWT. El peso muerto corresponde a carga, pasaje, tripulación, pertrechos y consumos, es decir, el resto del desplazamiento que no pertenece a la partida de peso en rosca.

Peso en Rosca En muchas ocasiones el peso del buque en rosca debe calcularse en diferentes fases del proyecto, al objeto de controlar que este se mantiene dentro de los márgenes previstos. El peso del buque en rosca suele dividirse en tres partidas principales:

Peso de la estructura (o del acero). Peso de la Maquinaria. Peso del Equipo.

Es importante tener en cuenta que cada servicio o partida de las anteriores incluyen sus tuberías, el contenido de estas, los polines y todo el aparellaje eléctrico. En la mayoría de los casos, es muy recomendable incluir en la partida de peso en rosca un margen. El propósito de este es asegurar la consecución del peso muerto requerido, en el caso de que haya habido una infraestimación del peso en rosca (o sobreestimación del desplazamiento). La necesidad del margen viene dada por la probabilidad, en cada caso, de encontrar este tipo de problemas y por la severidad de los en caso de no cumplir las especificaciones.


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Cuando el peso en rosca representa una gran proporción del desplazamiento, frente al peso muerto, la influencia de un error en el cálculo del peso en rosca puede ser muy importante. Es en estos casos cuando deben considerarse márgenes de hasta un 2% sobre el peso en rosca. Otra alternativa es calcular diferentes porcentajes de margen sobre cada una de las partidas del peso en rosca, dependiendo de la exactitud/fiabilidad en su determinación.

Peso de la Estructura

Los métodos más habituales para estimar el peso de la estructura (PS) son:

o El peso de la estructura, en las primeras fases del proyecto (cuando sólo se conocen los requisitos de partida) se hace depender del parámetro crítico del proyecto (peso muerto, volumen de carga, unidades de carga, área de aparcamiento)

o Se suelen utilizar funciones del tipo PS = k Xn siendo X el parámetro crítico y k y n constantes a determinar a partir de (al menos 2 buques similares). En muchas ocasiones se toma k = 1.

o En etapas más avanzadas del proyecto, cuando se conozcan las dimensiones principales del buque, el procedimiento para calcular el peso de la estructura se puede basar en los denominados métodos por numerales, por ejemplo (donde k es una constante a determinar que para buques mercantes oscila en el rango 0.07-0.11).

o Otros métodos más exactos son los métodos de superficies que se apoyan en el conocimiento de las áreas de las diversas zonas estructurales y en caso de no conocerlas facilitan fórmulas empíricas para calcularlas aproximadamente. A modo de ejemplo, el método de Carstens estima el peso de la estructura como:

PS = (SL·SH·ST)·ds + PC


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Siendo SL el área de las superficies longitudinales verticales, SH el área de las superficies horizontales y ST el área de las superficies transversales. ds es la densidad superficial que depende del buque, tipo de construcción, ... y PC incluye algunos pesos complementarios.

o En etapas avanzadas del proyecto, el procedimiento para calcular el peso de la estructura se basará en el escantillonado de la cuaderna maestra y de las secciones tipo. Este tipo de aproximación será la que presentaremos a continuación.

A continuación se presentará el método de Aldwinckle (utilizado por el Lloyd's Register of Shipping), para el cálculo del peso del acero. Este método se basa en la determinación de una distribución de peso continuo equivalente a la real del buque. Para ello se llevarán a cabo las siguientes fases:

1. Escantillonado de la cuaderna maestra. 2. Cálculo del peso longitudinal unitario (por metro) de la cuaderna maestra. 3. Cálculo del peso transversal unitario (por metro) de la cuaderna maestra. 4. Estimación de la distribución de acero longitudinal continuo. 5. Estimación de la distribución de acero transversal continuo. 6. Cálculo de la distribución de acero continuo y del peso de acero. 7. Cálculo del centro de gravedad del acero continuo.

1. Escantillonado de la cuaderna maestra El punto de partida necesario para este proceso es la definición estructural es un diseño de cuaderna maestra (escantillonado). Esta definición se


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plasmará en un plano y una tabla de características de los elementos.

2. Cálculo del peso longitudinal unitario (por metro) de la cuaderna maestra. Se calcula el peso por metro y el centro de gravedad de cada uno de los elementos longitudinales de la cuaderna maestra. La suma de los pesos elementales nos dará el peso longitudinal unitario de la cuaderna maestra. Finalmente calculamos el centro de gravedad de los elementos longitudinales de la cuaderna maestra según:

i i iG i G i G ii i i

G G Gi i i

i i i

X W Y W Z WX = Y = Z =

W W W

∑ ∑ ∑∑ ∑ ∑


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3. Cálculo del peso transversal unitario (por metro) de la cuaderna maestra. Se calcula el peso por metro (equivalente) y el centro de gravedad de cada uno de los elementos transversales de la cuaderna maestra. Para ello hay que tener en cuenta el espaciado entre cuadernas/bulárcamas, según: Peso transversal cuaderna/m = Nº cuadernas entre

bulárcamas x Peso transversal cuaderna / Distancia entre

bulárcamas

Peso transversal bulárcama/m = Peso transversal

bulárcama / Distancia entre bulárcamas

La suma de los pesos elementales nos dará el peso transversal unitario de la cuaderna maestra. Finalmente calculamos el centro de gravedad de los elementos longitudinales de la cuaderna maestra según:

iG ii

Gi

i

X WX =

W

∑∑


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4. Estimación de la distribución de acero longitudinal continuo. Se calculan los valores de la distribución de acero longitudinal para cada sección, definida por el método (1-20), el producto del peso longitudinal unitario de la cuaderna maestra por la relación entre los perímetros de la sección y la cuaderna maestra elevados a un factor de ponderación, que depende del tipo de buque y de la sección.

imL L

i mm

PW WP

=

Sección (n) X (m.) P (m.) Pm (m.) P/Pm m Wm (Ton.) Wn (Ton) 0 0.0 3.20 22.34 0.143 2.40 6.877 0.064 1 5.0 15.59 22.34 0.698 3.25 6.877 2.133 2 10.0 16.75 22.34 0.750 3.20 6.877 2.735 3 15.0 18.24 22.34 0.816 2.92 6.877 3.802 4 20.0 19.89 22.34 0.890 2.67 6.877 5.044 5 25.0 21.30 22.34 0.953 2.40 6.877 6.130 6 30.0 22.10 22.34 0.989 2.12 6.877 6.721 7 35.0 22.26 22.34 0.996 1.84 6.877 6.829 8 40.0 22.34 22.34 1.000 1.57 6.877 6.877 9 45.0 22.34 22.34 1.000 1.25 6.877 6.877 10 50.0 22.34 22.34 1.000 1.00 6.877 6.877 11 55.0 22.24 22.34 0.995 1.11 6.877 6.840 12 60.0 22.22 22.34 0.994 1.25 6.877 6.828 13 65.0 22.02 22.34 0.986 1.36 6.877 6.744 14 70.0 21.54 22.34 0.964 1.55 6.877 6.499 15 75.0 20.66 22.34 0.925 1.90 6.877 5.924 16 80.0 19.16 22.34 0.858 2.23 6.877 4.882 17 85.0 16.91 22.34 0.757 2.50 6.877 3.427 18 90.0 14.32 22.34 0.641 3.07 6.877 1.755 19 95.0 12.13 22.34 0.543 3.85 6.877 0.655 20 100.0 10.44 22.34 0.467 3.15 6.877 0.625


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5. Estimación de la distribución de acero transversal continuo. Se calculan los valores de la distribución de acero longitudinal para cada sección, definida por el método (1-20), Se calcula para cada sección el producto del peso transversal unitario de la cuaderna maestra por la relación entre las áreas de la sección y la cuaderna maestra elevados a un factor de ponderación que depende del tipo de buque y de la sección.

ipT T

i mm

AW WA

=

6. Cálculo de la distribución de acero continuo y del peso de acero. Se obtiene la distribución de acero continuo como suma de las distribución de acero continuo longitudinal y transversal Se integra la distribución de acero continuo por cualquiera de los esquemas numéricos disponibles (Regla de Simpson, regla del trapecio, ... ). 7. Cálculo del centro de gravedad del acero continuo. Se obtiene el centro de gravedad del acero continuo, a partir de la distribución de acero continuo, utilizando las siguiente fórmulas (Regla de Simpson, regla del trapecio, ... ).

G

X×WdxX =

Wdx∫∫

A los pesos estimados habría que añadirles los pesos de la superestructura, cuando esta no se considere en otras partidas. Si sólo se requiriese tener una estimación grosera del peso del acero, puede utilizarse la fórmula de Watson (donde K1 y K2 son constantes que dependen del tipo de buque):

1 2BLW C L B K L K DD

= ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ + ⋅

Sección (n) X (m.) An (m2) Am (m2) An/Am p Wm (Ton.) Wn (Ton) 0 0.0 4.86 56.98 0.085 0.50 2.174 0.635 1 5.0 12.73 56.98 0.223 0.65 2.174 0.821 2 10.0 25.69 56.98 0.451 0.78 2.174 1.168 3 15.0 37.59 56.98 0.660 0.87 2.174 1.514 4 20.0 47.61 56.98 0.836 0.94 2.174 1.836 5 25.0 54.24 56.98 0.952 0.99 2.174 2.071 6 30.0 56.08 56.98 0.984 1.00 2.174 2.140 7 35.0 56.83 56.98 0.997 1.00 2.174 2.168 8 40.0 56.98 56.98 1.000 1.00 2.174 2.174 9 45.0 56.98 56.98 1.000 1.00 2.174 2.174 10 50.0 56.98 56.98 1.000 1.00 2.174 2.174 11 55.0 56.80 56.98 0.997 1.00 2.174 2.167 12 60.0 56.61 56.98 0.994 1.00 2.174 2.160 13 65.0 56.42 56.98 0.990 1.00 2.174 2.191 14 70.0 56.31 56.98 0.988 1.00 2.174 2.148 15 75.0 53.15 56.98 0.933 0.98 2.174 2.031 16 80.0 46.99 56.98 0.825 0.94 2.174 1.814 17 85.0 37.19 56.98 0.653 0.87 2.174 1.500 18 90.0 24.79 56.98 0.435 0.78 2.174 1.136 19 95.0 15.20 56.98 0.267 0.65 2.174 0.921 20 100.0 6.27 56.98 0.110 0.50 2.174 0.721


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Otra posibilidad consiste en construir las curvas de acero continuo a partir de otras conocidas, o mediante reglas básicas basadas en la experiencia (a partir de CB, LCC y LCB). Ver referencia [2]. Finalmente, como complemento a los cálculos anteriores, la siguiente fórmula para la estimación de la posición vertical del centro de gravedad de la estructura (propuesta por Kuppras):

[ ]2

G BL LZ =0.01 D 46.6+0.135 0.81-C + -6.5 0.008 D (m)D B

⋅ ⋅ ⋅

Peso de la Maquinaria Para estimar el peso de la maquinaria en fases iniciales del proyecto, se suelen utilizar fórmulas empíricas del tipo [3]:

( ) ( ) ( )b

d fCM EJ

BHPPQR=a c BHP e V g Lrpm

⋅ + ⋅ + ⋅ + ⋅

Donde BHP es la potencia al freno del motor, rpm sus revoluciones por minuto, VCM el volumen de la cámara de máquinas y LEJ la longitud de la línea de ejes. En la anterior fórmula, el primer término representa el peso del motor, el segundo el peso de la restante maquinaria propulsora y los otros términos el peso restante. En etapas más avanzadas del proyecto del buque, el peso de la maquinaria se realiza por suma directa de los pesos de cada una de las partidas. Este peso puede conocerse directamente o bien estimarse a partir de fórmulas de base experimental.

Elemento Peso Xg Yg Zg Motor Principal 26.0 13.3 0 3.5 Auxiliares 22.3 20.1 0 5.6 Generador de emergencia 6.3 4.0 3.5 17.6 Caldera aceite térmico 3.3 15.5 -1.1 10.5 Caldereta de Gases 4.5 15.5 -1.1 15.2 Hélice Lateral 5.6 93.0 1 2.1 Generador de agua dulce, incinerador, sep. sentinas,... 4.8 13.2 0 4.2 Propulsor 4.7 2.1 0 2.1 Eje 4.3 6.4 0 2.1 Reductora 10.8 9.4 0 2.2 Cableado eléctrico 37.0 28.3 0 10.5 Planes (Tecles) 7.3 13.9 0 4.5 Escape y Silencioso 5.0 9.5 -0.3 9 Escape Auxiliares 2.0 9.1 -0.5 9.9 Respetos y Herramientas 3.0 13.4 0 5.8 Ventilación Cámara de Máquinas 3.1 4.9 3.4 11.5 Bombas y Tuberías diversas 42.8 13.2 0.5 4.1 Purificadoras 3.0 20.1 0 5.6 Generador de Agua Dulce 1.1 10.7 4.2 8.3 Incinerador 0.4 18.4 0 2 Planta trat. aguas residuales 1.8 11.2 5.5 2.1 Líquidos en circuitos 30.0 37.3 0 3.9 Equipo Hidráulico 5.0 20.1 -5.1 8.3 Varios 5.0 16.5 0 5.8 Total 239.10 20.48 0.16 6.01


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Peso del Equipo Las partidas que corresponden al peso del equipo son:

o Protección anticorrosiva o Equipo de amarre y fondeo o Equipo de navegación o Equipo de gobierno o Equipo de salvamento y contra incendios o Equipo de carga y manipulación o Acondicionamiento de bodegas y tanques de carga o Cierres diversos y accesos o Habilitación

De la anterior lista, hay que destacar que en muchas ocasiones, y dependiendo de su importancia, las partidas de equipo de carga y manipulación y habilitación se consideran por separado. Para estimar el peso del equipo en fases iniciales del proyecto, se suelen utilizar fórmulas empíricas del tipo:

PE=k L B+k'⋅ ⋅ Donde k y k’ son valores que se han de estimar a partir de los datos de buques similares. Sino se dispusiera de estos datos, pueden utilizarse fórmulas como:

PE=277+0.115 L B (Tm)⋅ ⋅


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En etapas más avanzadas del proyecto del buque, el peso del equipo se realiza por suma directa de los pesos de cada una de las partidas. Este peso puede conocerse directamente o bien estimarse a partir de fórmulas de base experimental.

Para estimar el peso de la habilitación (PA), suelen usarse métodos que se basan en el área o volumen de estos espacios. Unas fórmulas simples y útiles son:

PA=0.16 AA (Tm)PA=pa n (Tm)

⋅⋅

Donde AA es el área de alojamientos en m2 y n el número de tripulantes. pa varía entre 4 y 6 según el estándar de alojamientos.

Peso Muerto El peso muerto del buque suele incluirse en las especificaciones del buque. Suele ser la mejor manera, para el armador, de especificar la capacidad de carga requerida. En caso contrario habrá que calcularlo directamente, a partir de los datos disponibles y de las especificaciones. Las partidas que se incluyen en el peso muerto, y que no corresponden a la carga, se refieren a: combustible para los motores principales y auxiliares, agua dulce para cualquier propósito, cualquier tipo de elementos almacenados, contenido de tanques diversos, tripulación y pertrechos, pasajeros y equipaje, agua en piscinas, ...) El peso muerto que se debe usar para determinar el desplazamiento, debe ser el máximo que pueda darse en un momento del servicio del buque.

Elemento Peso Xg Yg Zg Anclas incluida respeto 8.60 94.1 3 10.1 Cadenas y Amarras 23.50 90.1 0 10.9 Escobén 3.60 98.4 0 9.9 Molinetes 5.70 88.0 0 12.2 Maquinillas 16.50 24.7 0 11.5 Circuitos Hidráulicos 8.50 45.3 0 8.2 Bitas, Guías y otros 15.60 42.3 0 11.3 Propulsor respeto 4.70 73.1 5 8.5 Servomotor y eje 4.30 0.0 0 7.1 Pala del timón 6.50 -1.2 0 2.5 Pintura 10.80 46.7 0 5.7 Protección Catódica del casco 1.80 44.5 0 1 Protección Catódica de los tanques de lastre 2.76 62.3 0 3.5 Botes 9.50 6.3 -4.7 15.3 Balsas y otros 0.60 10.0 0 14.6 Pescantes y rampa de botes 6.00 -1.5 -4.5 15.1 Escaleras en cubierta 1.20 55.1 0 9.2 Grúa de servicio 1.60 1.7 0 12 Equipo de Gobierno 1.51 19.9 0 21.5 Equipo de navegación,palos, radar, antenas ... 4.10 16.5 0 25.9 Palo de luces de proa 3.00 94.4 0 15.1 Instalación C.I. por espuma 7.60 12.4 -5.2 12 Instalación C.I. en cámara de máquinas 3.00 14.1 0 7.4 Polines 18.00 19.1 0 3.8 Bombas de Carga de pozo profundo 13.40 57.1 0 6.5 Lineas de carga en tanques 7.40 61.1 0 4.5 Lineas de carga en cubierta 20.00 58.6 0 8.5 Equipo de carga en tanques 26.60 57.1 0 6 Escaleras y escotillas de acceso a los tanques de carga 18.10 56.9 0 7.8 Sistema de calentamiento de la carga 8.90 54.9 0 2.5 Pasarela 31.40 54.7 0 10.2 Grúa del colector 7.70 45.0 0 13.1 Tubería del colector 3.50 50.9 0 9 Ventilación y sondas de Tanques 3.50 51.8 0 7.3 Escalas y plataformas de acceso a tanques 3.60 55.8 0 4.5 Escotillas varias 9.60 53.2 0 7.8


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Referencias [1] R. Alvariño, J.J. Azpíroz y M. Meizoso. El proyecto básico del buque mercante. FEIN.

Madrid 1997. [2] D.G.M. Watson. Practical Ship Design. Volume 1. Elsevier Ocean Eng. Book Series.

Oxford 1998. [3] M. Meizoso. Cálculo del Desplazamiento. Método Directo. ETSIN-UPM. Madrid 1987. [4] M. Meizoso y J. García. Ecuación del Desplazamiento. Peso en Rosca y Peso Muerto.

ETSIN-UPM Servicio de Publicaciones. Madrid 1990. [5] G. Pérez. Teoría del Buque (Máquinas) Vol. IIA y IIB. ETSIN UPM. Madrid 1983. [6] H. Schneekluth y V. Bertram. Ship design for efficiency and economy. Butterworth-

Heinemann. 1998. [7] L. Pérez Rojas y R. Abad Arroyo. Teoría del Buque (Prácticas). ETSIN-UPM. 1991. [8] J. Holtrop. A Statistical Analysis of Performance Test Results. International Ship Building

Progress, Febrero 1977. [9] J. Holtrop y M. Mennen. A Statistical Power Prediction Method. International Ship

Building Progress, Vol. 25, Octubre1978. [10] J. Holtrop y M. Mennen. An Approximate Power Prediction Method. International Ship

Building Progress, Vol. 29, Julio 1982. [11] J. Holtrop y M. Mennen. A Statistical Re-Analysis of Resistance and Propulsion Data.

International Ship Building Progress, Vol. 31, Noviembre 1984.

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