UNIVERSIDAD POLITÉCNICA DE MADRID Escuela Técnica Superior
de Ingenieros Navales
MADRID
TRABAJO FIN DE GRADO EN ARQUITECTURA NAVAL
Nº GAN-196
ESTUDIO DE FORMAS, CONDICIONES DE CARGA Y ESTABILIDAD SIN AVERÍAS DE UN
BUQUE PORTACONTENEDORES
Autor:
Marina Ronda San José
Tutor:
Luis Pérez Rojas
Cotutor:
Adriana Oliva Remolà
Enero 2020
A Rosi, Pepe y Silvia.
Propuesta TFG
Propuesta TFG
Propuesta TFG
Propuesta TFG
Propuesta TFG
Propuesta TFG
Propuesta TFG
Propuesta TFG
Resumen
Resumen
El objetivo de este Trabajo de Fin de Grado es el análisis de las formas, junto con la evaluación de la estabilidad de un buque portacontenedores de 1000 TEUs de capacidad de carga, así como la confección del libro de estabilidad.
Para ello, se parte de un buque de referencia del que, en primer lugar, se justificarán las dimensiones a partir de una base de datos actual para comprobar que dichas dimensiones son correctas. Después, se obtendrán las formas del buque de proyecto en Rhinoceros y se realizará la transformación afín correspondiente para obtener las dimensiones deseadas.
El siguiente paso será realizar el cálculo del francobordo para proceder, seguidamente, a definir las diferentes situaciones de carga en Maxsurf y evaluar la estabilidad intacta, verificando el cumplimiento de los criterios de estabilidad vigentes en la actualidad. Además, se recopilarán todos los cálculos de arquitectura naval necesarios para la generación del libro de estabilidad.
Finalmente, se evaluará la estabilidad del buque por medio de los Criterios de Estabilidad Sin Averías de Segunda Generación.
Abstract
Abstract
The aim of this paper is the analysis of the forms, along with thestability evaluation of a container ship of 1000 TEUs of carrying capacity, as well as thepreparation of the stability manual.
For this purpose, the project is initially based on a reference ship from which, in the first place, the dimensions will be justified, using a current database to verify that these are correct.
Afterwards, the shapes of the project vessel will be obtained in Rhinoceros and the corresponding related transformation will be carried out to obtain the desired dimensions.
Next, freeboard calculations will be done in order to define the different loading situations in Maxsurf and evaluate the intact stability, verifying the compliance with the stability criteria. In addition, all calculations of naval architecture necessary for the generation of the stability manual will be gathered together.
Finally, the stability of the ship will be evaluated by means of the Second-Generation Intact Stability Criteria.
Abstract
Agradecimientos
Agradecimientos
En este trabajo quiero expresar mi agradecimiento a la Escuela Técnica Superior de Ingenieros Navales (ETSIN) de la Universidad Politécnica de Madrid por haberme dado las herramientas necesarias para adquirir los conocimientos pertinentes al Grado de Arquitectura Naval.
Quiero agradecer en especial a mis tutores Luis Pérez y Adriana Oliva por todo el tiempo, ayuda y conocimientos aportados a lo largo de la realización de este trabajo. Muchas gracias.
Además, agradecer a otras personas que me han concedido parte de su tiempo para resolver algunas dudas o problema, como son Ignacio Trejo y Jaime Pancorbo.
Por último, agradecer a todas las personas que, de una forma u otra, me han apoyado a lo largo de este duro camino: mis padres, mi hermana y mis amigos, en especial Jonatan, Belén e Irene.
Índice
Índice
Propuesta TFG... v
Resumen ... xi
Abstract ... xiii
Agradecimientos ... xv
Índice ... xvii
Índice de figuras ... xix
Índice de tablas ... xix
Memoria explicativa ... 1
Objetivos y procedimiento ... 1
Criterios de Segunda Generación. Introducción y Motivación ... 1
Introducción al buque de referencia ... 2
Estudio de la fiabilidad de las dimensiones del buque de referencia ... 5
Cálculo dimensiones principales. Base de datos ... 5
1.1. Relación TEUs - Eslora total, Loa ... 6
1.2. Relación TEUs - Eslora entre perpendiculares, Lpp ... 7
1.3. Relación TEUs - Manga, B ... 8
1.4. Relación TEUs – Puntal, D ... 9
1.5. Relación TEUs – Calado ... 10
Análisis de las dimensiones ... 11
Formas del buque de proyecto ... 15
Presentación del buque de proyecto ... 15
Análisis de las formas del buque de proyecto ... 16
2.1. Análisis general de los coeficientes hidrodinámicos y de la curva de áreas ... 16
2.2. Análisis hidrodinámico ... 19
Cálculos de Arquitectura Naval ... 23
Definición de dimensiones ... 23
Francobordo tabular ... 24
Correcciones al francobordo tabular ... 24
3.1. Corrección por eslora ... 24
3.2. Corrección por coeficiente de bloque ... 24
3.3. Corrección por puntal ... 24
3.4. Corrección por superestructuras ... 25
3.5. Corrección por arrufo ... 25
3.6. Francobordo ... 27
Altura mínima de proa y reserva de flotabilidad ... 28
Estabilidad Intacta Código ISC 2008 ... 31
Situaciones de carga ... 32
Resultados ... 35
Criterios de Estabilidad ... 37
Criterios de Estabilidad Sin Averías de Segunda Generación ... 41
Introducción general a los Criterios de Estabilidad Sin Averías de Segunda Generación ... 41
Estado actual de los criterios ... 45
2.1. Pérdida total de estabilidad en olas ... 45
2.2. Balance Paramétrico ... 47
2.3. Navegación sobre la cresta de la ola y caída al través ... 50
2.4. Condición de buque apagado ... 51
2.5. Aceleraciones excesivas ... 55
Evaluación de los criterios para el buque de proyecto ... 59
3.1. Pérdida total de estabilidad en olas ... 59
Índice
3.2. Balance Paramétrico ... 60
3.3. Navegación sobre la cresta de la ola y caída al través ... 61
3.4. Condición de buque apagado ... 62
3.5. Aceleraciones excesivas ... 63
Conclusiones ... 65
Bibliografía ... 67
Referencias ... 69
Anexo I ... 71
Anexo II ... 75
Anexo III ... 79
Anexo IV ... 83
Anexo V ... 121
Anexo VI ... 257
Índice de figuras
Índice de figuras
Figura 1.1. Secciones maestras según el tipo de portacontenedor 3
Figura 2.1. Relación TEUs – Eslora total 6
Figura 2.2. Relación TEUs – Eslora entre perpendiculares 7
Figura 2.3. Relación TEUs – Manga 8
Figura 2.4. Relación TEUs – Puntal 9
Figura 2.5. Relación TEUs – Calado 10
Figura 3.1. Perspectiva del casco del buque de proyecto 15
Figura 3.2. Curva de áreas del buque de partida 17
Figura 3.3. Curva de áreas del buque de proyecto 17
Figura 3.4. Línea de agua en la flotación en proa 20
Figura 3.5. Línea de agua en la flotación en popa 22
Figura 5.1. Curvas GZ 36
Figura 6.1. Proceso de entrada en balance paramétrico 48
Figura 6.2. Fuerzas que actúan sobre un buque en olas consecutivas 50
Figura 6.3. Esquema Criterio Meteorológico 53
Figura 6.4. Situación de pérdida de estabilidad por aceleraciones excesivas 55
Índice de tablas
Tabla 1.1. Características principales del buque de referencia 3
Tabla 2.1. Especificaciones del buque de partida 6
Tabla 2.2. Dimensiones principales obtenidas – Dimensiones del buque de referencia 11 Tabla 2.3. Límites inferior y superior de las relaciones adimensionales de la base de datos 12 Tabla 3.1. Tabla comparativa de las dimensiones y coeficientes principales 16 Tabla 3.2. Tabla comparativa hidrostáticas a diferentes calados 16
Tabla 4.1. Francobordo tabular asignado a la eslora 24
Tabla 4.2. Porcentaje reducción de francobordo buques tipo B 25
Tabla 4.3. Curva de arrufo normal 26
Tabla 4.4. Francobordos y calados 28
Tabla 5.1. Tabla resumen de las situaciones de carga 33
Tabla 5.2. Hidrostáticas en cada situación de carga 35
Tabla 5.3. Ángulos de inundación 36
Tabla 5.4. Valores para los criterios Parte B – portacontenedores L > 100 m 38
Tabla 5.5. Cumplimiento normativa Parte A 38
Tabla 5.6. Cumplimiento normativa Parte B 39
Tabla 6.1. Valores de los periodos de balance y pendientes de las olas 52
Tabla 6.2. Valores de los factores X1 y X2 54
Tabla 6.3. Evaluación de la primera condición 60
Tabla 6.4. Evaluación de la segunda condición 60
Tabla 6.5. Evaluación de la segunda condición 61
Tabla 6.6. Cálculos intermedios Condición de buque apagado 62
Tabla 6.7. Evaluación del modo de Condición de buque apagado 63
Tabla 6.8. Verificación de las dos primeras condiciones 63
Tabla 6.9. Cálculos intermedios Aceleraciones excesivas 64
Tabla 6.10. Evaluación del modo de Aceleraciones excesivas 64
Índice de tablas
Memoria explicativa
Capítulo 1 Memoria explicativa
En este primer capítulo se especificarán los objetivos a alcanzar, junto con las motivaciones y una introducción del buque de referencia a partir del cual se desarrollará el presente proyecto.
Objetivos y procedimiento
El objetivo del presente proyecto es analizar la estabilidad sin averías y generar el libro de estabilidad de un buque portacontenedores, tomando en consideración el IMO Intact Stability Code [1].
Para ello, se escogerá como buque de referencia el buque portacontenedores correspondiente al Proyecto Final de Carrera N° 360 [2] para realizar los cálculos pertinentes de arquitectura naval referidos a la evaluación de los criterios y confección del libro de estabilidad.
El proceso de la elaboración del presente trabajo será, en primer lugar, analizar las formas de partida del buque de referencia y realizar los cambios pertinentes en caso de que se considerara necesario; después de ello se analizarán las condiciones de carga y se evaluarán los criterios de estabilidad sin averías del código actual. A continuación, se procederá a la generación del libro de estabilidad y, finalmente, se evaluará la estabilidad sin averías del buque referido por medio de los criterios de estabilidad de Segunda Generación, considerando el Nivel 1 de los mismos.
Criterios de Segunda Generación. Introducción y Motivación
Los actuales criterios de estabilidad recogidos en el Código IS 2008 [1] se limitan a establecer valores mínimos para determinados parámetros en relación con la curva de brazos adrizantes que presenta el buque en aguas tranquilas. Además, estos criterios nacieron del estudio estadístico de 50 buques base y, por tanto, su fiabilidad se reduce cuando se evalúan sobre buques de diferentes características. Por su carácter estático, la IMO está trabajando en el desarrollo de nuevos criterios que tengan en cuenta efectos dinámicos y cuyos valores no dependan de análisis estadístico de ciertos buques, de tal forma que pueda garantizarse la estabilidad del buque navegando en otras condiciones de mar. En la actualidad se prevé que estos criterios sean de carácter complementario, aunque se está trabajando con el propósito de sustituir los criterios generales de la Parte A del Código vigente en la actualidad.
Para este proyecto se ha escogido trabajar con un buque portacontenedores puesto que este tipo de buques se caracteriza por contar con elevados centros de gravedad cuando operan cargados y, además, son buques expuestos a un mayor peligro por trabajar con estados de carga muy variables; contando con grandes diferencias de la altura del centro de gravedad con respecto a cuando operan en lastre. Los elevados centros de gravedad en las situaciones de transporte de carga pueden resultar en una estabilidad precaria.
Memoria explicativa
No obstante, en situación de lastre el centro de gravedad disminuye significativamente y lo que en principio supone una variación favorable de cara a la estabilidad, puede suponer elevar el riesgo de que el buque sufra altas aceleraciones que pongan en juego bienes materiales o vidas humanas. Es en este aspecto donde cobran importancia los nuevos criterios, que sí tienen en cuenta diferentes fenómenos dinámicos que pueden producirse durante la navegación de los buques portacontenedores.
La motivación de este TFG es la de comprobar si, cumpliendo la Parte A del Código actual, se cumple el primer nivel de los nuevos criterios; el cual se ha elaborado con el objetivo de que los buques ya existentes cumplan con él. Otro objetivo es analizar si los resultados obtenidos con la evaluación de los nuevos criterios permiten obtener conclusiones interesantes sobre la susceptibilidad del buque de proyecto a sufrir determinados fenómenos dinámicos.
Introducción al buque de referencia
El buque que se desea proyectar y a partir del cual se realizará este proyecto es un buque portacontenedores cuyas dimensiones principales se muestran en la Tabla 1.1. Para ello, se escoge como buque de referencia el proyecto final de carrera mencionado anteriormente [2]; a partir del cual se fijaron las dimensiones principales del buque de proyecto y del cual se asumirá la disposición general para poder desarrollar los cálculos de estabilidad y sacar las conclusiones pertinentes en relación con los Nuevos Criterios, completando el objetivo del proyecto. Es importante recalcar que el buque del que se parte se trata de una referencia; es decir, se parten de las formas y dimensiones de dicho buque, las cuales se analizarán en el siguiente capítulo;
pero podrán estar sujetas a modificaciones, en caso de considerarlo pertinente (cumpliendo con las especificaciones del proyecto en todo momento) constituyendo, así, el buque de proyecto, que será objeto de estudio para la elaboración de este proyecto.
Es necesario conocer las características del buque que servirá como referencia para el buque de proyecto. Éste se trata de un portacontenedores Feeder de 1,000 TEUs de capacidad de transporte, con la particularidad de no presentar tapas de escotillas, lo que se denomina buque abierto, PCA o hatchless.
Los buques portacontenedores sin tapas de escotillas nacen de la idea de reducir al máximo el tiempo de ejecución de las operaciones de carga y descarga. Es por ello por lo que la diferencia principal entre los portacontenedores con tapa de escotilla y sin tapas de escotilla radica en la forma de estiba de los contenedores.
Mientras que en un portacontenedores convencional la carga se estiba de forma diferenciada según su ubicación (los contenedores de las bodegas se estiban mediante guías celulares y los que se encuentran sobre cubierta se agrupan en bloques); en un portacontenedores sin tapas de escotilla la totalidad de la carga se estiba mediante guías celulares suprimiendo las operaciones de sujeción de la carga, permitiendo el aprovechamiento del espacio que ocupaban las tapas de escotilla y haciendo necesario aumentar el puntal por cuatro o cinco veces la altura de un contenedor.
La explicación de que sea posible suprimir las tapas de escotilla en estos buques se debe al
Memoria explicativa
mencionado anteriormente, en combinación con la no variación del calado del buque debido a que el peso de la carga se mantiene constante. Ese nuevo francobordo disminuye la probabilidad de producirse embarque de agua; lo que supondría nefastas consecuencias por no existir medios de cierre que frenaran la inundación de las bodegas. Aun así, se diseña el sistema de medios de achique de la carga de tal forma que refuerce la seguridad todo lo necesario en caso de que se produjera embarque de agua.
Gracias a todas esas características se consigue el objetivo principal de disminuir los tiempos de operaciones de carga y descarga, pues se suprimen los trabajos de trincado de la carga y las operaciones con las tapas de escotilla, reduciendo el tiempo de estancia del buque en el puerto; es decir, el tiempo de plancha del buque.
Otra ventaja, es la notoria mejora en la estabilidad debido a la reducción del peso total por la ausencia de las tapas de escotilla, produciendo un aumento en la seguridad durante la carga y descarga; junto con la reducción del peligro de daño a los contenedores por golpes de mar gracias al mayor dimensionamiento del puntal del buque.
Entre los inconvenientes se encuentran el de presentar un mayor coste de construcción; el deterioro de los contenedores al estar todos ellos expuestos a la intemperie y una mayor rigidez de adaptación a contenedores con diferentes dimensiones.
a) Portacontenedores convencional b) Portacontenedores sin escotillas Figura 1.1. Secciones maestras según el tipo de portacontenedor
Todas estas características hacen a los buques hatchless idóneos para trayectos cortos y, por ende, es una estructura adecuada y con grandes beneficios para el buque con objeto de estudio, pues se trata de un portacontenedores feeder. Esto es un buque de pequeño tamaño que conecta los grandes puertos Hub (donde escalan los buques oceánicos y transoceánicos) con los puertos de menor tamaño a los que no pueden acceder estos grandes portacontenedores por razones de espacio.
La misión del buque de referencia es distribuir la carga contenerizada que transporta, que se carga al buque desde un portacontenedores procedente de China de mucho mayor porte, en servicio de línea regular desde el Puerto de Valencia y realizando diferentes escalas a lo largo de distintos puertos feeder del mar Mediterráneo.
Memoria explicativa
El buque de referencia cuenta con una capacidad de carga de 1,000 TEUs y con unas dimensiones principales que se especifican en la Tabla 1.1.
Tabla 1.1. Características principales del buque de referencia
Eslora total (Loa) 161.7 m
Eslora entre perpendiculares (Lpp) 150.0 m
Manga de trazado (B) 25.4 m
Calado de diseño (T) 8.4 m
Puntal (D) 13.0 m
Este trabajo se centra, principalmente, en el estudio la estabilidad del buque de proyecto, para lo cual es necesario conocer la organización de los distintos espacios asignados para la carga, lastre, consumibles y el lugar de estiba de los contenedores. Por esa razón, se asume la disposición general del buque de referencia; disponible en el Anexo I.
Estudio de la fiabilidad de las dimensiones del buque de referencia
Capítulo 2 Estudio de la fiabilidad de las dimensiones del buque de referencia
Para el desarrollo de este proyecto se parte, como referencia, del buque correspondiente al Proyecto Final de Carrera N° 360 [2]. Esto supone trabajar con unas dimensiones y unas formas ya predeterminadas y, por tanto, se hace necesario justificar la fiabilidad de dichas características, sujetas a posibles modificaciones en caso de que se considere oportuno, antes de profundizar en el estudio de las condiciones de carga.
El método seguido para llevar a cabo dicho estudio se sustenta en la idea de verificar que las dimensiones del buque de referencia estén en consonancia con respecto a los buques existentes en el mercado hoy en día. La información necesaria de dichos buques se ha obtenido mediante diferentes ediciones de la revista de Significant Ships, y páginas disponibles en la web como MarineTraffic y MSC Mediterranean Shipping Company.
Este procedimiento consiste en estimar las dimensiones principales del buque promedio mediante la regresión con los buques actuales que conforman la base de datos, partiendo de las mismas especificaciones que las del buque de referencia. Una vez realizada dicha estimación, se compararán las dimensiones del buque promedio obtenidas con las que cuenta realmente el buque de referencia y se justificará si dichas dimensiones son buenas y fiables para el desarrollo del presente trabajo.
Cálculo dimensiones principales. Base de datos
Para la obtención de las dimensiones principales del buque promedio es necesario proveerse de una base de datos a partir de la cual se podrán establecer las relaciones que existen entre las diferentes características de los buques que conforman la misma.
La base de datos seleccionada se muestra en el Anexo II. Ésta recopila buques porta- contenedores similares al buque de referencia, con capacidades de carga entre 800 y 1,250 TEUs y cuenta con buques de construcción más actual (entre los años 2012 y 2017) que la base de datos en la que se basó el cálculo de las dimensiones del buque base (entre 2004 y 2012). Es importante tener en cuenta esta diferencia a la hora de analizar las diferencias obtenidas entre las dimensiones calculadas y las del buque de partida.
El estudio de la validez de las dimensiones con las que se pretende trabajar en este proyecto requiere partir de las mismas especificaciones de diseño que las que se fijaron en su día para la proyección del buque de referencia, las cuales se detallan en la Tabla 2.1; de tal forma que las dimensiones con las que se va a realizar la comparación se hallen con objeto de cumplir la misión esos mismos requerimientos que tuvo que cumplir el buque de proyecto.
Estudio de la fiabilidad de las dimensiones del buque de referencia
El único de los requerimientos mediante el cual se puede establecer una relación las dimensiones principales es la capacidad de carga demandada, que es 1,000 TEUs; así que se establecerán las relaciones de las dimensiones con los TEUs capaces de transportar.
Tabla 2.1. Especificaciones del buque de partida
Tipo de Buque Portacontenedores Hatchless
Capacidad 1,000 TEUs (150 refrigerados)
Velocidad 20 kn
Medios propios de carga/descarga 2 grúas con capacidad de 30-50 toneladas
Motor principal Motor principal dual
Sociedad de Clasificación Bureau Veritas
Reglamentos SOLAS, MARPOL
Especificación extra Análisis de las alternativas de propulsión
1.1. Relación TEUs - Eslora total, Loa
Procediendo a la obtención de la eslora total para un buque con capacidad de carga de 1,000 TEUs, se establece la relación entre ambas características de los buques de la base de datos;
la cual se muestra en la siguiente gráfica:
Figura 2.1. Relación TEUs – Eslora total
y = 0.0939x + 52.906 R² = 0.8721
130,0 135,0 140,0 145,0 150,0 155,0 160,0 165,0 170,0 175,0
900 950 1000 1050 1100 1150 1200 1250 1300
Eslora total, Loa (m)
TEUs
TEUs - Loa
Estudio de la fiabilidad de las dimensiones del buque de referencia
La función de la línea de tendencia, obtenida por medio de ajuste por mínimos cuadrados, es la siguiente:
y = 0.0939 ∗ x + 52.906
La eslora total que resulta para una capacidad de carga de 1,000 TEUs es, entonces:
y = 0.0939 ∗ 1000 + 52.906 𝐲 = 𝐋𝐨𝐚 = 𝟏𝟒𝟔. 𝟖𝟏 𝐦
Para la tendencia marcada por los buques de la base de datos, se obtiene una eslora total de 146.81 m para un buque de 1,000 TEUs.
1.2. Relación TEUs - Eslora entre perpendiculares, Lpp
De la misma forma que se obtiene la eslora total, también se obtiene la eslora entre perpendiculares.
Figura 2.2. Relación TEUs – Eslora entre perpendiculares
La función de la línea de tendencia, obtenida por medio de ajuste por mínimos cuadrados, es la siguiente:
y = 0.0767 ∗ x + 61.91
y = 0.0767x + 61.91 R² = 0.8643
130,0 135,0 140,0 145,0 150,0 155,0 160,0
900 950 1000 1050 1100 1150 1200 1250 1300
Eslora entre perpendiculares, Lpp (m)
TEUs
TEUs - Lpp
Estudio de la fiabilidad de las dimensiones del buque de referencia
La eslora entre perpendiculares promedio que resulta para una capacidad de carga de 1,000 TEUs es, entonces:
y = 0.0767 ∗ 1000 + 61.91 𝐲 = 𝐋𝐩𝐩 = 𝟏𝟑𝟖. 𝟔𝟏 𝐦
Para la tendencia marcada por los buques de la base de datos, se obtiene una eslora entre perpendiculares de 138.61 m para un buque de 1,000 TEUs.
1.3. Relación TEUs - Manga, B
Para la estimación de la manga se relaciona la dimensión de las mangas con los TEUs de los buques seleccionados, puesto que, como ya se señaló previamente, la capacidad de carga es requisito del proyecto del buque base.
Figura 2.3. Relación TEUs – Manga
La función de la línea de tendencia, obtenida por medio de ajuste por mínimos cuadrados, es la siguiente:
y = 0.0108 ∗ x + 12.032
La manga promedio que resulta para una capacidad de carga de 1,000 TEUs es, entonces:
y = 0.0108x + 12.032 R² = 0.9205
22,0 22,5 23,0 23,5 24,0 24,5 25,0 25,5 26,0
900 950 1000 1050 1100 1150 1200 1250 1300
Manga, B (m)
TEUs
TEUs - B
Estudio de la fiabilidad de las dimensiones del buque de referencia
𝐲 = 𝐁 = 𝟐𝟐. 𝟖𝟑 𝐦
Por lo que, según la tendencia de la base de datos, se obtiene una manga de 22.83 m para un buque de 1,000 TEUs.
1.4. Relación TEUs – Puntal, D
Para la obtención del puntal se debe de tener en consideración que no todos los buques de la base de datos son hachtles. La siguiente gráfica muestra la relación entre los TEUs y los puntales de los barcos de la base de datos:
Figura 2.4. Relación TEUs – Puntal
La función de la línea de tendencia, obtenida por medio de ajuste por mínimos cuadrados, es la siguiente:
y = 0.0138 ∗ x − 2.0994
El puntal resultante para una capacidad de carga de 1,000 TEUs es, entonces:
y = 0.0138 ∗ 1000 − 2.0994 𝐲 = 𝐃 = 𝟏𝟏. 𝟕𝟎 𝐦
Así, se obtiene un puntal de 11.70 m para una capacidad de 1,000 TEUs de carga.
y = 0.0138x - 2.0994 R² = 0.8454
7,0 8,0 9,0 10,0 11,0 12,0 13,0 14,0 15,0 16,0
900 950 1000 1050 1100 1150 1200 1250 1300
Puntal, D (m)
TEUs
TEUs - D
Estudio de la fiabilidad de las dimensiones del buque de referencia
1.5. Relación TEUs – Calado
El calado es una característica que normalmente se conoce de partida como especificación del proyecto y es dado por el Armador debido a su experiencia en la explotación. Sin embargo, en ciertos tipos de buques de capacidad como los portacontenedores, entre otros, el calado de proyecto puede tratarse como variable de segundo nivel (es decir, calcularse a partir de otras características del buque) si se determina a partir de las exigencias volumétricas porque la carena resultante a partir de las mismas suele proporcionar un calado compatible con las especificaciones operacionales.
En conclusión, como no se especifica ningún calado en los requerimientos del proyecto del buque de referencia y como el resultado de la obtención de éste a partir de la capacidad del buque da lugar a un calado compatible con los requisitos operacionales; se puede dar por válido el calado obtenido mediante la relación existente entre los TEUs y el calado de los barcos de la base de datos para el estudio de las formas que se está llevando a cabo en este apartado.
Figura 2.5. Relación TEUs – Calado
La función de la línea de tendencia, obtenida por medio de ajuste por mínimos cuadrados, es la siguiente:
y = 0.0096 ∗ x − 1.4054
El calado resultante para una capacidad de carga de 1,000 TEUs es, entonces:
y = 0.0096 ∗ 1000 − 1.4054
y = 0,0096x - 1,4054 R² = 0,9246
06 07 07 08 08 09 09 10 10 11 11
900 950 1000 1050 1100 1150 1200 1250 1300
Calado, T (m)
TEUs
TEUs - T
Estudio de la fiabilidad de las dimensiones del buque de referencia
Luego el calado estimado para una capacidad de carga de 1,000 TEUs es de 8.19 m.
Con el cálculo del calado se finalizan las estimaciones de las dimensiones principales de un buque portacontenedores de 1,000 TEUs mediante la base de datos actualizada.
En la siguiente tabla se muestra el valor de las dimensiones principales obtenidas a partir de la base de datos actualiza y las dimensiones con las que cuenta el buque de proyecto realmente:
Tabla 2.2. Dimensiones principales obtenidas – Dimensiones del buque de referencia Dimensiones
calculadas
Dimensiones buque referencia
Eslora total, Loa 146.81 161.66 m
Eslora entre perpendiculares, Lpp 138.61 150.00 m
Manga, B 22.83 25.40 m
Puntal, D 11.70 13.00 m
Calado, T 8.19 8.40 m
Análisis de las dimensiones
Con las dimensiones principales obtenidas en el apartado anterior mediante la base de datos actualizada, se puede empezar el análisis de las dimensiones para verificar si las formas del buque de referencia son fiables; pues son sus dimensiones con las que se desarrollará el presente trabajo y conviene determinar si son razonables.
En primer lugar, se comprobará si las dimensiones del buque de referencia se encuentran dentro de los límites generales para portacontenedores marcados por los buques de la base de datos. Después, se compararán dichas dimensiones del buque de referencia con las obtenidas a partir de la base de datos actualizada, interpretando las diferencias existentes entre ellas;
finalizando, así, con la determinación del grado de fiabilidad de las dimensiones con las que se pretende desarrollar el trabajo.
Las relaciones adimensionales del buque de referencia se muestran en la Tabla 2.3. Estos valores se encuentran dentro de los valores normales de variación de los buques actuales que componen la base de datos, cuyos límites superior e inferior se muestran en la misma tabla. No obstante, el Anexo II muestra los valores de dichas relaciones para cada uno de los buques de la base de datos, en caso de querer realizar una comprobación detallada.
Estudio de la fiabilidad de las dimensiones del buque de referencia
Tabla 2.3. Límites inferior y superior de las relaciones adimensionales de la base de datos seleccionada
Loa/B Lpp/B B/T B/D Loa/D
Mínimo 6.314 5.959 2.438 1.684 11.061 Máximo 6.723 6.319 3.054 2.018 13.277 Buque calculado 6.430 6.071 2.786 1.951 12.547 Buque de referencia 6.365 5.906 3.024 1.954 12.435
Ahora, centrando el análisis en las dimensiones obtenidas y las del buque de referencia, se encuentran ciertas diferencias. Cabe mencionar, de nuevo, que las dimensiones estimadas a partir de las regresiones son orientativas y con ánimo de analizar y determinar la viabilidad de las dimensiones del buque de partida, no con objetivo de dimensionar.
Empezando por la dimensión de la eslora, hay que tener en cuenta que se trata de la dimensión principal que condiciona en mayor medida al resto de las dimensiones; ya que se trata de la dimensión que, con pequeñas variaciones, más influencia tiene en la resistencia al avance y la correcta estiba de la carga. Ambos aspectos han de conjugarse lo mejor posible teniendo en cuenta que, en ocasiones, pueden resultar ser parámetros antagónicos.
La eslora con la que cuenta el buque de referencia es mayor que la eslora estimada con la base de datos actualizada. Esto tiene su explicación teniendo en cuenta que la velocidad que se especifica en los requerimientos de diseño del buque de referencia (20 kn) es mayor que las velocidades con las que cuentan los barcos que conforman la base de datos, disponible en el Anexo II. Esto supone un valor del número de Froude mayor y, por tanto, la resistencia por formación de olas será significativa frente a la resistencia viscosa; por ello, es lógico que la eslora del buque de referencia sea mayor que la del buque promedio, en búsqueda de la disminución de la resistencia por formación de olas.
Como en los buques portacontenedores la manga se determina en función del número de contenedores que van sobre la cubierta del buque, no tiene mucho sentido evaluar la validez de esta dimensión comparándola directamente con la del buque promedio calculado. No obstante, la relación de esta dimensión con otras dimensiones del buque sí tiene influencia en ciertos comportamientos y características del buque, por lo que será interesante estudiar las diferencias de estos valores entre el buque de referencia y el obtenido mediante regresiones.
Aunque tanto la eslora como la manga presentan diferencias entre las del buque de referencia y las del buque calculado, la relación entre ambas L/B, que influye en la resistencia al avance del buque y en la maniobrabilidad de este, resultan ser muy similares, con una pequeña variación en torno al 1%. Consultando en Resistencia y Propulsión del Buque, A. B. Mayor [3], los valores típicos de la relación L/B para buques rápidos, buscando la disminución de la resistencia al avance, está entre 5.5 y 6.5; lo que se cumple tanto en el buque de referencia como en el calculado.
En cuanto a la relación B/D, que está relacionada con la estabilidad del buque por ser KG función del puntal y KM de la manga, se observa que ambas son muy semejantes, con un valor por encima de 1.8, lo que en principio supone una estabilidad buena, valor
Estudio de la fiabilidad de las dimensiones del buque de referencia
La relación B/T es algo mayor en el buque de referencia (B/T=3.024) que la del buque promedio (B/T=2.786), estando ambos valores dentro de los límites de variación de la base de datos. Aunque un aumento de este valor se traduce generalmente en un incremento de la resistencia total, según Resistencia y Propulsión del Buque, A. B.
Mayor [3] los valores entre los que se encuentran la relación de B/T para portacontenedores son 3.0 y 4.0, por lo que el valor de B/T del buque de referencia puede darse por bueno.
Las relaciones adimensionales en las que se ve implicada la manga son muy similares entre las del buque de partida con respecto a la del buque calculado con la base de datos actualizada, suponiendo unas características de estabilidad y maniobrabilidad similares. Por tanto, se puede concluir determinando que la dimensión de la manga del buque de referencia es coherente.
Las diferencias de dimensión entre las esloras y mangas suponen, consecuentemente, que la dimensión del puntal del buque de referencia también difiera de la calculada mediante regresiones; de tal forma que se adecúe a las nuevas dimensiones y que la combinación de todas ellas de lugar a unas buenas características del buque. Aún así, la diferencia entre los puntales se explica en que no todos los buques de la base de datos son de tipo hatchless, puesto que se trata de buques no demasiado frecuentes y es difícil encontrar ejemplos en el mercado con las características deseadas. La razón de que portacontenedores sin tapas de escotilla presenten usualmente mayores puntales que los convencionales es el de aumentar el francobordo para compensar la ausencia de estanqueidad que sufre el portacontenedores al no disponer de tapas de escotilla; garantizando, junto con los medios de achique correspondientes, la seguridad del buque
Para el estudio de la manga, ya se determinó que la relación B/D eran muy similares, indicando en un primer estudio una buena estabilidad por ser superior a un valor orientativo de 1.8.
Los valores de la relación entre la eslora y el puntal del buque de proyecto (L/D=12.435) y el buque calculado (L/D=12.547) presentan también una gran semejanza, con una variación en torno al 0.9%, encajando dentro de los rangos de variación del resto de valores de la base de datos. Esta relación influye en la resistencia longitudinal del buque.
Se puede concluir entonces que la variación del puntal sí está en consonancia con la variación de las otras dos dimensiones, siendo coherente su diferencia con respecto a la del buque promedio.
Hay que puntualizar que la dimensión del calado estará regida por aspectos como la Normativa del Francobordo, la estabilidad del buque, profundidad mínima de las zonas de operación del buque, etc. Es una dimensión que, como ya se comentó con anterioridad, normalmente viene dada como especificación del proyecto; pero en buques de capacidad, como es el caso, su cálculo orientativo en relación con otras características del buque suele dar resultados muy aproximados. La Tabla 2.2. muestra, efectivamente, que la diferencia entre el calado del buque de referencia y el calculado cuentan con una diferencia del 2.4%.
Finalmente, después de comprobar que las dimensiones del buque de referencia encajan dentro de los parámetros que marcan la base de datos seleccionada, que cuenta con buques de construcción más actual que la base de datos con la que se trabajó para el buque de referencia; y que las diferencias entre dichas dimensiones y las estimadas en una primera
Estudio de la fiabilidad de las dimensiones del buque de referencia
aproximación general están justificadas; se puede concluir que las dimensiones del buque portacontenedores de 1,000 TEUs del que se parte son coherentes y fiables.
Formas del buque de proyecto
Capítulo 3 Formas del buque de proyecto
Una vez se ha verificado que las dimensiones del buque de referencia con las que se van a trabajar son coherentes, en este capítulo se muestran las formas del buque de proyecto con el que se va a trabajar y, posteriormente, realizará un análisis hidrodinámico de dicho buque por medio del estudio de los coeficientes hidrodinámicos, curva de áreas y curvas hidrostáticas.
Presentación del buque de proyecto
Por falta de información en el plano de formas del proyecto del buque de referencia, no era posible modelar bien el barco en la herramienta de Rhinoceros; lo que era necesario para el posterior estudio de las situaciones de carga a través del programa Maxsurf.
Como el objetivo de este proyecto es el estudio de la estabilidad de un portacontenedores con las dimensiones del buque de referencia, se opta por trabajar con otras formas diferentes, pues no es mandatorio que sean idénticas a las del buque de referencia.
Dichas formas se generan mediante la herramienta Rhinoceros, cuyo plano de formas se puede consultar en el Anexo III. Para modelarlas, se parte de un plano de formas disponible en la base de datos del programa de arquitectura naval DELFTship [5] y se ejecuta una transformación afín, de tal forma que el buque de proyecto cumpla con las dimensiones principales detalladas en la especificación de este proyecto y de las cuales se verificó su validez en el capítulo anterior.
Figura 3.1. Perspectiva del casco del buque de proyecto
Formas del buque de proyecto
Análisis de las formas del buque de proyecto
El objetivo de este apartado es analizar las formas del buque de proyecto desde una perspectiva hidrodinámica a partir de sus coeficientes hidrodinámicos, su curva de áreas y su comporta- miento frente a la resistencia al avance por medio del estudio de las características de los perfiles de proa y popa.
2.1. Análisis general de los coeficientes hidrodinámicos y de la curva de áreas
Las formas del buque de proyecto se obtuvieron ejecutando una transformación afín a un buque ya existente para la obtención de las dimensiones principales deseadas. Por ello, existen diferencias entre las formas del buque de proyecto y las del buque de referencia.
La Tabla 3.1. muestra una comparativa de los coeficientes principales, dimensiones y desplazamiento del buque de referencia y del buque de proyecto.
Tabla 3.1. Tabla comparativa de las dimensiones y coeficientes principales
Buque de referencia Buque de proyecto Variación (%)
Calado, T 8.40 - m
Eslora entre perpendiculares 150.00 - m
Máxima manga en la flotación 25.40 - m
Desplazamiento, 19179 20321 5.05 t
Superficie mojada, S 4619 4605 -0.28 m2
Coeficiente prismático, Cp 0.59 0.62 3.41 -
Coeficiente de bloque, Cb 0.59 0.61 3.59 -
Coeficiente de la maestra, Cm 0.98 0.97 -1.62 -
Coeficiente de flotación, Cwp 0.78 0.77 -1.67 -
La mayor diferencia entre ambos buques es la del desplazamiento, con una variación porcentual del 5%, siendo mayor el del buque de proyecto. Dicha diferencia se analiza a continuación comparando tanto las curvas de áreas como las características hidrostáticas a diferentes calados de ambos buques.
Tabla 3.2. Tabla comparativa hidrostáticas a diferentes calados
Buque de referencia Buque de proyecto Variación (%)
Calado en la sección media, T 6.00 8.40 6.00 8.40 m T 6.00 8.40 m
Desplazamiento, D 12584 19171 13652 20322 t D 8.49 5.05 t
Área mojada en la flotación, S 2450 2967 2594 2996 m2 S 5.86 0.99 m2
Posición longitudinal del centro de carena, LCB 75.24 74.58 73.68 73.21 m LCB -2.08 -1.84 m
Posición longitudinal del centro de flotación, LCF 75.49 70.38 73.62 70.81 m LCF -2.47 0.61 m
Formas del buque de proyecto
Figura 3.2. Curva de áreas del buque de partida
Figura 3.3. Curva de áreas del buque de proyecto
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
-1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21
Área porcentual (%)
Cuadernas
Curva de áreas del buque de proyecto
Formas del buque de proyecto
La Tabla 3.2 muestra algunas características hidrostáticas de ambos buques, junto con la variación porcentual entre ellos, que van a ayudar a comprender dónde radica la diferencia de desplazamiento existente entre el buque de referencia y el de proyecto y el significado que eso mismo supone. Los calados que se han escogido para el estudio son el calado de proyecto, 8.4 metros, y el menor calado del que disponía información del buque de referencia, a 6 metros.
Se puede observar que a 8.4 metros las variaciones en las características hidrostáticas entre ambos buques son, en general, menores que al calado de 6 metros, donde las diferencias son más notables.
Para empezar, se observa que al calado de 8.4 metros, el área mojada en la flotación (S) es muy similar en ambos buques, lo mismo que la posición longitudinal del centro de la flotación (LCF). No obstante, para el calado menor se observa que dicha área aumenta notablemente en el caso del buque de proyecto, ensanchándose la diferencia entre ambos buques desde un 1% para el mayor calado hasta un casi 6% para el calado más pequeño; observando también una gran diferencia entre los LCB de ambos buques, situándose más a popa en el caso del buque de proyecto.
Estas diferencias son importantes de tener en cuenta puesto que a partir del área mojada en la flotación (S) y de la posición de su centro de gravedad (LCF) se obtiene la inercia transversal del buque en la flotación que, junto con los propios desplazamientos de cada buque, permiten el cálculo de la distancia del centro de carena al metacentro (BMt). Puesto que ambos buques presentan superficies mojadas muy diferentes a medida que va disminuyendo el calado del buque, la inercia en la flotación también irá difiriendo y, por tanto, el BMt; característica a tener en cuenta para el estudio de la estabilidad del buque.
Por otra parte, el desplazamiento (D) es, para ambos calados, mayor en el buque de proyecto frente al del buque de referencia. La posición longitudinal del centro de carena (LCB) se sitúa, en cualquier caso, siempre más a popa en el caso del buque de proyecto. Además, la diferencia entre la posición del centro de carena de dichos buques aumenta a medida que disminuye el calado. Las diferencias en los desplazamientos junto con las de la posición longitudinal del centro de carena indican que el buque de proyecto presenta unas formas más llenas, especialmente en popa, con respecto al buque de referencia.
Dicha conclusión está en consonancia con las curvas de áreas que se muestran en las Figuras 3.2 y 3.3. Comparando ambas curvas, se observa que la curva de áreas del buque de referencia desplaza el máximo área en el centro del buque, en torno a la cuaderna 10, siendo éste área sumergida más o menos equitativa para las zonas de proa y popa; mientras que el buque de proyecto alcanza el máximo área desplazado antes de la cuaderna número 10, en torno a la cuaderna número 9, lo que indica unas formas más llenas en la zona de popa y presentando una diferencia más notable entre las áreas sumergidas en proa y en popa.
Con respecto al comportamiento hidrodinámico y atendiendo a la curva de áreas de ambos buques, se observa que las dos presentan formas propias de los buques portacontenedores, con longitudes de los cuerpos de entrada y salida muy prolongadas, shoulders (uniones al cuerpo cilíndrico) muy amplios y cuerpo cilíndrico muy corto, prácticamente inexistente. La longitud del cuerpo de entrada ocupa, aproximadamente, la mitad de la eslora del buque. Esto
Formas del buque de proyecto
para tratar de generar las menores olas posibles y, consecuentemente, disminuir la resistencia por formación de olas, la cual es predominante en buques veloces. Además, en esta zona la curva presenta una concavidad acusada, terminando en el bulbo por parte de la curva de áreas del buque de partida (Figura 3.2.). La curva de áreas del buque de proyecto, no obstante, presenta el bulbo sumergido a este calado (Figura 3.3.).
No se pueden extraer conclusiones definitivas en cuanto al mejor o peor comportamiento del bulbo de ambos buques frente a la resistencia al avance por medio del sólo estudio de las curvas de áreas. La razón es que dicha curva muestra la distribución del desplazamiento del buque para el calado de proyecto en situación estática; cuando lo cierto es que el buque en situación dinámica (navegando) podría presentar cierto trimado aproante o apopante. Además de eso, se debe considerar que el punto de funcionamiento óptimo del bulbo podría variar en función de las condiciones de mar en las que vaya a operar el buque (zonas de operación); por lo que no se puede afirmar que uno de los buques buque presentará menor resistencia al avance que el otro sin haber realizado ensayos de canal para diferentes condiciones de mar y trimado; cosa que se aleja del objetivo del presente trabajo.
Como consecuencia a lo anterior, no es viable realizar una comparativa de comportamiento de los bulbos entre ambos buques para este trabajo, pues no se van a realizar los mencionados ensayos de canal. Sin embargo, y con motivo de que las formas son diferentes a las del buque de partida, el contenido de este capítulo se centrará en analizar de forma teórica las características frente a la resistencia al avance que presenta en particular el casco del buque de proyecto, que es con el que se va a trabajar durante el resto del proyecto.
2.2. Análisis hidrodinámico
2.2.1. Perfil de proa
La resistencia al avance del buque está compuesta por la resistencia viscosa (Rv) y la resistencia por formación de olas (Rw). La resistencia por formación de olas varía en función de la velocidad, pues a menores velocidades apenas se generan olas; lo opuesto a lo que ocurre cuando la velocidad del buque es mayor.
Este buque tiene una velocidad intermedia-rápida, por lo que la componente de la resistencia por formación de olas es significativamente superior a la de la resistencia viscosa. En consecuencia, se tratará de minimizar la componente de la resistencia por formación de olas, Rw.
Uno de los puntos críticos del buque en cuanto a la generación de olas es la proa, pues es donde nacen las olas divergentes. Es por ello por lo que unas formas afinadas y el empleo de bulbo en esta zona serán adecuados para conseguir la velocidad exigida, disminuyendo la generación de olas en proa.
El efecto hidrodinámico del bulbo de proa es diferente en buques rápidos y en lentos. En buques rápidos su objetivo es el de atenuar el sistema de olas de proa, lo que consigue mediante la creación de un tren de olas desfasado con respecto al que crea la propia proa del buque tratando de hacer coincidir la cresta de uno con el seno del otro, dando lugar a la cancelación
Formas del buque de proyecto
o reducción de la amplitud de la ola resultante. Esto conduce a una reducción de la energía empleada en la formación del sistema de olas y, en consecuencia, de la resistencia por formación de olas.
El bulbo que presenta el buque es de tipo elíptico y de altura intermedia. Este tipo de bulbos presentan un comportamiento intermedio entre los bulbos de peonza (muy efectivos para buques que vayan a operar a plena carga) y los bulbos de gota de agua (máxima eficiencia en situaciones de lastre, con poco calado); y es adecuado para buques en los que se vaya a operar tanto a plena carga como en lastre, como es en este caso.
Es menester el análisis de la forma de la flotación en la proa, pues en buques con velocidades intermedias-rápidas la cresta de la ola se origina algo más a proa del extremo de proa; por lo que lo que interesa en estos buques es que presenten en la flotación una tenue convexidad, como ocurre con el buque escogido, tal y como muestra la Figura 3.4.
Por último, sobre el estudio del perfil de proa cabe mencionar la forma de las cuadernas en esta zona. El empleo de formas en U o en V no supondrá diferencias notorias en cuanto a la resistencia por formación de olas; no obstante, sí influirá en la componente viscosa de la resistencia al avance. El criterio de elección de unas frente a las otras se rige principalmente en función de la probabilidad del buque de sufrir slamming. En este caso, al ser un buque de velocidad más bien elevada, será más propenso a emerger del agua por la parte de proa. La existencia de unas formas afiladas en la parte baja de la proa facilita la inmersión del casco al caer de nuevo sobre el agua, pues se evita un golpetazo del casco contra dicho fluido, que es lo que sucedería en caso de tener formas planas o en U. Se puede observar en el Anexo III que el buque con el que se va a trabajar presenta cuadernas de proa en forma de V. Algunas otras ventajas adicionales que ofrecen las cuadernas de proa en V son una menor superficie mojada, con la consiguiente disminución de la resistencia viscosa; mayor manga en la flotación y centro de carena más elevado, lo que atañe mejores efectos en cuanto a la estabilidad y mayor volumen disponible en las líneas de agua superiores, entre otras.
Figura 3.4. Línea de agua en la flotación en proa
Formas del buque de proyecto
2.2.2. Perfil de popa
El perfil de popa tiene, al contrario que el perfil de proa, mayor influencia en la resistencia viscosa que en la resistencia por formación de olas.
Un cuerpo que se encuentra sumergido en un fluido ideal presenta dos puntos de remanso (puntos donde la velocidad es nula) en los extremos de proa y popa; lo que da lugar a un perfil de velocidades, cuya integral a lo largo de la longitud de dicho cuerpo da como resultado 0; es decir, no hay resistencia.
Dicha situación no se da en la realidad, pues todo fluido presenta cierta viscosidad. Suponiendo el mismo objeto sumergido que en el caso anterior, en este caso se originaría una capa límite debido a la viscosidad, que empieza en el extremo de proa, por lo que la velocidad en dicho extremo sigue siendo nula y, en consecuencia, presenta el mismo pico de presión en ese punto.
Sin embargo, a lo largo de la longitud del objeto hacia popa se va engrosando la capa límite, cuyo efecto se traduce en una disminución de la velocidad de las partículas de fluido en el interior de la capa con respecto a la velocidad que presentarían en un fluido ideal; y, como consecuencia, el pico de presión en la popa es inferior al de proa. Con lo que la integral del perfil de presiones a lo largo de la longitud ya no queda como resultado 0, sino que hay una componente positiva que da lugar a lo que se conoce como la resistencia de presión de origen viscoso (Rpov), de proa a popa.
Hay que tener en cuenta, además, que dicha componente Rpov de la resistencia al avance puede verse incrementada por el desprendimiento de la capa límite, que es la causa de la formación de torbellinos. La zona crítica de desprendimiento de la capa límite es la zona de popa; pues a lo largo del perfil de proa las partículas del fluido se aceleran gracias al empuje por parte de la presión, empleando parte de su energía cinética en su recorrido. Debido a ese gasto de energía cinética pudiera ocurrir que las partículas no dispusieran de suficiente energía para recorrer el resto de la longitud del cuerpo, llegando incluso a frenarse en el caso de las partículas más próximas a las paredes del objeto; pero esas partículas no se quedan quietas, sino que inician un movimiento en sentido contrario debido a la componente de presión en sentido popa proa. Esto da lugar a una separación en el perfil de velocidades, que es donde se origina la separación de la capa límite y los torbellinos.
Esa es la razón de que la configuración del perfil de popa de un buque está directamente relacionada con la separación de flujo; por lo que a continuación se estudiarán las formas del buque de proyecto en esta zona.
Para empezar, es importante tener en cuenta la forma de la flotación en popa. Desde el punto de vista hidrodinámico lo óptimo es que tenga una forma ligeramente convexa con ángulo de salida inferior a 20°. Como puede observarse en la Figura 3.5. sí se cumple la condición de la convexidad, pero la flotación del buque de proyecto presenta un ángulo de 90°, muy superior al ángulo límite de 20°. Esto tiene su explicación en que, por razones de carga de un mayor número de contenedores, se necesita una manga ancha y se da como solución una popa de espejo. No es una mala solución, pues es justo en la popa de espejo donde se desprende la capa límite, se originan los torbellinos y aumenta la resistencia por presión de origen viscoso únicamente en esta zona; que es mucho mejor que forzar una curvatura determinada que diera lugar a un desprendimiento en una zona anterior, más a proa. El ángulo límite de 20° sí ha de
Formas del buque de proyecto
cumplirse en el vértice del espejo; que el buque de proyecto sí cumple, como muestra la misma Figura 3.5.
En cuanto a las cuadernas de popa, desde el punto de vista de la resistencia al avance lo adecuado sería disponer de unas cuadernas en V, pues en el pantoque de las cuadernas en U se producen torbellinos aumentando, como se explicó anteriormente, la resistencia por formación de olas. No obstante, al tratarse del perfil de popa se debe de tener en cuenta la homogeneidad de la estela que se genera en esta zona, pues es donde está ubicada la hélice.
Unas formas en V generan una estela mucho más heterogénea que unas formas en U y, además, son mejores con respecto a las vibraciones. Una solución de equilibrio son las cuadernas U-V, las cuales presenta el buque de proyecto, como se puede observar en el Anexo III. Este tipo de cuadernas presentan fondo plano (pues es en la parte baja donde se localiza la hélice) y a lo largo de su altura se van afinando, pasando a una configuración en V. Con esta configuración se consigue disminuir la resistencia al avance, sin generar una disminución problemática del rendimiento propulsivo.
Figura 3.5. Línea de agua en la flotación en popa
Cálculos de Arquitectura Naval
Capítulo 4 Cálculos de Arquitectura Naval
En este capítulo se llevará a cabo el cálculo del francobordo del buque de proyecto, que es aquel que se define en función del tipo de buque y de las características de las formas de este, conforme a lo dispuesto en el Convenio Internacional sobre Líneas de Carga, 1966 (ILLC) [6].
Definición de dimensiones
El primer paso es definir las dimensiones que interfieren en el cálculo del francobordo. Entre ellas figuran las siguientes:
Puntal de trazado (Ds), se fija como el puntal hasta la cubierta de francobordo, medido hasta el canto alto de dicha cubierta en el costado.
El puntal de trazado del buque de proyecto resulta: 𝐃𝐬= 𝟏𝟑 𝐦.
Puntal de francobordo (D), se define como la suma entre el puntal de trazado existente en el centro del buque más el espesor de la plancha de trancanil de la cubierta de francobordo.
Siendo dicho espesor 10 mm, resulta un puntal de francobordo: 𝐃 = 𝟏𝟑. 𝟎𝟏 𝐦.
Eslora de francobordo (Lfb), se fija escogiendo la mayor entre las dos dimensiones definidas a continuación:
El 96% de la eslora total medida a una altura del 85% del puntal de trazado sobre el canto alto de la quilla (L1).
Dicha eslora resulta: L1 = 155 m → 0.96 · L1 = 148.8 m
La eslora resultante entre la cara proel de la roda hasta el eje de la mecha del timón medida, de nuevo, al 85% del puntal de trazado (L2).
Resultando: L2 = 151.4 m
Como la dimensión L2 tiene un valor superior a la dimensión L1; la eslora de francobor-do queda definida tal que: 𝐋𝐟𝐛 = 𝐋𝟐= 𝟏𝟓𝟏. 𝟒 𝐦.
Manga (B), manga máxima del buque, medida en su centro; con lo que: 𝐁 = 𝟐𝟓. 𝟒 𝐦.
Coeficiente de bloque (CBfb) correspondiente al 85% del puntal de trazado del buque.
El coeficiente de bloque del buque de proyecto a dicha altura es 𝐂𝐁𝐟𝐛= 𝟎. 𝟔𝟕 𝐦.
Cálculos de Arquitectura Naval
Francobordo tabular
Por ser un buque portacontenedores se trata de un buque tipo B conforme a lo especificado en el convenio. El francobordo tabular se consulta en las tablas definidas en dicho documento para buques de ese tipo, al que más tarde se le aplicarán las correcciones pertinentes.
Tabla 4.1. Francobordo tabular asignado a la eslora Buque tipo B
Lfb [m] Fb tabular [mm]
151 2334
152 2354
Por estar la eslora de francobordo del buque de proyecto entre 151 m y 152 m se obtiene el francobordo tabular interpolando entre ambos valores:
FBtabular = (2354 − 2334) ·151.4 − 151
152 − 151 + 2334 = 2342 mm
Correcciones al francobordo tabular 3.1. Corrección por eslora
Según lo especificado en la Regla 29 del convenio, se debe incrementar el francobordo a buques de eslora inferior a 100 m. Esta regla no aplica al buque de proyecto, por ser de eslora superior a 100 m. Por tanto, CEslora= 0.
3.2. Corrección por coeficiente de bloque
Conforme a la Regla 30, esta corrección no aplica para el buque de proyecto por ser el coeficiente de bloque, CBfb=0.67, inferior a 0.68. Por tanto, CCB= 1.
3.3. Corrección por puntal
Por lo dispuesto en la Regla 31 del mismo convenio, el francobordo se debe aumentar en caso de que el valor del puntal de francobordo supere Lfb/15. Para el buque de proyecto:
Lfb
15 =151.4
15 = 10.09 Por lo que sí hay que aumentar el francobordo en un valor de:
Cpuntal= (D −Lfb
15) · R; R = 250 por Lfb> 120 m → Cpuntal= 729 mm
Cálculos de Arquitectura Naval
3.4. Corrección por superestructuras
El buque de proyecto cuenta con el castillo de proa y de popa de altura 3.485 m y 3.35 m respectivamente, ambos valores superiores a los 2.3 m considerados como altura normal de las superestructuras, conforme a la Regla 33.
La Regla 34 estipula que la longitud media de las superestructuras, S, es aquella que ocupan éstas dentro de la eslora de francobordo; resultando en el buque de proyecto:
Sproa= 10.61 m Spopa= 28.70 m
Conforme a la Regla 35 y por ser la altura de las superestructuras superior a la normal, la longitud efectiva de éstas se corresponde con su longitud real. La longitud efectiva es, por tanto, E=39.31 m.
Por lo estipulado en la Regla 37, para buques de eslora mayor a 122 m, hay que reducir el francobordo en un valor de 1070 mm modificado en función de la proporción de la longitud efectiva de las superestructuras en relación con la eslora de francobordo; resultando dicha relación:
E
Lfb= 0.260 → E = 0.26 · Lfb
La longitud efectiva resulta ser un 26% de la longitud de francobordo, por lo que la reducción de francobordo se obtiene interpolando entre el 20% y el 30% para los porcentajes de reducción que se muestran en la Tabla 4.2.
Tabla 4.2. Porcentaje reducción de francobordo buques tipo B Longitud efectiva
superestructuras 0.10·Lfb 0.20·Lfb 0.30·Lfb 0.40·Lfb
Porcentaje de
reducción 5 10 16 23.5
Reducción = (16 − 10) ·0.26 − 0.20
0.30 − 0.20+ 10 = 13.60 % Csuper= 1070 · 0.136 = 146 mm
3.5. Corrección por arrufo
La corrección del francobordo debida al arrufo está regida por la Regla 38 del convenio, en la cual se define la curva de arrufo normal. Se deberá corregir el francobordo en función del exceso o defecto del arrufo del buque con respecto a la curva de arrufo normal.
Cálculos de Arquitectura Naval
Tabla 4.3. Curva de arrufo normal
Mitad de popa Ordenada [mm] Factor Ordenada [mm] Ordenada·Factor
Mitad de popa
Perpendicular popa 25·(L/3+10) 1 1512 1512
1/6 L desde Ppp 11,1·(L/3+10) 3 671 2014
1/3 L desde Ppp 2,8·(L/3+10) 3 169 508
Centro buque 0 1 0 0
TOTAL 4033
Mitad de proa
Perpendicular popa 0 1 0 0
1/6 L desde Ppp 5,6·(L/3+10) 3 339 1016
1/3 L desde Ppp 22,2·(L/3+10) 3 1342 4027
Centro buque 50·(L/3+10) 1 3023 3023
TOTAL 8066
El exceso o defecto de cada una de las mitades se calcula como la octava parte de lo que resulta restando al total obtenido en la curva de arrufo normal en cada una de las mitades el total del arrufo real del buque de proyecto. Como el buque de proyecto no dispone de arrufo, se obtiene:
Defectopp=4033 − 0
8 = 504 mm
Defectopr =8066 − 0
8 = 1008 mm
El defecto de arrufo en cubierta se calcula, pues, como la media aritmética entre los defectos de proa y poa:
Defectocubierta=Defectopp+ Defectopr
2 = 756 mm
Hay que tener en cuenta que las superestructuras conceden cierto exceso de arrufo por ser de altura superior a la normal, como ya se puntualizó con anterioridad. Por esa razón, el valor absoluto del defecto de arrufo disminuye en un valor s, definido de la siguiente forma:
𝑠 = 𝑦 · 𝐿′
3 · 𝐿𝑓𝑏 Siendo:
y: diferencia entre las alturas real y normal de las superestructuras.
L’: longitud media de las superestructuras hasta un máximo de 0.5·Lfb. Resultando:
spp=(3350 − 2300) · 28700
3 · 151400 = 66 mm
spr=(3485 − 2300) · 10600
3 · 151400 = 28 mm Defecto = 756 − 66 − 28 = 662 mm