Diseño e Ingeniería Naval

Estabilidad, Arqueo, Francobordo y Lanzamiento

Inundación

Se produce cuando un buque sufre un desgarro en la obra viva a causa de una colisión, varada u otro motivo, y por este motivo, el agua del mar ocupa el compartimento siniestrado produciendo una inundación. El compartimento objeto de la inundación puede estar o no limitado en altura.

Compartimento Limitado por Altura

La altura es inferior a la flotación exterior antes de la avería. El agua de mar ocupará totalmente el espacio. Es fácil calcular el peso del agua y su posición del centro de gravedad; es un embarque de peso definido en cantidad y posición, por lo tanto, se limitará a variar la posición del centro de gravedad del buque y sus calados.

Compartimento no Limitado por Altura

Si la altura está por encima de la flotación exterior, el agua de mar irá ocupando el espacio siniestrado hasta que la flotación en su interior sea igual a la flotación exterior del buque después de la inundación. En este caso, las flotaciones exteriores e interiores están equilibradas y seguiremos el método de desplazamiento constante (se considera que la parte inundada ya no forma parte del barco, es decir, no añadimos peso, y el desplazamiento y la posición del centro de gravedad no varían, pero sí varía la forma de la carena perdiendo esta zona inundada y la tendremos que equilibrar con la rebanada sumergida, ya que el desplazamiento debe ser el mismo); este método toma la KG constante, así que tendremos que tener en cuenta una variable menos para solucionarlo. El espacio inundado puede estar, antes de la inundación, lleno o vacío; de esto dependerá la cantidad de agua que entrará.

Permeabilidad

La permeabilidad volumétrica es el porcentaje de volumen que el agua puede ocupar un espacio. (μ)

Se divide al buque en 3 zonas:

• Cámara de máquinas y caldera
• Compartimentos situados a proa de la cámara de máquinas y calderas
• Compartimentos situados a popa de la cámara de máquinas y calderas

Existe también la permeabilidad de Superficie (cantidad de superficie que se pierde en un compartimento por la inundación, expresado en %). Cuando no se llena completamente una zona inundada, nos produce una superficie libre que afecta negativamente a la estabilidad del buque; la pérdida de inercia se verá disminuida por la superficie no afectada. Esta permeabilidad solo se usa para calcular la pérdida de GM.

Compartimentación

Definiciones de las esloras inundables para su estudio:

• Cubierta de cierre: Es la cubierta más alta a la que llegan los mamparos transversales estancos.
• Línea de margen: La línea paralela a la cubierta de cierre en el costado y situada a 3 pulgadas por debajo de ella, define las flotaciones límites del buque, ya que las que tengan un calado por encima no serán admisibles.
• Eslora inundable en un punto dado de la eslora: Es la longitud máxima de eslora que puede ser inundada sin que se sumerja la línea de margen. La eslora inundable se representa mediante la curva de inundación que se obtiene midiendo las coordenadas de la eslora inundable en cada uno de los puntos de la eslora del buque.
• Factor de subdivisión: Número arbitrario que depende de la eslora y servicio del buque. Al producto de ese factor por la Eslora Inundable es la Eslora Admisible.
• Carena intacta: Aquellos espacios que, aun estando en la zona siniestrada, no sufren los efectos de la inundación. Esto afectará a los cálculos de estabilidad dependiendo de que la parte afectada esté por encima o por debajo de la flotación inundante y al calado, disminuyendo la inmersión y estabilidad.

Efectos de la Inundación

• Inmersión y asiento
• Modificación de la estabilidad
• Escora

Inmersión y Asiento

El buque se sumergirá una cierta cantidad que dependerá de la cantidad de agua que entre en el compartimento siniestrado; el volumen de la rebanada de inmersión será igual al del compartimento inundado. Es decir, al inundarse un compartimento cualquiera de volumen V y considerando que, como consecuencia de ello, se pierde el empuje del espacio siniestrado, el buque tenderá a recuperarlo sumergiéndose paralelamente una cierta rebanada cuyo volumen equivale a V. El valor del nuevo calado se puede obtener de las curvas hidrostáticas.

Modificación de la Estabilidad

La estabilidad inicial del buque depende del valor de GM. La solución del problema puede ser como la adición de un peso o por el método del desplazamiento constante. Al ser el desplazamiento constante, el valor de KG permanece constante y, por tanto, la variación de GM depende de la modificación de KB y BM. El KB aumenta debido al incremento de calado. El radio metacéntrico disminuye por la pérdida de inercia de la flotación. El efecto final será una pérdida o ganancia de estabilidad que no se puede aumentar a priori, ya que en ello influyen las formas del buque y la eslora del espacio inundado.

Escora

Si los espacios inundados son asimétricos con respecto a la línea de crujía, el buque se escora hasta que el centro de carena del volumen sin inundar se sitúe en un plano longitudinal que pase por el c.d.g. del buque y sea normal a la flotación.

Arqueo

Se llama arqueo a la capacidad de un buque en toneladas de arqueo. Arquear un buque es un conjunto de operaciones para obtener su capacidad, de acuerdo con el reglamento. Su objetivo es la aplicación de cargas fiscales, así como otras leyes y disposiciones del derecho marítimo.

Determina:

• Titulaciones y tripulaciones mínimas
• Equipo de salvamento
• Equipo y material contraincendios
• Normativa de aplicación
• Capacidad de pesca
• Ayudas y subvenciones

Reglamentación de arqueo 1909 (TRB, TRN). Se aplica a los buques mercantes a los que no les es de aplicación el Reglamento de 1969 y a todos los buques pesqueros a efectos de limitar el aumento de tonelaje. Todos los buques nacionales con L < 24 m.

Espacios exentos de arqueo bruto:

• Tanques de lastre situados en el doble fondo y los situados a proa del mamparo de colisión.
• Entrepuente de la bodega de carga.
• Parque de elaboración de pesca.
• Guardacalor de máquinas por encima de la cubierta.
• Espacios sobre cubierta que contengan maquinaria.
• Superestructuras sobre cubierta que no tengan medios permanentes de cierre ni posibilidad de instalarlos.
• Espacios sobre cubierta que contengan baterías, condensadores y equipos de seguridad.
• Caja de cadenas
• Lumbreras de máquinas.
• Pañoles del contramaestre, bombero, etc.
• Tambucho y escotillas.
• Bajadas.
• Cocina y panadería.
• Lavabos, sanitarios.
• Escotillas de bodegas hasta un límite del 0.5 % del arqueo bruto.
• Tanques estabilizadores que usen un fluido que no sea carga líquida ni combustible.
• Puente de gobierno.

Espacios exentos de arqueo neto:

• Pañol de velas.
• Pañoles de luces y pañoles y talleres mecánicos.
• Espacio del servomotor y caja de cadenas cuando estén debajo de la cubierta de arqueo.
• Alojamientos del Capitán y tripulación.
• Espacios donde se encuentran las provisiones.
• Cámara de bombas situadas bajo la cubierta de arqueo.
• Tanques de lastre.
• Espacios de máquinas.

Reglamentación de arqueo de 1969 (GT, NT). Se aplica a todos los buques excepto buques de guerra, buques de pesca y buques de L < 24 m.

Arqueo por la Segunda Regla. Se emplea para calcular el arqueo bajo cubierta cuando es impracticable la aplicación del Reglamento de arqueo o bien cuando se quiere obtener de una forma rápida la magnitud del arqueo bajo cubierta de una embarcación. La Administración española permite la expedición del certificado de arqueo por el cálculo de la Segunda Regla en aquellas embarcaciones cuyo arqueo bruto sea inferior a 20 TRB, excepto en las de pesca donde está taxativamente vedada.

Estos son los principales aspectos que intervienen:

• Tonelaje Bruto: capacidad total del buque
• Tonelaje neto: capacidad disponible para carga y pasajeros
• Tonelada de arqueo: unidad para el arqueo (2,83m³)

Definiciones:

• Cubierta de arqueo: Es la superior en los buques con una o dos cubiertas y la segunda en aquellos buques que tienen más de dos. La cubierta de arqueo ha de ser continua de proa a popa, por lo que en el espacio de máquinas debe disponer de la traca de trancanil a lo largo del mismo. [Cuando existe un saltillo en la cubierta de arqueo, se prolongará paralelamente a la parte elevada de dicha cubierta y el arqueo se mide hasta la línea de prolongación. Sin embargo, si fuese posible establecer una línea de prolongación de la cubierta de arqueo a través del saltillo, ésta será considerada como cubierta de arqueo.]
• Eslora de arqueo: *En buques de madera, es la longitud de la cubierta de arqueo medida en línea recta, en el plano central del buque desde el interior de la roda, hasta la cara interior del refuerzo de popa. *En buques de acero, es la longitud de la cubierta de arqueo medida en línea recta en el plano central del buque, desde el punto de intersección de las líneas trazadas por el extremo de las cuadernas hasta la intersección de las mismas líneas en popa.

Francobordo

El francobordo es la distancia medida en el costado del buque en milímetros, desde la cara superior de la cubierta de francobordo hasta el centro del disco de máxima carga, en la sección media. Asignar un francobordo a un buque es una contribución a su seguridad, a la de la tripulación y carga, y sus efectos más importantes son:

• Marca una altura de obra muerta que protege a la cubierta contra los golpes de mar.
• Da una reserva de flotabilidad al buque.
• Contribuye a mejorar la estabilidad transversal, ya que supone un aumento del ángulo para el que la estabilidad se anula, aunque la estabilidad inicial disminuya.
• Un francobordo bien distribuido, según una línea de arrufo adecuada, es decir, mayor en proa y popa que en el centro, hace al buque más marinero.
• El francobordo limita y garantiza la carga máxima que puede llevar el buque.

La jerarquía de condiciones que un buque debe cumplir es:

• La estabilidad
• El francobordo estructural
• El francobordo de formas

Definiciones:

• Cubierta de francobordo: cubierta que está a la intemperie y está provista de cierres permanentes. Si tenemos una cubierta de francobordo discontinua, la línea inferior de la cubierta se prolongará tomando esta como la cubierta de francobordo. Se pueden obtener dos francobordos distintos: • Por las formas del buque y sus dimensiones. • Por sus escantillones.
• Puntal de francobordo: Es el puntal empleado para el cálculo del francobordo, puntal de trazado aumentando en el espesor del trancanil. Buque de cubierta corrida: Es un buque que carece de superestructura sobre la cubierta de francobordo; si las superestructuras están separadas del costado más de un 4% de la manga, el buque es de cubierta corrida. Centro del buque: Es el punto medio de la eslora de flotación en carga correspondiente a la marca de verano.
• Eslora de francobordo: El 96 % de la eslora a una flotación al 85 % del puntal de francobordo. La longitud desde la cara de proa de la roda al eje del timón en la flotación del 85 % del puntal de francobordo. Coincide con la eslora entre perpendiculares.
• Puntal de trazado: Es la distancia vertical en metros medida en el centro del buque, desde la parte alta de la quilla hasta la cara superior del bao de la cubierta de francobordo en el costado.

Varada

Se dice que un barco vara, cuando algún punto o zona del forro entra en contacto con tierra. Puede provocar averías que pueden dar lugar a inundaciones estudiadas anteriormente si se produce un fallo en la estructura que haga perder la estanqueidad del casco. Cuando un buque toca fondo, a medida que baja el nivel exterior del agua, va disminuyendo el volumen de carena y el buque no flota libremente. El peso del buque (Δ) inicialmente estaba contrarrestado por el empuje (∇·ρ), al disminuir Δ, el nuevo volumen de carena será ∇₁, es decir, esta pérdida de empuje debe ser equilibrada por una fuerza vertical que es la reacción (R) sobre el fondo en el punto o zona de varada. La nueva ecuación de equilibrio será: Δ=∇₁*ρ+R. El efecto producido sobre la estabilidad y calados, a medida que baja el nivel exterior del agua, es el mismo que el de la descarga de un peso de valor R en el punto de la varada. Este peso equivale a la pérdida de empuje desde el instante en que varó hasta el momento en que se considera.

• Anulación de la varada: Para quedar libre de la varada, bastaría con descargar un peso mayor o igual a la reacción en la vertical del punto de varada. Con ello, la reacción se anularía. O bien, descargando de un punto más alejado del centro de flotación (XF) que el punto de varada, podemos provocar un momento longitudinal P·dl mayor o igual que el momento R·dF que haría que el buque despegara del fondo.

Lanzamiento

Es la operación de transferir el buque desde el lugar en que ha sido construido hasta que el buque flota libremente.

Grada de Construcción: Lugar donde se ensamblan los distintos bloques que forman el buque; debe estar situada cerca del mar. Consiste en un plano inclinado con una pendiente de entre 3.5 y 4.5 % y está construida en hormigón convenientemente reforzado para aguantar el peso del buque y los esfuerzos en el lanzamiento en las zonas donde se produzcan sobrepresiones. Se llama antegrada a la zona que puede estar bajo el agua por acciones de las mareas y para conseguir el calado suficiente para la botadura. En esta zona normalmente no se construye.

Cama de Construcción: Está formada por los conjuntos de elementos donde se apoya el buque durante su construcción y que se desmonta para efectuar el lanzamiento; fundamentalmente son:

• Picaderos de quilla: Se sitúan entre la grada de construcción y la quilla del buque, sirven de apoyo a la quilla del barco y están constituidas por vigas o tacos de madera maciza de manera que alcancen una altura suficiente para trabajar en el fondo del buque. Han de poder desmontarse fácilmente para proceder al lanzamiento del buque. Debe tomar una pendiente de un 4.5 a un 5 %.
• Almohadas de pantoque: Son una especie de picaderos, así mismo desmontables, que se sitúan a ambos lados de los picaderos de quilla; deben soportar el peso del buque (teniendo en cuenta que la resistencia a la compresión de la madera es del orden de 16.4 K/cm²) y deben adaptarse a las formas del buque a las que sirven de apoyo. La zona de grada donde se sitúan debe estar reforzada, así como la zona del buque en que se apoyen.
• Puntales: Son vigas de madera de distintas longitudes y diámetros que sirven para soportar las zonas de las formas de proa y popa, y para reforzar algunas zonas.

Cama de Lanzamiento: Son los elementos donde se apoya el buque cuando se desplaza durante el lanzamiento y que se mantienen fijos respecto a la grada. Se monta cuando está finalizando la construcción del buque. Poco antes del lanzamiento, se transfiere el peso del buque desde la cama de construcción a la cama de lanzamiento; esto se consigue desmontando los picaderos y almohadas de pantoque. Están constituidos por las imadas con sus picaderos de apoyo y las piezas de unión de las imadas. Las imadas son vigas de madera empernadas en el sentido transversal y de un ancho que depende del peso del buque y que oscila entre 30 y 150 centímetros; son como los raíles sobre los que se desliza el buque durante el lanzamiento; a un lado de la imada se coloca una pieza de madera llamada guardasebo. Las imadas se apoyan en picaderos situados sobre tablones empotrados en la grada y fijados entre sí de manera que no pueden desplazarse cuando el buque se desliza.

Cuna de Lanzamiento: Son los elementos que se desplazan con el buque durante su lanzamiento y que quedan flotando cuando el buque está en el agua. Se disponen entre el casco del buque y las imadas, estando separada la cuna de la cama por una grasa lubricante que hace disminuir la fricción durante el lanzamiento. Está constituida por:

• Anguilas: Están formadas por vigas de madera empernadas entre sí que se extienden un 80 % de la eslora del buque, dejando un voladizo de un 10 % en proa y popa. Se unen entre sí mediante unos cables flexibles.
• Tacos de relleno: Se disponen en cada cuaderna, uniendo la parte alta de la anguila con el forro del buque cuando la distancia es corta, se adaptan a las formas del casco mediante cuñas de lanzamiento.
• Santos de popa: Consiste en un apuntalado de madera o metálico que une las anguilas con las formas de popa ya que, en esa zona del buque, el casco está muy separado de las anguilas.
• Santos de proa: Es semejante a los santos de popa, pero debe estar convenientemente reforzado, pues durante una fase de lanzamiento, el barco gira alrededor de esa zona.

Fases del lanzamiento:

Inicialmente se transfiere el peso del buque desde la cama de construcción a la cama de lanzamiento.

1. 1ª FASE: Desde que el buque empieza a deslizarse hasta que empieza a tocar el agua. Las fuerzas que producen el movimiento son las que se originan en un sólido moviéndose en un plano inclinado con un movimiento uniformemente acelerado.
2. 2ª FASE: Desde que el buque empieza a entrar en el agua hasta que empieza el giro. El buque empieza a ser frenado por el agua y, a la vez, empieza a actuar la componente vertical del empuje de las formas sumergidas. Hay que estudiar los momentos del peso y del empuje respecto al extremo de imadas.
3. 3ª FASE: Giro. El barco sólo toca tierra en una zona que son los santos de proa; la reacción en dicha zona será la diferencia entre el desplazamiento y el empuje, que irá aumentando hasta que el barco flote libremente.
4. 4ª FASE: Desde que la cuna deja de apoyarse en tierra hasta que empiezan a actuar las retenidas. Es muy corta en duración; las retenidas deben empezar a actuar en cuanto el buque flote libremente.
5. 5ª FASE: Desde que empiezan a actuar las retenidas hasta que el buque se para totalmente. Hay que calcular la energía cinética del buque al abandonar la grada y emplear los medios necesarios para parar el buque.

Criterios de Rahola

Son condiciones impuestas por la ADMINISTRACIÓN que deben cumplir los diferentes tipos de buques y embarcaciones, relativas a la estabilidad en las distintas situaciones a las que estarán sometidas. Los criterios se refieren tanto a la estabilidad inicial GM, a la estabilidad a grandes ángulos (Curva GZ) o a la estabilidad dinámica. Los criterios de rahola nos dan los valores mínimos a cumplir por los buques en cualquier condición de carga.

ESTABILIDAD ESTÁTICA GM ≧ 0.15m

ESTABILIDAD A GRANDES ÁNGULOS:

GZ₂₀ ≧ 0.140m
GZ₃₀ ≧ 0.200m
GZ₄₀ ≧ 0.200m
GZ máx debe ser para θ ≧ 25º

ESTABILIDAD DINÁMICA

h₃₀ ≧ 0.055m*rad
h₄₀ ≧ 0.090m*rad
h₄₀ – h₃₀ ≧ 0.030m*rad

El KG máximo tiene que estar siempre dentro de la curva; si no, no cumple.

Capa Límite

La capa límite alrededor de un buque es la zona próxima a la pared del sólido en la que el fluido pierde velocidad respecto a la que tiene el flujo lejos de la pared. Se va ensanchando conforme avanza a popa. A más rápidas las partículas, más rozamiento entre ellas y más turbulencias. (+ velocidad – presión). El espesor es la distancia perpendicular a la superficie que va desde el cuerpo a la zona donde V=0.99. El espesor aumenta conforme aumenta el número de Reynolds. La capa límite es turbulenta, menos 0.08% a proa. En la transición de régimen laminar a régimen turbulento, hay un fuerte aumento del espesor de la capa límite. Para prevenir desprendimientos de capa límite, el ángulo de salida de la flotación debe ser inferior a 20º. Como no siempre es posible, será preferible cortar la flotación y dar forma de espejo a la popa manteniendo el ángulo inferior a 20º.

• Flujo laminar: la trayectoria de las partículas son ordenadas y paralelas.
• Flujo turbulento: la trayectoria de las partículas es aleatoria, el flujo se rompe y se producen torbellinos.

Cavitación

Es la modificación en el flujo de un fluido en contacto con una superficie física en movimiento. Esta modificación se produce como consecuencia de que, en determinados puntos de la pala, la velocidad alcanza valores elevados, lo que hace que el fluido no pueda acompañarla en su movimiento, produciendo un despegue del mismo que se traduce como una disminución de la presión. Cuando esta presión local se hace igual a la presión del vapor del agua, se produce la evaporación de esta, produciendo burbujas en la zona. Estas burbujas son arrastradas por el flujo y, al llegar a zonas con presión más alta, vuelve a presentarse el fenómeno, pero en sentido contrario. La burbuja pasa a líquido y se transforma en una gota mucho menor, originando una implosión.

Resultado: vibraciones, ruidos, deterioro de superficie de la pala.

Efectos de cavitación:

1. Disminución de rendimiento de la hélice
2. Aparición de vibraciones y ruidos
3. Erosión sobre superficie de la pala

Tipos de cavitación:

1. Laminar
2. Tipo nube
3. Tipo burbuja
4. Torbellino

Para evitar este fenómeno, calcularemos, por el criterio de Burrill, el empuje por unidad de área proyectada para que la hélice tenga un grado de cavitación aceptable y no sea más de un 5% de la pala.

Bulbo de Proa

Es una protuberancia que se sitúa en proa bajo la línea de flotación. Su misión es producir una perturbación en el sistema de olas transversales de proa, de tal forma que las olas disminuyen su presión y energía.

Efectos de bulbo:

1. Aumento de la resistencia viscosa, debido al aumento de superficie mojada.
2. Disminución de la resistencia por formación de olas.

El bulbo es beneficioso para un intervalo 0.24 < Fn < 0.57. Un buen diseño de bulbo será el que produzca una reducción de la RT un 10% o 15%.

Relaciones Adimensionales

A. RELACIÓN L/B = ESLORA/MANGA

Esta relación influye de la misma manera que la eslora.

• mayor L/B mayor Rf menor Rprov menor Rw
• Relación alta, L mayor y B menor (Buques medianos)
• Relación baja, L menor y B mayor (Buques grandes)

B. RELACIÓN B/T = MANGA/CALADO

En cuanto a la resistencia de fricción (superficie mojada), la relación tiene un comportamiento peculiar.

• mayor B/T mayor RT
• para Coeficientes de bloques altos, la superficie mojada es mínima para B/T=2.25
• para Coeficientes de bloque bajos, la superficie mojada es mínima para B/T=3

La influencia de B/T es equivalente a la de la manga.

C. RELACIÓN L³/Δ = ESLORA³/VOLUMEN CARENA

Se comporta como la relación L/B, ya que esta expresión está relacionada con L/B , B/T y el coeficiente de bloque, y L/B está elevada al cuadrado, por lo que tiene más peso.

Resistencia Fricción Superficie Curva

Efectos

Curvatura transversal

• mayor esfuerzo cortante y mayor resistencia de fricción
• es más acusado en los modelos que en los buques
• Según aumenta el número de Reynolds, el efecto de la fricción de la curvatura es menor para una misma relación L/B.

Curvatura Longitudinal

• no está sujeta a escala
• depende de la geometría del objeto y, por tanto, siendo modelo/buque se forman efectos semejantes.

Resistencia de Presión de Origen Viscoso

La resistencia de presión de origen viscoso está generada por esfuerzos normales al casco (PRESIÓN) pero de origen viscoso debido a la existencia de una capa límite. Resistencia de formas + resistencia fricción placa plana = resistencia viscosa.

Dimensiones Principales: Influencia en Hidrodinámica

1. ESLORA

• Resistencia RF: a mayor eslora, mayor Sm y mayor RF. Para una misma velocidad, aunque aumenta Rn y, por tanto, disminuye CF, es mayor el aumento de Sm.
• Resistencia RPov: a mayor eslora disminuye la Pov. Se comporta de la manera opuesta al aumentar L.
• Resistencia Rw: al aumentar la eslora, Rw disminuye drásticamente debido a bajar mucho Fn. De hecho, la acción más eficaz para disminuir la Rw es aumentar la eslora.

2. MANGA (malo pa to)

• Rfricción: a mayor manga, mayor superficie mojada y mayor Rf.
• Prov viscoso: aumento de la prov con riesgo de desprendimiento de flujo.
• Rw olas: a mayor manga, aumenta Rw sensiblemente, pero menos drástico que con la eslora.

3. CALADO

• Rf: mayor fricción por aumentar Sm.
• Rpov: mayor calado, mayor RPov.
• Rw: mayor calado, mayor Rw.

Curva de Áreas

Esta curva representa en abscisas la eslora del barco y en ordenadas las áreas bajo las cuadernas. El área bajo la curva es el volumen de carena. El coeficiente prismático es la relación entre el área bajo la curva; nos indica la posición longitudinal del centro de carena. La curva nos indica cómo están repartidas las formas del barco a lo largo de la eslora.

Una buena curva:

• partes rectas claras y definidas en proa y popa
• Rc (radio de curvatura) debe ser amplio (Rc>0,3Ax); un ángulo pequeño puede dar desprendimiento de flujo.