El casco de un barco es la entidad estructural más notable del barco. Para definir el casco, se puede decir que es el recinto estanco del barco, que protege la carga, la maquinaria y los espacios de alojamiento del barco de la intemperie, las inundaciones y los daños estructurales. Pero esto por sí solo no satisface nuestras necesidades de entender todos los aspectos del casco de un barco.
En este artículo, veremos cómo se diseña el casco de un barco en función de varios factores que se tienen en cuenta durante toda la vida útil del barco, y cómo el diseño del casco de un barco juega el papel más importante en todo el proyecto de diseño y construcción naval.
Nomenclatura relacionada con el casco
Figura 1: Nomenclatura del casco.
La figura anterior muestra el perfil esquemático del casco de un buque convencional. Entender el significado y las aplicaciones de las nomenclaturas relacionadas con él constituye la base para comprender el diseño de los buques y la tecnología de la construcción naval.
Proa y popa: El contorno más a proa del casco del buque se denomina proa, y el más a popa, popa. La roda es la parte del contorno más adelantado de la proa.
Perpendicular hacia delante: Si se traza una perpendicular en el punto en el que la proa se cruza con la línea de flotación, esta línea perpendicular imaginaria se llama perpendicular de proa. Para la mayoría de los cálculos hidrostáticos, la perpendicular de proa se utiliza como referencia de proa del casco.
Perpendicular de popa: Dependiendo del diseñador, la perpendicular de popa puede ser la perpendicular trazada a través del lado de popa de la tija del timón o a través de la línea central de las pintas del timón. La perpendicular de popa es la línea de referencia de popa para todos los cálculos hidrostáticos.
Longitud entre perpendiculares: La longitud entre las perpendiculares de proa y popa es la longitud entre perpendiculares. La LBP es un parámetro muy importante en todos los cálculos de estabilidad, de ahí que el cálculo de la LBP a diferentes calados se convierta en un paso importante a la hora de realizar los análisis de estabilidad.
Escalera: La curva ascendente formada por la cubierta principal con referencia al nivel de la cubierta en el centro del barco, se llama escorzo. Suele darse para permitir el flujo de agua verde desde los extremos de proa y popa hacia el centro del barco y permitir el drenaje hacia las sentinas. El escorzo de proa suele ser mayor que el de popa para proteger la maquinaria de fondeo de proa de las olas.
Línea de carga de verano: La línea de carga de verano es la línea de flotación del buque en el agua de mar cuando está en su peso de diseño y en condiciones de lastre. También se denomina calado de diseño; constituye la referencia para todas las demás líneas de carga del buque.
Longitud de la línea de flotación: La longitud del casco del barco en la línea de carga de verano es la longitud de la línea de flotación del barco. Esta longitud juega un papel importante en el cálculo de la hidrostática del buque, así como en los cálculos de diseño de la hélice.
Eslora total: La longitud entre el punto más a proa y el más a popa del casco del buque es su eslora total. Esta longitud desempeña un papel importante en el diseño de los planos de atraque y desatraque del buque. En los astilleros en los que se dispone de varios muelles de construcción, la eslora total, la manga y el calado del buque son factores decisivos a la hora de elegir un bloque de construcción adecuado para el buque.
Líneas y forma del casco
El primer paso en el diseño del casco de un buque es diseñar su forma. La forma del casco del buque se estima mediante varios coeficientes de forma, que se comentan a continuación:
Coeficiente de bloque: El coeficiente de bloque es la relación entre el volumen submarino del buque y el volumen del rectángulo imaginario que encierra la parte submarina del casco. Dado que la longitud, la anchura y la altura de este rectángulo envolvente serían la longitud entre perpendiculares, la manga máxima y el calado del buque, el coeficiente de bloque se expresa como sigue:
El valor del coeficiente de bloque es uno para un buque con la sección transversal rectangular. Por lo tanto, para la forma típica del casco de un barco, sería menor que uno. Cuanto más alto sea el coeficiente de bloque, más completa es la forma del casco (por ejemplo, petroleros, graneleros). Las formas de casco más finas tienen coeficientes de bloque más bajos (por ejemplo, los portacontenedores, los buques de guerra).
Coeficiente de buque medio: El coeficiente de medianía es la relación entre el área sumergida de la sección de medianía y el rectángulo que la rodea. Por lo tanto, se expresa como:
Existen otros coeficientes de forma como el Coeficiente prismático, el Coeficiente volumétrico, etc. que son básicamente los parámetros utilizados para definir la distribución volumétrica del casco del buque a lo largo de su longitud. Una vez obtenidos estos coeficientes, a partir de estudios estadísticos, se desarrollan las líneas del casco.
El plano de líneas del casco de un buque consta de tres vistas. Para entender el plano de líneas, primero tenemos que saber qué son las nalgas y las líneas de flotación.
Cuando se corta el casco de un barco en múltiples secciones longitudinales, es decir, si se corta el casco del barco cada dos metros empezando por babor a estribor, se producirían secciones longitudinales cada dos metros. El contorno de cada sección longitudinal se denomina línea de nalgas, y esto es exactamente lo que se representa en el plano de perfil, como se muestra a continuación. Las líneas de referencia para la vista de perfil son las estaciones (líneas verticales de cuadrícula, que denotan la posición longitudinal) y las líneas de agua (líneas horizontales, que denotan posiciones verticales).
Figura 2: Líneas de tope.
Si el casco del barco se corta a lo largo de cada línea de flotación, entonces cada línea de flotación produce una curva distinta. Dado que el casco de un barco es simétrico con respecto a la línea central, prevalece una práctica común en la que la curva se dibuja a ambos lados de la línea central, y esta vista se denomina el plano del cuerpo o el plano de media manga del barco.
Figura 3: Plano de media manga.
Consejo importante: La forma de las líneas de flotación (en el plano de media manga) juega un papel decisivo en la forma de la popa y en la eficiencia de la hélice. En la figura anterior, las líneas de flotación se alejan de la línea central del barco con el aumento de la altura sobre la línea de base. Es decir, la curva más interna es la línea de flotación más baja. Observe cómo las líneas de flotación se enderezan en la popa a medida que subimos desde la quilla. Esto demuestra que el barco tiene una popa de espejo. ¿Por qué se prefiere la popa de popa? La respuesta está en la forma de las líneas de flotación en la popa. La dirección longitudinal que adoptan las líneas de flotación en la popa garantizan el flujo de agua en la popa en una dirección casi perpendicular al disco de la hélice. Esto garantiza un flujo cruzado mínimo en la hélice, asegurando así la máxima eficiencia de la misma.
Si se corta el casco del barco para formar una sección en cada estación, se obtiene el plano del cuerpo, como se muestra a continuación. La práctica típica de dibujar el plano del cuerpo es denotar todas las medias secciones (debido a la simetría del casco). Las secciones a proa del centro del barco se dibujan a la derecha de la línea central, y todas las secciones desde el centro del barco hasta la popa se dibujan a la izquierda.
Figura 4: Plano del cuerpo.
El plano del cuerpo es la representación más útil de las líneas del casco del barco. Las líneas de referencia en el plano de la carrocería son las nalgas (líneas de cuadrícula verticales), y las líneas de flotación (líneas de cuadrícula horizontales). El plano del cuerpo, junto con las líneas de referencia, puede utilizarse de manera suficiente para desarrollar el plano de perfil y el plano de media manga del buque. También es útil para desarrollar la curva de área seccional y las curvas de Bonjean del buque.
El plano de líneas completo de un buque se organiza colocando la vista de perfil en la parte superior, con el plano de media manga justo debajo y el plano de la carrocería a su derecha, como se muestra a continuación. El plano de líneas es la base para el desarrollo no sólo del modelo tridimensional del casco, sino también para el desarrollo de los planos estructurales de la estructura, la disposición general y los planos del desván en el astillero.
Figura 5: Plano de líneas de un buque.
Estructura y resistencia del casco
El diseño estructural del casco de un buque supone aproximadamente el 70 por ciento del diseño estructural total del buque. Las etapas del diseño de la estructura del casco son las siguientes:
Paso 1: Cálculo de las cargas sobre el casco: Aquí es donde entran en juego las reglas de la sociedad de clasificación. Los libros de reglas tienen fórmulas especializadas para el cálculo de las cargas de las olas sobre el casco del buque. El momento de flexión en aguas tranquilas, el momento de flexión de las olas y las fuerzas de cizallamiento deben calcularse utilizando estas fórmulas. Estos valores de carga actúan como puntos de referencia en todo el proceso de diseño estructural.
Paso 2: Cálculos de escantillonado para el centro del barco: Las dimensiones de todos los miembros estructurales del buque (planchas, rigidizadores, vigas, jácenas, pilares, etc.) se denominan colectivamente escantillones. Las cargas calculadas en el paso 1 se utilizan para llegar a los escantillones, y esto se calcula para los miembros estructurales en cada marco.
Paso 3: Módulo de la sección del buque: El dibujo estructural de la sección del centro del barco se prepara de acuerdo con los escantillones calculados. A continuación se localiza el eje neutro de la sección del centro del buque y se calcula el módulo de la sección del centro del buque. En esta fase deben cumplirse dos criterios:
- La sección de crujía obtenida debe ser igual o superior al valor mínimo del módulo de sección obtenido mediante la fórmula empírica del libro de reglas.
- Se calculan los esfuerzos de flexión en la cubierta y en la quilla, y se comprueba si los valores de los esfuerzos están dentro del factor de seguridad requerido.
Figura 6: Dibujo de la sección central de un buque de pasajeros.
En el dibujo anterior de la sección central, la línea azul (NA) es el eje neutro de la sección. El gráfico de tensiones de flexión se dibuja con el eje neutro con la referencia (origen), y los extremos superior e inferior del gráfico denotarían los valores de tensión en la cubierta y la quilla respectivamente, como se muestra en el gráfico de tensiones de abajo.
Figura 7: Diagrama de tensiones de flexión de la sección media del buque.
¿Por qué crees que es importante diseñar la estructura de la sección media del buque antes que cualquier otra sección? Lee este artículo para saber qué hace que el centro del buque sea la región estructuralmente más importante.
Paso 4: Cálculo del escantillón en el marco: Una vez que los escantillones del centro del barco satisfacen los criterios, se calculan los escantillones de los miembros estructurales en cada marco, y se preparan los correspondientes dibujos estructurales a nivel de marco. Se aplican fórmulas especiales para las secciones de proa y popa, y los mamparos, y se preparan los planos correspondientes.
Paso 5: Cálculo del peso del acero: Los escantillones obtenidos se utilizan para calcular el peso del acero del buque. Aquí es donde comienza la iteración. Si el peso del acero calculado se encuentra fuera de los valores obtenidos empírica y estadísticamente, el diseñador podría tener que buscar el uso de acero de menor peso en las regiones adecuadas o tomar otras decisiones para mantener el peso del barco ligero dentro de los límites.
Paso 6: Desarrollo del modelo estructural en 3D y los análisis FEA: Con los planos estructurales de cada bastidor, se prepara un modelo estructural tridimensional para todo el casco. Este proceso es el que más tiempo lleva, ya que la precisión de este modelo repercutirá directamente en los resultados de los análisis de elementos finitos que se realizarán a continuación. En el modelo tridimensional se realiza un mallado, seguido de análisis de elementos finitos para diversas condiciones. Es en base a los resultados de estos análisis que las sociedades de clasificación aprueban hoy en día el diseño estructural de un buque, ya que producen datos más fiables que los producidos por los cálculos lineales.
Estabilidad de rumbo del casco
El otro aspecto importante del casco del buque es su rendimiento direccional o de mantenimiento de rumbo en el mar. En otras palabras, su maniobrabilidad. Para evaluar la maniobrabilidad del casco desnudo, evaluamos los siguientes aspectos:
- Estabilidad en línea recta: Si un barco que se mueve en línea recta es sometido a una perturbación externa, y cambia su dirección pero continúa moviéndose en línea recta a lo largo de la nueva dirección, sin la ayuda del timón, entonces se dice que el casco tiene estabilidad en línea recta.
- Estabilidad direccional: Si un barco que se mueve en línea recta es sometido a una perturbación externa, y continúa moviéndose a lo largo de una nueva trayectoria que es paralela a la dirección inicial, se dice que el barco posee estabilidad direccional. La estabilidad direccional no es posible sin la ayuda de una superficie de control (por ejemplo, el timón), pero tener estabilidad en línea recta facilita la consecución de la estabilidad direccional.
- Estabilidad de trayectoria: Si un barco que se mueve en línea recta es perturbado externamente, y continúa moviéndose por la misma trayectoria (después de algunas oscilaciones), se dice que tiene estabilidad de trayectoria. La estabilidad de trayectoria, al igual que la estabilidad direccional, sólo puede alcanzarse si se consigue la estabilidad en línea recta.
Figura 8: Estabilidad de rumbo del casco de un buque.
El objetivo de diseño durante el desarrollo del casco de un buque, es, por tanto, alcanzar la estabilidad en línea recta. Para ello, se realizan pruebas en cuencas modelo y se miden los coeficientes hidrodinámicos del casco desnudo. Estos coeficientes hidrodinámicos son las propiedades características de la capacidad de mantener el rumbo del casco y, en caso de resultados no deseados, se decide modificar la forma o la geometría del casco. Por ejemplo, a menudo se añade un skeg al casco en fases posteriores de diseño para mejorar su estabilidad en línea recta, una vez obtenidos los resultados de las pruebas de la cuenca del modelo.
Interacción entre el casco y la superestructura
Se ha observado que la presencia de una superestructura en la cubierta principal reduce el esfuerzo de flexión en la cubierta con respecto al valor de esfuerzo predicho por la teoría de flexión de la viga. Esto se debe a la interacción de los esfuerzos cortantes con los esfuerzos de flexión en los extremos de las superestructuras. Sin embargo, esto provoca deformaciones en los extremos de la superestructura. En otras palabras, si una superestructura es eficiente, debe ser capaz de absorber una parte de los esfuerzos de flexión en el tablero. La medida en que absorbe el esfuerzo de flexión determina su eficiencia, que los diseñadores prefieren llamar eficiencia de la superestructura. Puede expresarse como:
Depende del diseñador si quiere diseñar una superestructura que absorba los esfuerzos de flexión del casco, o si quiere diseñar una que esté libre de cualquier interacción con el casco. Diseñar una superestructura 100% eficiente sería posible, pero tendría el coste de tener mamparos profundos de gran peso en los extremos de la superestructura para evitar graves distorsiones debidas al cizallamiento. Sin embargo, para aumentar la eficiencia de la superestructura, la mayoría de los buques tienen superestructuras conectadas al casco por medio de mamparos transversales bajo la cubierta, y bandas que van continuamente desde el casco a las superestructuras en sus extremos de proa y popa.
Otros aspectos del diseño del casco de un buque
Hay otros aspectos del casco de un buque que desempeñan un papel importante en el rendimiento del buque en el mar. El cálculo de la resistencia del casco desnudo es un paso importante para determinar la eficiencia energética del casco. Los métodos para calcular la resistencia del casco desnudo se han discutido en detalle en este artículo.
Otro aspecto vital del casco del buque es su integridad estanca. Para garantizarla, el diseñador debe asegurar la estabilidad intacta y dañada del buque. Para conocer los aspectos de la estabilidad del casco de un barco, se aconseja leer los artículos sobre la estabilidad sin avería y la estabilidad con avería de un barco. El artículo sobre la subdivisión del casco de un buque analiza cómo se decide el número y la posición de los mamparos estancos durante el diseño del casco de un buque.
La vibración y la respuesta dinámica del casco del buque es un factor que determina no sólo el rendimiento del buque sino también su longevidad en el mar. De todas las diferentes vibraciones de un barco, la vibración de la viga del casco de un barco es una de las principales preocupaciones. Un barco con niveles de vibración no deseados podría ser un proyecto desechado justo en sus primeros años. Lea este artículo para saber más sobre los tipos de vibraciones en el casco de un buque, las fuentes de excitación y las medidas de diseño adoptadas para minimizar el nivel de vibraciones del casco a bordo.
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