La fuerza de los barcos es un tema de interés clave para los arquitectos y constructores navales . Los barcos que se construyen demasiado fuertes son pesados, lentos y cuestan más dinero para construir y operar, ya que pesan más, mientras que los barcos que están construidos demasiado débilmente sufren daños menores en el casco y, en algunos casos extremos, fallas catastróficas y hundimientos.
Cargas en cascos de barcos
Los cascos de los barcos están sujetos a una serie de cargas.
- Incluso cuando está sentado en el muelle o anclado, la presión del agua circundante desplazada por el barco presiona su casco.
- El peso del casco y de la carga y los componentes dentro del barco recae sobre el casco.
- El viento sopla contra el casco y las olas chocan contra él.
- Cuando un barco se mueve, hay un arrastre adicional del casco, la fuerza de las hélices, el agua impulsada contra la proa.
- Cuando un barco se carga con carga, puede tener muchas veces su propio peso vacío de carga empujando la estructura hacia abajo.
- En mares gruesos, el agua que fluye o se estrella contra la cubierta de intemperie aplica cargas (posiblemente inmensas) en la cubierta y cargas transversales en la superestructura u otras características de la cubierta, como brazolas y escotillas .
Si la estructura, el equipo y la carga del barco se distribuyen de manera desigual, puede haber grandes cargas puntuales en la estructura, y si se distribuyen de manera diferente a la distribución de la flotabilidad del agua desplazada, entonces hay fuerzas de flexión en el casco.
Cuando los barcos están en dique seco y cuando se están construyendo, se apoyan en postes regularmente espaciados en sus fondos.
Cargas primarias del casco, resistencia y flexión
La fuerza, las cargas y la flexión principales del casco de un barco son las cargas que afectan a todo el casco, visto de adelante hacia atrás y de arriba hacia abajo. Aunque se podría considerar que esto incluye cargas transversales totales (de lado a lado dentro del barco), generalmente se aplica solo a cargas longitudinales (de un extremo a otro). El casco, visto como una sola viga , puede doblarse
- abajo en el centro, conocido como flacidez
- en el centro, conocido como acaparamiento .
Esto puede deberse a:
- cargas de casco, maquinaria y carga
- cargas de olas, con los peores casos de:
- flacidez, debido a una ola con una longitud igual a la eslora del barco, y picos en la proa y la popa y una vaguada en el medio del barco
- acaparamiento, debido a una ola con una longitud igual a la eslora del barco, y un pico en el medio del barco (justo en el medio de la eslora)
Las cargas primarias de flexión del casco son generalmente más altas cerca de la mitad del barco y, por lo general, muy pequeñas después de la mitad de la proa o la popa.
Los cálculos de resistencia primaria generalmente consideran la sección transversal del barco en el medio del barco. Estos cálculos tratan toda la estructura del barco como una sola viga, utilizando la ecuación simplificada de la viga de Euler-Bernoulli para calcular la resistencia de la viga en flexión longitudinal. El momento de inercia (técnicamente, segundo momento de área ) de la sección del casco se calcula encontrando el eje neutral o central de la viga y luego sumando la cantidad para cada sección de placa o viga que forma el casco, con siendo el momento de inercia de esa sección de material, siendo el ancho (dimensión horizontal) de la sección, siendo la altura de la sección (dimensión vertical), siendo el área de la sección y siendo la distancia vertical del centro de esa sección desde el eje neutro.
Los cálculos de cargas de resistencia primarias generalmente suman el peso y la flotabilidad del barco a lo largo del casco, dividiendo el casco en secciones longitudinales manejables, como un compartimiento, segmentos arbitrarios de diez pies o alguna subdivisión manejable. Para cada condición de carga, el peso del agua desplazada o la flotabilidad se calcula para esa sección del casco con base en el volumen de agua desplazado dentro de esa sección del casco. El peso del casco se calcula de manera similar para esa eslora y el peso de los equipos y sistemas. Luego se agrega el peso de la carga a esa sección dependiendo de las condiciones de carga que se estén verificando.
El momento de flexión total en aguas tranquilas se calcula integrando la diferencia entre la flotabilidad y el peso total a lo largo de la eslora del barco.
Para un barco en movimiento, se agrega un momento flector adicional a ese valor para tener en cuenta las olas que puede encontrar. Se utilizan fórmulas estándar para la altura y la longitud de las olas, que tienen en cuenta el tamaño del barco. Las peores olas posibles son, como se señaló anteriormente, donde una cresta o depresión de ola se encuentra exactamente en el medio del barco.
Esas cargas de flexión totales, incluido el momento de flexión en aguas tranquilas y las cargas de oleaje, son las fuerzas que la viga principal del casco general debe ser capaz de soportar.
Cargas secundarias del casco, resistencia y flexión
Las cargas secundarias del casco, la flexión y la resistencia son aquellas cargas que suceden sobre la estructura del revestimiento del barco (costados, fondo, cubierta) entre las principales subdivisiones o mamparos a lo largo . Para estas cargas, nos interesa cómo esta sección más corta se comporta como una viga integrada, bajo las fuerzas locales del agua desplazada que empuja hacia atrás el casco, la carga y el peso del casco y de la maquinaria, etc. A diferencia de las cargas primarias, las cargas secundarias se tratan como si fueran aplicadas. a un panel compuesto complejo, apoyado en los lados, en lugar de como una simple viga.
Las cargas secundarias, la resistencia y la flexión se calculan de manera similar a las cargas primarias: usted determina las cargas puntuales y distribuidas debido al desplazamiento y el peso, y determina las fuerzas totales locales en cada área unitaria del panel. Luego, esas cargas hacen que el panel compuesto se deforme, generalmente doblándose hacia adentro entre los mamparos, ya que la mayoría de las cargas son compresivas y se dirigen hacia adentro. La tensión en la estructura se calcula a partir de las cargas y la flexión.
Cargas, resistencia y flexión del casco terciario
La resistencia y las cargas terciarias son las fuerzas, la resistencia y la respuesta a la flexión de las secciones individuales de la placa del casco entre los refuerzos y el comportamiento de las secciones individuales de los refuerzos. Por lo general, la carga terciaria es más simple de calcular: para la mayoría de las secciones, hay una carga hidrostática máxima simple o una carga hidrostática más una carga de impacto para calcular. La placa se apoya contra esas cargas en sus bordes mediante refuerzos y vigas. La deflexión de la placa (o refuerzo) y las tensiones adicionales se calculan simplemente a partir de esas cargas y la teoría de placas y carcasas.
Elementos de la estructura del casco de barco
Este diagrama muestra los elementos estructurales clave del casco principal de un barco (excluyendo la proa, la popa y la caseta de cubierta).
- Revestimiento de cubierta (también conocido como cubierta principal, cubierta de clima o cubierta de fuerza)
- Mamparo transversal
- Revestimiento interior de la carcasa inferior
- Revestimiento de la parte inferior del casco
- Marco transversal (1 de 2)
- Marco de quilla
- Keelson (viga longitudinal) (1 de 4)
- Refuerzo longitudinal (1 de 18)
- Viga lateral del casco
El casco representado es una muestra de un pequeño petrolero de doble fondo (pero no de doble casco ).
Cargas totales, flexión y resistencia
La carga total en una sección particular del casco de un barco es la suma total de todas las cargas primarias, secundarias y terciarias impuestas por todos los factores. El caso de prueba típico para cálculos rápidos es la mitad de una sección de la placa inferior del casco entre los refuerzos, cerca o en la sección media del barco, en algún lugar a medio camino entre la quilla y el costado del barco.
Reglas estándar
Las sociedades de clasificación de buques como Det Norske Veritas , American Bureau of Shipping y Lloyd's Register of Shipping han establecido formularios de cálculo estándar para cargas en el casco, requisitos de resistencia, espesor de las placas del casco y refuerzos, vigas y otras estructuras. Estos métodos a menudo ofrecen una forma rápida de estimar los requisitos de resistencia de un barco determinado. Casi siempre esos métodos darán valores de resistencia conservadores, o más fuertes que los requeridos con precisión. Sin embargo, proporcionan un punto de partida detallado para analizar la estructura de un barco determinado y si cumple con los estándares comunes de la industria o no.
Respuesta material
Los barcos modernos, casi sin excepción, están construidos con acero . Generalmente, se trata de acero bastante estándar con un límite elástico de alrededor de 32.000 a 36.000 psi (220 a 250 MPa) y una resistencia a la tracción o resistencia a la tracción máxima (UTS) superior a 50.000 psi (340 MPa).
Los constructores navales de hoy utilizan aceros que tienen buena resistencia a la corrosión cuando se exponen al agua de mar y que no se vuelven quebradizos a bajas temperaturas (bajo cero), ya que muchos barcos están en el mar durante las tormentas frías en invierno, y algunos aceros para barcos más antiguos que no eran lo suficientemente resistentes en la baja temperatura hizo que los barcos se partieran por la mitad y se hundieran durante la Segunda Guerra Mundial en el Atlántico.
El grado de acero de referencia es ABS A, especificado por el American Bureau of Shipping . Este acero tiene un límite elástico de al menos 34,000 psi (230 MPa), resistencia máxima a la tracción de 58,000 a 71,000 psi (400 a 490 MPa), debe alargarse al menos un 19% en una muestra de 8 pulgadas (200 mm) de largo antes de fracturarse. y 22% en una muestra de 2 pulgadas (50 mm) de largo.
Se debe aplicar un factor de seguridad superior al límite elástico, ya que el acero que se empuja regularmente a su límite elástico sufrirá fatiga del metal . Los aceros generalmente tienen un límite de fatiga , por debajo del cual cualquier cantidad de ciclos de carga de tensión no causará fatiga del metal ni grietas / fallas. Los criterios de diseño de buques suponen generalmente que todas las cargas normales del buque, multiplicado por un factor de seguridad moderado, deberían estar por debajo del límite de fatiga del acero utilizado en su construcción. Es prudente suponer que el barco operará regularmente a plena carga, en condiciones meteorológicas adversas y oleaje fuerte, y que se encontrará con las condiciones operativas máximas normales de diseño muchas veces durante su vida útil.
Diseñar por debajo del límite de fatiga de manera coincidente y beneficiosa proporciona factores de seguridad totales grandes (factor de hasta 6 o más) desde las cargas operativas máximas normales hasta la falla por tracción máxima de la estructura. Pero esos grandes márgenes de seguridad últimos no son la intención: la intención es que la tensión operativa básica y la tensión en el barco, a lo largo de su vida útil prevista, no provoquen graves grietas por fatiga en la estructura. Muy pocos barcos ven condiciones de carga máxima en algún lugar cerca de sus límites de falla bruta. Es probable que, sin preocupaciones sobre la fatiga, los requisitos de resistencia del buque sean algo más bajos.
Consulte Resistencia de los materiales .
Modelado numérico
Si bien es posible desarrollar análisis bastante precisos de las cargas y respuestas de los barcos a mano, o utilizando una ayuda informática mínima, como hojas de cálculo, los programas informáticos CAD modernos se utilizan generalmente en la actualidad para generar modelos informáticos de la estructura mucho más detallados y potentes. Las herramientas de análisis de elementos finitos se utilizan para medir el comportamiento en detalle a medida que se aplican cargas. Estos programas pueden manejar cálculos de carga puntual y de flexión mucho más complejos que los que los ingenieros humanos pueden hacer en cantidades de tiempo razonables.
Sin embargo, sigue siendo importante poder calcular manualmente el comportamiento aproximado de los cascos de los barcos. Los ingenieros no confían en los resultados de los programas informáticos sin que la realidad general compruebe que los resultados se encuentran dentro del orden de magnitud esperado. Y los diseños preliminares pueden iniciarse antes de que se disponga de suficiente información sobre una estructura para realizar un análisis informático. [ cita requerida ]
Ver también
enlaces externos
Referencias
- Benford, H., Arquitectura naval para arquitectos no navales , 1991, ISBN 0-939773-08-2
- Jensen, JJ, Load and Global Response of Ships , 2001, ISBN 0-08-043953-5
- Lewis ed., Principles of Naval Architecture: Volume I - Stability and Strength , 1989, ISBN 0-939773-00-7
- Timoshenko, S., Teoría de placas y conchas , 1959, ISBN 0-07-064779-8
- Tupper, E., Introducción a la arquitectura naval , 1996, ISBN 0-939773-21-X
- Hirdaris, SE; Bai, W .; Dessi, D .; Ergin, A .; Gu, X .; Hermundstad, OA; Huijsmans, R .; Iijima, K .; Nielsen, UD; Parunov, J .; Fonseca, N .; Papanikolaou, A .; Argyriadis, K .; Incecik, A. (2014). "Cargas para uso en el diseño de barcos y estructuras offshore" . Ingeniería Oceánica . 78 : 131-174. doi : 10.1016 / j.oceaneng.2013.09.012 .