Centro Universitario de la Defensa
en la Escuela Naval Militar
T
RABAJOF
IN DEG
RADOGeneración de las curvas hidrostáticas y de estabilidad
transversal del Buque Escuela Juan Sebastián de Elcano.
Grado en Ingeniería Mecánica
ALUMNO:
Fernando Bernardo Sanz Navarro
DIRECTORES:
Antonio Eirís Barca
Centro Universitario de la Defensa
en la Escuela Naval Militar
T
RABAJOF
IN DEG
RADOGeneración de las curvas hidrostáticas y de estabilidad
transversal del Buque Escuela Juan Sebastián De Elcano
Grado en Ingeniería Mecánica
Intensificación en Tecnología Naval
Cuerpo General
RESUMEN
En este TFG, partiendo de los planos de forma del Buque Escuela Juan Sebastián de Elcano, se llevan a cabo los estudios iniciales que exige un estudio de estabilidad actualizado del emblemático buque de la Armada Española.
En la primera parte del trabajo se crea un modelo CAD tridimensional del casco del buque a partir de los planos de formas con el programa CAD Siemens NX. A continuación se generan las curvas hidrostáticas del buque en la condición de adrizado y se presentan los resultados en un gráfico que permita visualizar de forma rápida y cómoda la variación de las características geométricas del buque con el calado. Por último se obtienen las curvas transversales del buque donde se expresa el valor del brazo de adrizamiento para una situación de escora y un desplazamiento asumiendo una posición de referencia para el centro de gravedad.
PALABRAS CLAVE
AGRADECIMIENTOS
A mi tutor Antonio, por tener siempre una respuesta para toda duda que le planteé, gracias a esa gran dedicación e ilusión.
A mi tío Fernando por ayudarme con valiosas ideas e información desde mis comienzos en el mundo de la estabilidad.
A mis padres Fernando y Ana por darme la oportunidad de vivir.
A todos mis familiares que han pasado por este gran buque, especialmente a mis Tíos Bernardo y Antonio por animarme a abrazar esta hermosa profesión.
A todas las generaciones habidas y por haber del buque escuela Juan Sebastián de Elcano, navegando siempre bajo el amparo de la virgen del Carmen.
C
ONTENIDO
Contenido ... 1 Índice de Figuras ... 3 Índice de Tablas ... 5 1 INTRODUCCIÓN Y OBJETIVOS ... 6 1.1 Introducción ... 6 1.2 Motivación ... 8 1.3 Trabajo previo ... 12 1.3.1 Información ... 12 1.3.2 Trabajos anteriores ... 12 1.4 Objetivos ... 132 GENERACIÓN DEL CAD DEL BUQUE ... 14
2.1 Plano de formas ... 14
2.1.1 Introducción ... 14
2.1.2 Plano de formas Juan Sebastián de Elcano ... 15
2.2 Digitalización de los puntos ... 17
2.2.1 Introducción ... 17
2.2.2 Procedimiento ... 18
2.3 Modelado en NX ... 20
2.3.1 Tipos Spline ... 20
2.3.2 Modelado de Spline ... 21
2.3.3 Simetría y representación de estaciones ... 22
2.3.4 Obtención del volumen ... 23
2.3.5 Comparativa programa Delftship ... 24
2.3.6 Obtención del sólido ... 25
3 CURVAS HIDROSTÁTICAS ... 27
3.1 Introducción ... 27
3.2 Curva desplazamiento, abscisas centro de carena y TPC ... 28
3.2.1 Introducción ... 28
3.2.2 Obtención datos con NX ... 29
3.2.3 Curvas hidrostáticas ... 30
3.3 Curva KM, MTC y abscisas centro de flotación ... 32
3.3.3 Curvas hidrostáticas ... 39
4 ESTABILIDAD TRANSVERSAL ... 42
4.1 Introducción ... 42
4.2 Trabajo en NX ... 46
4.2.1 Objetivo ... 46
4.2.2 Centro y volumen de carena ... 46
4.2.3 Obtención KN ... 48
4.3 Curvas transversales de estabilidad ... 50
5 RESULTADOS ... 56
5.1 Comparativa con curvas corbeta tipo Descubierta ... 56
5.2 Comparativa con estudios anteriores ... 57
5.2.1 Tablas Hidrostáticas 2016 ... 57
5.2.2 Tablas Hidrostáticas 2006 ... 58
5.2.3 Tablas Hidrostáticas 1992 ... 59
5.2.4 Tablas estabilidad transversal 1992-2006 ... 61
5.2.5 Tablas Excel estabilidad transversal 2016 ... 62
6 CONCLUSIONES Y LÍNEAS FUTURAS ... 63
6.1 Conclusión ... 63
6.2 Futuro... 63
7 Bibliografía ... 65
Í
NDICE DE
F
IGURAS
Figura 1-1 Buque escuela Juan Sebastián de Elcano ... 7
Figura 1-2 Barcos participantes en la regata grandes veleros 2010. [10] [11] ... 9
Figura 1-3 Buque escuela canadiense Concordia. [10] ... 9
Figura 1-4 Gráfico hundimiento Concordia.[9] ... 10
Figura 1-5 Estudiantes supervivientes al naufragio. [10] ... 11
Figura 1-6 Trinquete del JSE rifado [9] ... 11
Figura 1-7 Importancia del CAD en diseño naval ... 13
Figura 2-1 Ejemplo plano de formas [10] ... 14
Figura 2-2 Plano de formas JSE vectorizado [11] ... 15
Figura 2-3 Caja de secciones. ... 16
Figura 2-4 Sistema de referencia DIN 812091 [10] ... 17
Figura 2-5 Caja de secciones utilizando software engauge digitizer ... 19
Figura 2-6 Spline puntos pasantes ... 20
Figura 2-7 Spline de ajuste ... 21
Figura 2-8 Spline uniendo los puntos obtenidos desde plano de formas [12] ... 22
Figura 2-9 Todas las estaciones desde plano de formas [12] ... 22
Figura 2-10 Superficie reglada [12] ... 23
Figura 2-11 Volumen final [12] ... 24
Figura 2-12 Comparativa cuadernas de trazado plano de formas y CAD ... 24
Figura 2-13 Modelado JSE con Delftship ... 25
Figura 2-14 Sólido obtenido desde el volumen creado ... 26
Figura 3-1 Curvas Hidrostáticas Corbeta Descubierta ... 27
Figura 3-2 Volumen de carena ... 28
Figura 3-3Centro de carena [12] [13] ... 29
Figura 3-4 Obtención Centro de Carena y volumen para un calado medio concreto [12] [13] ... 30
Figura 3-5 Metacentro transversal ... 33
Figura 3-6 Calcular BM ... 34
Figura 3-7 Radio metacéntrico transversal ... 35
Figura 3-8 Distancia entre perpendiculares [12] [13] ... 36
Figura 3-9 Marcas de calado JSE ... 36
Figura 3-10 Metacentro longitudinal ... 37
Figura 3-12 Momentos de inercia y CF [12] [13] ... 39
Figura 3-13 Tabla hidrostática final agrupada ... 41
Figura 4-1 Curvas de estabilidad transversal clase Descubierta ... 42
Figura 4-2 Evoluta metacéntrica ... 43
Figura 4-3 Estabilidad transversal ... 45
Figura 4-4 Centro y volumen de carena ... 46
Figura 4-5 Archivo centro de carena en .asc ... 47
Figura 4-6 Importación de puntos de centros de carena ... 48
Figura 4-7 Proyección de punto sobre el plano de la línea de flotación ... 48
Figura 4-8 Línea de acción del empuje ... 49
Figura 4-9 Obtención distancia KN o AP ... 49
Figura 4-10 Paralelos a 90º, obtención KN para diferentes desplazamientos ... 50
Figura 5-1 Comparativa de las CHs y CTs de las corbetas tipo Descubierta y el JSE ... 56
Í
NDICE DE
T
ABLAS
Tabla 1 Características JSE ... 7
Tabla 2 Desplazamiento sin apéndices en agua salada (1,026 𝒕𝒎𝟑)... 31
Tabla 3 Abscisas centro de carena (negativo desde la sección media hacia popa) .. 31
Tabla 4 Toneladas por cm de inmersión ... 32
Tabla 5 KM metacentro transversal ... 40
Tabla 6 MTC momento transversal para cambiar el asiento 1 cm ... 40
Tabla 7 Centro de flotación respecto sección media (-a popa) ... 41
Tabla 8 KN 5º escora ... 51 Tabla 9 KN 10º escora ... 51 Tabla 10 KN 15º escora ... 52 Tabla 11 KN 20º escora ... 52 Tabla 12 KN 30º escora ... 53 Tabla 13 KN 45º escora ... 53 Tabla 14 KN 60º escora ... 54 Tabla 15 KN 75º escora ... 54 Tabla 16 KN 90º escora ... 55
Tabla 17 Tabla Brazos Adrizantes Agrupada ... 55
Tabla 18 Tabla Hidrostáticas 2016 ... 57
Tabla 19 Tablas Hidrostáticas 2006 ... 58
Tabla 20 Tablas Hidrostáticas 1992 (1/2) ... 59
Tabla 21 Tablas Hidrostáticas 1992 (2/2) ... 60
Tabla 22 Comparativa KN 1992 – 2016 ... 61
Tabla 23 Excel datos KN 2016 (1/2) ... 62
1 INTRODUCCIÓN
Y
OBJETIVOS
1.1 Introducción
La temática de este TFG tuvo su génesis durante la instrucción de prácticas a bordo del B/E Juan Sebastián de Elcano. En concreto relacionado con una conferencia realizada en grupo con el Alférez de Fragata José María Liaño y el Alférez García Ruiz, la cual será comentada con posterioridad. Después de esta conferencia el Jefe de Estudios y el Comandante del Elcano recalcaron en la necesidad de hacer un nuevo estudio de la estabilidad del buque. El intenso horario del alumno a bordo, no le permitió desarrollar el estudio durante el crucero. Sin embargo en la última semana en la que había menos carga lectiva se intentó abordar el estudio. [1] El estudio sirvió para entender cómo se habían obtenido las tablas de reducción de aparejo y contrastarlas con los resultados obtenidos.
El alumno ha visto en este TFG una oportunidad para abordar de nuevo el estudio de la estabilidad del Buque Escuela. El punto de partida son los conocimientos aprendidos en el Buque Escuela y la recién asignatura cursada ``Instalaciones y Construcción Naval´´. El proyecto propuesto, la obtención de las curvas hidrostáticas y de estabilidad transversal, normalmente se hace a priori de la construcción, en el diseño. En este caso particular dada la antigüedad del buque y la inexistencia de medios suficientes en aquella época, haremos el estudio a posteriori. Las curvas hidrostáticas son una serie de datos inherentes a la forma del casco del buque. En los barcos, estas curvas son las mismas desde la botadura hasta el desguace.
No somos los primeros en interesarnos en la estabilidad del buque, se conoce que hubo un estudio de estabilidad en 1992 y una experiencia de estabilidad en el 2006. Estudios que fueron motivados por diferentes remodelaciones. [2] [6] Estos dos estudios están desactualizados ya que en un correo [7] intercambiado con un responsable del astillerouno de los ingenieros navales explica que ha habido una obra de renovación del acero del casco y que se ha operado con el lastre fijo del que dispone el buque, todo ello después del 2006. Lo que hace que el centro de gravedad no sea el mismo. Además en el manual de Máquinas Juan Sebastián de Elcano [8] el autor de la publicación menciona que las curvas de estabilidad transversal del buque están desaparecidas.
A continuación, proporcionaremos algunos datos técnicos del buque en cuestión:
Figura 1-1 Buque escuela Juan Sebastián de Elcano
El B/E Juan Sebastián de Elcano es un buque botado en 1927 por los antiguos astilleros Echevarrieta y Larrinaga de Cádiz. Con los siguientes datos técnicos:
Eslora entre perpendiculares 79,24 m
Eslora máxima 94,1 m
Eslora máxima con bauprés 113 m
Manga máxima 13 m
Puntal cubierta principal 6,3 m
Guinda altura máxima 49,9 m
Desplazamiento a plena carga 3770 tons.
Desplazamiento en rosca 2983,7 m
Calados a plena carga proa/popa 6,5/7,5 m
1.2 Motivación
En el LXXXVI crucero de instrucción en el Buque Escuela Juan Sebastián De Elcano al grupo de guardiamarinas nombrado anteriormente se nos encomendó realizar una conferencia centrada en la estabilidad naval de los grandes veleros, haciendo referencia al reciente hundimiento del buque escuela Canadiense Concordia.
Este buque en el año 2010 participaba en la regata de grandes veleros junto con el buque escuela Español. La flota navegaba en ese momento frente a las costas de Brasil. Inesperadamente un Pampero, un viento de fuerte intensidad, que se forma rápida e inesperadamente en la región de la Pampa Sudamericana, sorprendió a toda la flota, con la mayoría de los buques, con todas las velas izadas. El buque Canadiense rápidamente comenzó a escorar, hasta que la entrada de agua en el buque lo hizo irrecuperable. El Concordia se hundió el 18 de Febrero de 2010 [9].
Esto no quiere decir que el buque no estuviera preparado, para afrontar esta situación. Fueron varias las razones, que por ser el estudio del tema un buque velero, hace especialmente importante esta gran característica, muchas veces olvidada, que es la estabilidad.
La primera razón, fue la difícil predicción del viento. Este viento pampero, se genera rápidamente y es difícil de predecir. El temporal alcanzó a toda la flota, en la que se incluía el propio buque escuela Español, con todo el trapo dado, es decir con todas las velas listas para recibir el viento. Esto hacía muy vulnerables a los buques y no sólo provocó el hundimiento del Concordia, sino que causó también importantes destrozos en el resto de los barcos. La segunda razón y la que no se puede perdonar, es la reacción del buque, que no abrió el viento ni las velas. Además de tener varias escotillas abiertas, permitiendo la libre circulación del agua. Por esto es importante, hacer hincapié en la importancia de la estabilidad, de un buque. Especialmente, la estabilidad del buque Escuela Juan Sebastián de Elcano.
Este trabajo espera ser un impulso y una motivación en el estudio de la estabilidad del navío, ya que una vez que se haya digitalizado toda la información pertinente, será más fácil intercambiar información y trabajar.
A continuación, se pueden observar unas imágenes de los barcos participantes en la regata, y de los supervivientes al naufragio, en el cual gracias a Dios, no hubo que lamentar muertos.
Figura 1-2 Barcos participantes en la regata grandes veleros 2010. [10] [11]
En esta foto podemos ver que la mala fortuna podría haber caído sobre cualquiera de estos buques entre ellos volvemos a insistir el JSE.
Figura 1-3 Buque escuela canadiense Concordia. [10]
Eslora 57,5 m
Manga 9,4 m
Figura 1-5 Estudiantes supervivientes al naufragio. [10]
Sirva la Figura 1-5 como una muestra de la gran juventud e inexperiencia de los tripulantes naufragados del Buque Concordia. El duro temporal también causó daños en el JSE.
1.3 Trabajo previo
1.3.1 Información
La única información oficial que se dispone del buque, es la recogida en el ramo de ingenieros del Arsenal de la Carraca, en San Fernando, en la Navidad del 2015. En formato digital, no se dispone información oficial del plano de formas del buque. Sólo se conoce que existen esquemas, que utiliza la dotación, para representar la disposición de los diferentes espacios del buque.
En la visita mencionada anteriormente, al Arsenal de la Carraca, se acudió a su vez al buque de estudio, el cual tiene base en el mismo Arsenal. Se recibió un libro de estabilidad, [2] por parte del Alférez de Navío Manuel Gutiérrez Beltrán. El libro de estabilidad data del año 1992, realizado por los antiguamente llamados astilleros BAZAN-SAN FERNANDO. Este libro nos será útil, a la hora de comparar resultados.
Destacar, que el Buque ha sufrido cambios notables en la disposición interna, por lo tanto las curvas de estabilidad transversal están desactualizadas. Existe un estudio de 1992 y una experiencia de estabilidad del 2006 del buque, aunque parte de la información está incompleta
1.3.2 Trabajos anteriores
-Existen algunos trabajos que han obtenido las curvas hidrostáticas de otros buques, nos hemos apoyado en estos trabajos, para estudiar como plantearon y resolvieron los problemas, que encontraron estos alumnos.
-En la universidad politécnica de Cartagena, se hizo un estudio similar realizado con el programa informático Matlab. [11]
1.4 Objetivos
Obtener el CAD del casco del buque, a partir del plano de formas. El plano de formas, es el elemento clave de este proyecto. Ya que es nuestro verdadero punto de partida. Todo los datos que obtengamos, dependerán de lo exacto que sea el plano y como lo interpretemos.
Figura 1-7 Importancia del CAD en diseño naval
Obtener las curvas hidrostáticas, con programas de software libre o bien software comercial con licencia disponible en el Centro Universitario de la Defensa de Marín. El programa Engauge Digitizer será útil para digitalizar nuestro plano de formas. Lo que haremos punto a punto. El otro programa utilizado será el software comercial NX Siemens del cual el CUD cuenta con licencia. El programa es una potente herramienta que brinda una gran cantidad de opciones para dibujar el CAD del buque y hacer cálculos.
Obtener las curvas de estabilidad transversal, las cuales están perdidas. Los oficiales, que han pasado por el destino de máquinas de Elcano, han resaltado esta falta, que se espera poder resolver con el desarrollo del presente TFG. Utilizaremos el mismo software, que en el objetivo anterior.
Que el alumno, aprenda en el transcurso del proyecto, de una forma que sepa tal y como se obtiene cada dato. Se podría utilizar, cualquier otro software como el Foran o el Maxsurf pero no tendría el mismo valor académico. De esta forma, realizaremos las operaciones paso a paso.
Obtener unas nuevas gráficas que sirvan como apoyo a la asignatura ``construcciones navales´´ permitiendo ampliar la galería de problemas y motivando a los alumnos.
Contrastar los datos hidrostáticos de 1992 y 2006. Estas tablas hidrostáticas, servirán de referencia al alumno.
Motivar un nuevo estudio y experiencia de estabilidad transversal, obteniendo el nuevo centro de gravedad y correcciones por superficie libre, que integrando con las curvas obtenidas por el alumno, den como fruto, las curvas operacionales de estabilidad
2 GENERACIÓN
DEL
CAD
DEL
BUQUE
2.1 Plano de formas
2.1.1 Introducción
Las formas de un buque, representan la superficie interior o exterior del casco. Las curvas que se utilizan para su trazado, no pueden obtenerse, normalmente a través de expresiones matemáticas. Lo que hace necesario, representar estas formas en un plano. Por medio de intersecciones del casco, con planos paralelos: transversales, longitudinales y horizontales. Obteniendo 3 proyecciones. La superficie del casco que se suele representar es la superficie interior del casco, o fuera de miembros.[9]
Esta es una representación de las tres proyecciones:
Figura 2-1 Ejemplo plano de formas [10]
- En la parte superior de la imagen, podemos observar las curvas longitudinales, obtenidas por cortes con planos paralelos al plano longitudinal de crujía o diametral. El número de curvas suele ser de 5 y la más alejada del diametral dista ¾ de la semimanga máxima.
- En la parte inferior, estan representadas las curvas horizontales o líneas de agua que corresponden, a cortes paralelos al plano horizontal.
- En la parte superior derecha, las curvas transversales o de trazado, obtenidas por cortes paralelos a la cuaderna maestra. Suelen representarse 20 estaciones equidistantes.
A estribor, se representan las estaciones desde la cuaderna maestra hacia proa y en babor a popa.
2.1.2 Plano de formas Juan Sebastián de Elcano
En un primer lugar, como se mencionó anteriormente, en las Navidades del 2015 se visitó el Ramo de Ingenieros del Arsenal de la Carraca, donde se encontraban los planos existentes del buque. Los documentos suministrados, fueron el plano de formas y el plano del forro exterior del buque. Estos planos fueron fotocopiados y devueltos en el mismo permiso.
Figura 2-2 Plano de formas JSE vectorizado [11]
La principal proyección que vamos a utilizar es la transversal. Las demás proyecciones se utilizaran de referencia para completar la forma del casco, así se consigue que el CAD tenga consistencia. Además de las 20 secciones, el plano ofrece mas estaciones numeradas con letras, para definir con mas precisión formas con mayor curvatura. La distancia entre las secciones de 0 a 20 son 3,96235 m y de la A a la J 1,219 m.
A continuación se muestra una imagen, de la principal zona de trabajo, del plano de formas del JSE.
2.2 Digitalización de los puntos
2.2.1 Introducción
En primer lugar, resaltar que es un trabajo que requiere destreza del alumno y que no se puede tener más precisión, que la del propio plano. [10] El ojo humano, en las mejores circunstancias, tiene una precisión de 0,1 mm en una escala de 1:50 sería un error de 5 mm. Por lo tanto, este es nuestro límite. [3]
El principal objeto de estudio, fue la caja de secciones, Figura 2-3 Caja de secciones. Que se encuentra dentro del plano de formas, escala 1:50. Era necesario obtener las coordenadas, de los puntos de las 32 estaciones, que contenía el plano. En un primer momento, se planteó conseguir esos puntos uno a uno, manualmente con instrumentos de medición. Finalmente se escaneó la caja de secciones y se utilizó el programa Engauge Digitizer, programa de software libre. Aunque la labor, seguía siendo tediosa, aceleraba mucho el proceso.
En este contexto, definiremos nuestro eje de coordenadas en el centro del buque, en la línea base. Haciendo referencia a la norma DIN 812091. El eje X para la eslora, Y para la manga y Z para la altura. Esta norma, establece los signos positivos, pero no dicta un origen definido. Nosotros estableceremos nuestro origen en el centro del buque o sección media, coincidiendo con el punto inferior central del buque, ya que nos facilitará los cálculos hidrostáticos y será más cómodo trabajar de esta forma.
2.2.2 Procedimiento
El procedimiento a utilizar, fue establecer 3 puntos de referencia en el plano transversal (Y-Z). Fueron, (0,0), (6550,0), (0,14550). Estos puntos están ya en mm, porque el programa CAD sólo permite la entrada de datos en mm. Con estas referencias, los puntos que marcásemos con el ratón, estarían perfectamente vinculados con los puntos del plano de formas. Una vez establecidas las 3 referencias, se crea una nueva curva y en propiedades es importante seleccionar la opción ``contour´´ en lugar de ``single value function´´ sino no podremos seleccionar puntos con coordenadas en abscisas, no sucesivas. Una vez obtenemos la curva, habiendo seleccionado los puntos necesarios para obtener la semisección, pulsamos en ``view´´ y en el cuadro que aparece ``show geometry info´´. De esta forma aparece un archivo en columnas en los que aparecen los puntos en X e Y (correspondiente a Y y Z ya que nuestro plano, es el transversal). Estos puntos se copian y antes de pasarlos a un archivo Excel, hay que pegarlos en un bloc de notas y reemplazar comas por puntos porque si no Excel no reconocerá los decimales. Una vez en Excel ajustamos nuestros datos. El programa CAD NX, reconocerá las coordenadas como (x,y,z). Nosotros lo hemos asociado a las coordenadas (eslora, manga, altura) como recomienda la norma DIN 812091. Establecemos el origen en la sección media, nuestra estación número 10, según nuestro plano de formas. [3]
Pegaremos nuestros datos en la segunda y tercera columna datos correspondientes a eslora y altura. La coordenada X habrá que introducirla manualmente en Excel. La referencia 0 es la sección media o estación número 10 y el espacio en cada estación es 3,96235 metros, como estipula el plano de formas, de la estación 0 a 20. De la A a la J serán 1,219 m. Una vez tenemos los puntos en las 3 columnas, volvemos a copiar las 3 columnas, pegamos en un bloc de notas y reemplazamos puntos por comas. Ahora realizamos la operación inversa, debido a que nuestro programa CAD reconoce sólo los puntos y no las comas. Finalmente guardamos el archivo en formato .asc
Figura 2-5 Caja de secciones utilizando software engauge digitizer
En la Figura 2-5 Caja de secciones utilizando software engauge digitizer, se muestra la ventana gráfica del programa una vez que han sido recorridos los puntos de las estaciones que van de la 1 a la 20. Cada estación ha sido punteada con los puntos necesarios para definir su forma.
2.3 Modelado en NX
2.3.1 Tipos Spline
En arquitectura naval, el término Spline, se refiere al trozo de metal, madera o plástico que define las curvas del barco. Cuando se fuerza esta curva, a pasar por un determinado número de puntos, la forma de la curva se describe, por un polinomio cúbico. Pero el fin último de la Spline, es asegurar la continuidad entre puntos. Considerando un número de puntos, que definen una estación del barco, haciendo pasar la curva a través de todos ellos, se obtiene una Spline por interpolación.
En diseño naval, preferimos obtener una curva que se ajuste a los puntos, es decir que mantenga la continuidad en la curvatura, en vez de que pase estrictamente a través de los puntos. La curva ajustada, es una Spline aproximada.
Aquí, ponemos un ejemplo de las 2 curvas para la misma nube de puntos.
Figura 2-7 Spline de ajuste
2.3.2 Modelado de Spline
Entrando en NX 10, se importan los puntos que hemos guardado previamente en formato .asc importando la nube de puntos, generamos una curva de ajuste. Hay que jugar con el grado y el número de segmentos de la spline, para que se adapte mejor a los puntos de control. Con esto lo que se quiere transmitir es, que una curva no debe ser más complicada de lo que necesita ser. Por lo tanto, lo importante es que sea ``agradable´´ a la vista. [3]
Figura 2-8 Spline uniendo los puntos obtenidos desde plano de formas [12]
2.3.3 Simetría y representación de estaciones
Una vez se tiene la curva ajustada a los puntos, es necesario hacer la operación de simetría por el plano X-Z. Esta acción se repite con todas las estaciones. La distancia entre estaciones, es la definida anteriormente diferenciando entre el intervalo 0-20 y A-J. En la imagen podemos apreciar como en los extremos del buque las estaciones son más próximas, adaptándose con más precisión a las formas del buque.
2.3.4 Obtención del volumen
Una vez tenemos todas las estaciones dibujadas nos disponemos a crear el volumen. Para ello, se utiliza el comando ``superficies regladas´´, entre splines. En la imagen podemos apreciar como consideramos plana la parte superior. La cual tiene una curvatura definida en el plano de formas conocida como brusca. Sin embargo, la hemos despreciado, porque a efectos hidrostáticos no nos afecta de forma considerable.
Figura 2-10 Superficie reglada [12]
Finalmente se genera el volumen completo. Con este volumen se aprecia cómo a partir de un plano de formas se puede obtener el casco del buque. Esta superficie representa el forro interior del casco o volumen sin apéndices, es decir la quilla el timón y la hélice del buque no están representadas. En los próximos cálculos estos apéndices no tendrían apenas influencia.
Figura 2-11 Volumen final [12]
En esta imagen podemos comparar las curvas transversales del plano de formas inicial y el obtenido por el CAD.
Figura 2-12 Comparativa cuadernas de trazado plano de formas y CAD
2.3.5 Comparativa programa Delftship
Somos conscientes, de la posibilidad de haber utilizado otros paquetes de software, como por ejemplo Delftshift, para crear el CAD del buque. Este programa nos podría haber ahorrado tiempo y facilitado el procedimiento.
Figura 2-13 Modelado JSE con Delftship
Sin embargo hemos utilizado NX por varias razones:
- Es un software del que dispone licencia el Centro Universitario de la Defensa. - Nos permite exportar el CAD
- Ha sido utilizado en diferentes asignaturas a lo largo de la carrera.
- Es didáctico, es decir tienes el control del procedimiento y realizas paso a paso la generación del CAD
2.3.6 Obtención del sólido
Es importante resaltar, que para medir propiedades, necesitamos convertir este volumen en un sólido. Una vez realizado este paso sí podremos medir el volumen de secciones, momentos de inercia y centros de masas. Para ello utilizaremos el comando ``sew´´ o coser. Es posible, que haya que modificar algún filo o forma para que el programa nos acepte la operación. Debido a que el volumen debe ser continuo y estar completamente cerrado.
Figura 2-14 Sólido obtenido desde el volumen creado
3 CURVAS
HIDROSTÁTICAS
3.1 Introducción
Como se mencionó anteriormente, las curvas hidrostáticas son propias de cada buque. Hay varios paquetes de software, que te permiten obtener estas curvas de forma automática una vez introducidas las formas del buque o CAD en el programa. Sin embargo hemos visto oportuno, que en el proceso sea el alumno el que tenga el control de los datos. Por eso vamos a obtener estas curvas paso a paso. A continuación, se presenta un ejemplo, de las curvas hidrostáticas de una corbeta. Como eje común, todas las curvas comparten el eje de ordenadas, que corresponde al calado medio del buque.
3.2 Curva desplazamiento, abscisas centro de carena y TPC
3.2.1 Introducción
Para calcular, la curva hidrostática del desplazamiento, será necesario hallar el volumen de carena del buque. Obteniendo el centro de masas de este volumen, estaremos obteniendo, la posición del centro de carena.
Volumen de Carena:
La parte del casco estanca al agua, situada sobre la línea de flotación, se llama obra muerta. Obra viva es el volumen de la parte inferior o parte sumergida. Es decir, el espacio limitado por el plano de flotación y la quilla, es el volumen de carena. [14]
Figura 3-2 Volumen de carena
Centro de carena B:
Por la ley de Arquímedes, este volumen sumergido genera una fuerza de empuje. Esta fuerza es la que contrarresta al peso del buque. Su dirección es vertical al plano de flotación, pasando por el centro geométrico del volumen sumergido o carena. Este punto se conoce con el nombre de ''centro de carena'' o centro de presión y se designa con la letra ''B''. Para cada flotación paralela a la quilla, existirá un solo centro de carena. El punto B variará cuando lo haga la escora o cuando el barco se incline a proa o a popa, B estará en crujía si el barco está adrizado. Su posición longitudinal con respecto a la sección media y su altura vertical con respecto a la línea de base, se obtendrán para cada calado. Cuando el buque se balancee, el centro de carena describirá una curva para cada calado, cuya forma depende las formas del buque. [14]
=
Figura 3-3Centro de carena [12] [13]
Desplazamiento:
Para calcular el desplazamiento del buque, sólo se tendrá que hacer una multiplicación. El volumen de carena por la densidad del agua en la que se navegue. En este caso, vamos a tomar la densidad del agua salada por ser la más común.
𝐷𝐸𝑆𝑃𝐿𝐴𝑍𝐴𝑀𝐼𝐸𝑁𝑇𝑂 = 𝑉 ∗ ρ
𝜌 = 1,026𝑡𝑜𝑛𝑠 𝑚3
Toneladas por cm de inmersión TPC:
Es el número de toneladas que es necesario embarcar o desembarcar, para que el calado medio aumente o disminuya un centímetro (TPC) o una pulgada (TPI), según el caso. Con frecuencia es interesante efectuar un cálculo rápido para poder determinar la variación de calado al aumentar o disminuir el desplazamiento. Este consiste en dividir el cambio de desplazamiento por las ''toneladas por centímetro o por pulgada de inmersión. [14]
3.2.2 Obtención datos con NX
En primer lugar lo que tenemos que hacer es unir el volumen generado y convertirlo en un sólido para poder medir las propiedades. Podemos utilizar el comando Coser o Sew para realizar esta operación como previamente se ha nombrado. A continuación haremos corte paralelos a la línea base del buque, en intervalos de 0,2 m. Crearemos planos datum y sobre estos planos haremos los cortes. Utilizando el comando ``medir los cuerpos´´, se extrae la información del volumen (volumen de carena) y su centro de masas (centro de carena B), del cual utilizaremos la coordenada ``y´´ para saber la altura sobre la quilla y coordenada ``x´´ para construir la curva de abscisas de centro de carena.
Figura 3-4 Obtención Centro de Carena y volumen para un calado medio concreto [12] [13]
Una vez hallados todos los volúmenes de carena, multiplicamos por la densidad 1,026 𝑚𝑇3. Y así obtendremos los distintos desplazamientos. Después de realizar esta operación repetidamente, para todos los calados medios desde 0 a 8 m en intervalos de 0,2 m pasaremos nuestros datos a un archivo Excel. Rellenaremos la columna de volumen de carena, desplazamiento, abscisas de centro de carena y ordenadas de centro de carena (KB). También podemos obtener los diferentes TPC (toneladas por centímetros de inmersión). Para ello dividimos la diferencia de desplazamientos sucesivos entre 20 ya que hemos hallados desplazamientos entre 20 cm.
3.2.3 Curvas hidrostáticas
A continuación se presentan las curvas obtenidas tras las operaciones con el software NX y graficado en Excel.
Tabla 2 Desplazamiento sin apéndices en agua salada (1,026 𝒎𝒕𝟑)
Como se puede apreciar la pendiente de la curva disminuye acorde a la forma del buque, es decir cerca de la quilla la manga del buque se va incrementando hasta aproximadamente 2 m de calado en el cual la longitud de la manga se estabiliza.
Tabla 3 Abscisas centro de carena (negativo desde la sección media hacia popa)
Para pequeños calados el centro de carena está marcadamente desplazado hacia la popa, debido al asiento a popa de diseño que tiene el buque.
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 CAL A D O m . TONELADAS, t
Dto-Calado medio
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 -14 -12 -10 -8 -6 -4 -2 0 CAL A D O m .(- Hacia Popa, Referencia Estación 10)
Tabla 4 Toneladas por cm de inmersión
El incremento de pendiente en esta curva es inverso al del desplazamiento. Para calados pequeños, la manga del buque es menor, por lo tanto también es menor TPC. En torno a un calado de 3,5m la pendiente se estabiliza.
3.3 Curva KM, MTC y abscisas centro de flotación
3.3.1 Introducción
A continuación definiremos los términos de estudio:
Metacentro transversal M:
Puede definirse el metacentro, como el centro de curvatura del lugar geométrico de los centros de carena para escoras próximas entre sí, a desplazamiento constante”. También se puede decir que es el “punto de intersección de dos líneas de acción sucesivas de la fuerza de empuje, al escorarse el buque un ángulo muy reducido, a desplazamiento constante. Para escoras mayores de 7º, no se puede considerar que permanezca estático. [14] 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 CALAD O m . Tons/cm
TPC
Figura 3-5 Metacentro transversal
Radio metacéntrico transversal BM:
La distancia entre el metacentro transversal M y el centro de carena B se llama ''radio metacéntrico transversal''. Los metacentros son los centros instantáneos, para incrementos infinitesimales, de la trayectoria curva del lugar geométrico de los centros de carena, cuyos radios son las distancias entre ambos centros. Para el estudio de la estabilidad inicial, sólo interesa el radio metacéntrico inicial BM; es decir, el correspondiente al buque adrizado.
El radio metacéntrico se puede calcular por la fórmula: 𝐵𝑀 =𝑉𝐼
𝐼 Momento de inercia de la superficie de la flotación con respecto a la línea de crujía del buque.
𝑉 Volumen de carena.
El momento de inercia 𝐼 de la superficie de la flotación respecto a la línea de crujía puede calcularse dividiendo la superficie en una serie de pequeños rectángulos.
B=Centro de carena M=Metacentro transversal
r r
Figura 3-6 Calcular BM
Con los rectángulos así obtenidos, se calcula el momento de inercia de cada uno de ellos, con respecto a la línea de crujía:
𝐼 =𝑏3∗ 𝑙 12
𝐼 Es el momento de inercia de cada uno de los rectángulos.
𝑏 Manga de los rectángulos.
𝑙 Eslora de los mismos.
Una vez obtenidos los valores de los momentos de inercia parciales, se integran, con lo que calcularemos el momento de inercia total, 𝐼 y el radio metacéntrico BM:
𝐼 = ∫
𝑏
3∗ 𝑙
12
𝐵𝑀 = 𝐼 𝑉 h lFigura 3-7 Radio metacéntrico transversal
Eslora entre perpendiculares L:
Es la longitud que hay entre la perpendicular de popa y la perpendicular de proa. Centro de Flotación CF:
El centro geométrico o centro de gravedad del plano de flotación se denomina ''centro de flotación''. Por este punto pasa el eje transversal de giro o eje de asiento del buque, alrededor del cual gira el mismo cuando, cabecea en aguas tranquilas o cuando sufre modificaciones en su asiento. Su posición exacta se obtiene, para cualquier condición de carga mediante las curvas hidrostáticas. Normalmente, viene referido por su distancia a la sección media que en este caso coincide con la estación número 10. [14]
Figura 3-8 Distancia entre perpendiculares [12] [13]
Figura 3-9 Marcas de calado JSE
Metacentro longitudinal Ml:
Para una inclinación longitudinal infinitesimal, los empujes que pasan por la posición inicial y final del centro de carena intersectarán en un punto denominado metacentro longitudinal. Partiendo de la situación de equilibrio para buque sin asiento, el empuje correspondiente a un ángulo infinitesimal, cortará la línea de empuje del centro de carena inicial en un punto, Ml, metacentro longitudinal inicial. Dentro de los primeros grados de inclinación longitudinal, las diferentes líneas de empuje pasarán, prácticamente, por el punto Ml.
L CF
Figura 3-10 Metacentro longitudinal
Momento para cambiar el asiento un cm MTC:
Una deducción importante de la estabilidad longitudinal inicial es el momento para cambiar el asiento un centímetro.
Figura 3-11 Gráfico explicativo MTC
tan 𝜑 =𝐴𝐿 = 𝐺𝐺1
𝐺𝑀
𝐴 variación asiento total. 𝐿 eslora entre perpendiculares. 𝐺 centro de gravedad dθ
CF B B` dθ
Ml
Si multiplicamos por el desplazamiento: 𝐴 𝐿 = 𝐺𝐺1𝑊 𝐺𝑀𝑊 y 𝑀𝑡𝑜 = 𝐺𝐺1𝑊 por lo tanto 𝑀𝑡𝑜 = 𝐺𝑀∗𝑊∗𝐴 𝐿 Pasando a cm 𝑀𝑇𝐶 =𝑊∗𝐺𝑀100∗𝐿
Para medir la estabilidad longitudinal tenemos que: GML = KB + BML – KG.
KB Y KG los mismos valores que en la estabilidad transversal.
Por ser BML mucho mayor que KB y KG podemos aproximar para cálculos de estabilidad.
GML=BML
Por lo tanto MTC es una propiedad también hidrostática que depende solo de la forma del buque.
𝑀𝑇𝐶 =𝑊 ∗ 𝐵𝑀𝐿 100 ∗ 𝐿
3.3.2 Obtención datos con NX
Se utilizará el mismo procedimiento anterior, pero esta vez en vez de utilizar el comando ``medir los cuerpos´´ utilizaremos el comando ``medir los momentos de inercia´´. Con este comando obtendremos: el centro de flotación o centro de inercia (CF), momento de inercia transversal (Ix) y longitudinal (Iy) de cada superficie.
Figura 3-12 Momentos de inercia y CF [12] [13]
Los datos subrayados corresponden a: la abscisas del centro de flotación con respecto a la sección media (Abscisas CF), Iy, Ix.
Con estos datos podemos rellenar las columnas BM, BML, y abscisas CF. 𝐵𝑀 =𝐼𝑥 𝑉 𝐾𝑀 = 𝐾𝐵 + 𝐵𝑀 𝐵𝑀𝐿 =𝐼𝑦 𝑉
3.3.3 Curvas hidrostáticas
Tabla 5 KM metacentro transversal
Como se puede apreciar en la gráfica hay un gran aumento del valor de KM para valores pequeños de calado. Esto es debido a que la manga para calados pequeños es también de menor longitud por lo tanto los incrementos de volumen son pequeños hasta la estabilización del valor de la manga, en un valor de 2 m aproximadamente.
Tabla 6 MTC momento transversal para cambiar el asiento 1 cm
La relación entre Ix y el volumen de carena se mantiene uniforme, aunque se puede apreciar una vez más que hasta los 2 m de calado, no se estabiliza debido a las formas del buque. 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 CAL A D O m .
Distancia vertical del metacentro sobre quilla m
KM (m)
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 CAL A D O m .MTC
Tabla 7 Centro de flotación respecto sección media (-a popa)
Finalmente, hemos obtenido la gráfica final agrupada, esta gráfica va a ser muy útil a la hora de resolver distintos problemas de estabilidad. Si se necesitara más precisión habría que ir directamente a las tablas Excel.
Figura 3-13 Tabla hidrostática final agrupada
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 -8 -7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0 CALAD O m .
(- Popa, Referencia Sección 10)
4 ESTABILIDAD
TRANSVERSAL
4.1 Introducción
Al igual que se comentó con las curvas hidrostáticas, las curvas transversales de estabilidad, también dependen únicamente de las formas del buque, cuando suponemos el centro de gravedad en la quilla.
Aquí tenemos un ejemplo de las curvas de estabilidad transversal las corbetas clase Descubierta.
Figura 4-1 Curvas de estabilidad transversal clase Descubierta
Flotabilidad:
Como establece el principio de Arquímedes, todo cuerpo sumergido en un líquido estable experimenta un empuje igual al valor del peso del volumen desplazado. [15]
Desplazamiento:
En referencia a la definición anterior podemos definir, desplazamiento como el volumen de carena multiplicado por la densidad reinante en el líquido. [15]
𝐷𝐸𝑆𝑃𝐿𝐴𝑍𝐴𝑀𝐼𝐸𝑁𝑇𝑂 = 𝑉 ∗ ρ
Centro de Gravedad:
Este término, que no es objeto de estudio de este proyecto, es obviamente vital en la estabilidad. No es objeto de estudio porque no depende exclusivamente de las formas del buque. Depende de la cantidad de peso y distribución a bordo. Normalmente está por encima del centro de carena lo que significa que el buque tiene estabilidad positiva o que tiende a adrizarse cuando sufre una escora. Las curvas que vamos a obtener nos permitirán calcular la estabilidad transversal para cualquier condición de carga y posición del centro de gravedad.
Metacentro transversal:
Centro de curvatura de los centros de carena. Para escoras menores de 7º se considera fijo, para mayores va cambiando. La trayectoria que describen los diferentes puntos de carena se llama evoluta metacéntrica.
Altura metacéntrica transversal:
Una de las formas, con la que podemos tener una aproximación a la estabilidad de un buque, es con la distancia desde G a M o altura metacéntrica. Si M está por encima de G el buque será estable, si está por debajo será inestable. Para escoras menores de 7º, en las que consideramos que M permanece en la misma posición, podemos calcular el brazo adrizante GZ como la multiplicación de la altura metacéntrica por el seno de la escora.
𝐺𝑍 = 𝐺𝑀 ∗ sin 𝜃
Para escoras mayores de 7º deberemos utilizar el falso metacentro, es decir el corte de la línea de acción del empuje con el plano de crujía. Como explicaremos en una figura posterior.
Momento de adrizamiento:
Cuando el buque se escora, la forma de la obra viva cambia. Por lo tanto la línea de acción del centro de carena también.
La separación de esta línea de acción al centro de gravedad (GZ o brazo de adrizamiento) multiplicado por el desplazamiento del buque (W) resulta el momento adrizante del buque o momento para contrarrestar esa escora.
𝑀𝑇𝑂 𝐴𝐷 = 𝐺𝑍 ∗ 𝑊
Con las tablas que vamos a obtener supondremos G en la quilla. Obtendremos KN (brazo de adrizamiento suponiendo G en la quilla), por lo tanto habrá que hacer una corrección para hallar el valor real de GZ.
𝐺𝑍 = 𝐾𝑁 − 𝐾𝐺 ∗ sen(escora) KG Distancia de G a la quilla KN siempre será mayor que GZ
Figura 4-3 Estabilidad transversal
Carenas líquidas y superficie libre:
En el estudio de la estabilidad transversal no podemos obviar ni olvidar este importante efecto.
El centro de gravedad de un buque, no se movería si todos los pesos a bordo fueran sólidos y estuvieran debidamente trincados. También, en caso de que fuesen líquidos, tendrían que estar completamente rellenos. Cuando un tanque está parcialmente relleno, el líquido queda en libertad, moviéndose a una banda y otra al balancearse el buque. Porque su superficie, tiende a mantener la horizontal. Cuando un tanque se llena parcialmente, se dice que tiene superficie libre y al mismo se le denomina carena líquida. En un barco debido a que hay consumo de combustible y agua de diferentes tanques, siempre vamos a sufrir este efecto. Además, un buque podría sufrir un embarque de agua accidental, debido a la mar o una avería en el casco.
El efecto de las carenas líquidas siempre es negativo a lo que estabilidad se refiere. Cuando se produce una escora la carena líquida se desplazará hacia don se produce la escora, dificultando que el buque recupere su posición inicial. Es decir el brazo adrizante se ve perjudicado, por una fuerza propia del barco.
B
N Z G
K
Línea de acción empuje (perpendicular a LF)
Escora
4.2 Trabajo en NX
4.2.1 Objetivo
Una vez definidos los términos nos dispondremos a calcular los diferentes KN para las posibles escoras y desplazamientos. Calcularemos KN, también conocido como AP para los siguientes rangos:
escoras de: 5º,10º,15º,20º,30º,45º,60º,75º y 90º. desplazamientos de 1000 a 5000 toneladas.
4.2.2 Centro y volumen de carena
En primer lugar, obtendremos los distintos centros y volúmenes de carena para diferentes calados y escoras. Este centro de carena, nos definirá la línea de acción del empuje. Ya que es la línea perpendicular a la línea de flotación que pasa por el centro de carena. El volumen de carena nos definirá el desplazamiento del buque.
Pongamos un ejemplo de un corte calado medio 5,4m y escora 20º.
Figura 4-4 Centro y volumen de carena
Resaltar el dato centro de masas se corresponde al centro de carena, suponiendo que nuestro sólido es la obra viva. En este dato, la primera coordenada ``x´´ vamos a igualarla a 0. Para importar este punto a NX deberemos genera un archivo.asc ya que en la estabilidad transversal, no nos interesa esta coordenada vamos a suponerla en el origen de coordenadas. Como es muestra en la figura.
4.2.3 Obtención KN
A continuación se importa este punto, representaremos la línea de acción del empuje y calcularemos la distancia desde la quilla, suponiendo que pasa por el origen de coordenadas. Primero se importa el punto:
Figura 4-6 Importación de puntos de centros de carena
Se proyecta el punto sobre el plano de flotación:
Se traza la línea de acción:
Figura 4-8 Línea de acción del empuje
Y se mide la distancia KN o AP:
En el caso de escoras grandes, como 90º hay que repetir la operación con planos paralelos, para conseguir resultados de KN para todos los desplazamientos posibles. Porque si no solo tendremos un valor de KN para 90º en un solo desplazamiento.
Figura 4-10 Paralelos a 90º, obtención KN para diferentes desplazamientos
4.3 Curvas transversales de estabilidad
Estas son las curvas resultado de todas las operaciones explicadas anteriormente, repetidas para abarcar toda la serie de desplazamientos y escoras propuestos. Eje de ordenadas el valor del brazo de adrizamiento en metros y eje de abscisas el desplazamiento.
Tabla 8 KN 5º escora Tabla 9 KN 10º escora 0 1 2 3 4 5 6 7 0 1000 2000 3000 4000 5000 DESPLAZAMIENTO,t
5º
0 1 2 3 4 5 6 7 0 1000 2000 3000 4000 5000 DEPLAZAMIENTO,t10º
Tabla 10 KN 15º escora Tabla 11 KN 20º escora 0 1 2 3 4 5 6 7 0 1000 2000 3000 4000 5000 DESPLAZAMIENTO,t
15º
0 1 2 3 4 5 6 7 0 1000 2000 3000 4000 5000 DESPLAZAMIENTO,t20º
Tabla 12 KN 30º escora Tabla 13 KN 45º escora 0 1 2 3 4 5 6 7 0 1000 2000 3000 4000 5000 DESPLAZAMIENTO,t
30º
0 1 2 3 4 5 6 7 0 1000 2000 3000 4000 5000 DESPLAZAMIENTO,t45º
Tabla 14 KN 60º escora Tabla 15 KN 75º escora 0 1 2 3 4 5 6 7 0 1000 2000 3000 4000 5000 DESPLAZAMIENTO,t
60º
0 1 2 3 4 5 6 7 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 DESPLAZAMIENTO,t75º
Tabla 16 KN 90º escora
Finalmente se representan las curvas agrupadas, este gráfico es útil para el oficial de seguridad interior para hallar el brazo adrizante para cualquier condición de carga.
Tabla 17 Tabla Brazos Adrizantes Agrupada
0 1 2 3 4 5 6 7 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 K N , m DESPLAZAMIENTO,t
90º
0 1 2 3 4 5 6 7 0 1000 2000 3000 4000 5000 B R A ZO S A D R IZA NT ES (m e tr os ) DESPLAZAMIENTO,t 90º 75º 60º 45º 30º 20º 15º 10º 5º5 RESULTADOS
5.1 Comparativa con curvas corbeta tipo Descubierta
Uno de los objetivos secundarios del TFG consistía en obtener unas gráficas similares a las gráficas usadas en la asignatura ``Instalaciones y Construcción Naval´´. Una vez obtenidas las gráficas del Buque Escuela Juan Sebastián de Elcano, podrán ser usadas también para proponer y resolver problemas de estabilidad. Así se consigue dar una motivación añadida a la asignatura en cursos venideros.
Figura 5-1 Comparativa de las CHs y CTs de las corbetas tipo Descubierta y el JSE
0 2 4 6 0 5000 B R A ZO S A D R IZA NT ES (m e tr os ) DESPLAZAMIENTO,t 90º 75º 60º 45º 30º 20º
5.2 Comparativa con estudios anteriores
5.2.1 Tablas Hidrostáticas 2016
5.2.2 Tablas Hidrostáticas 2006
5.2.3 Tablas Hidrostáticas 1992
5.2.4 Tablas estabilidad transversal 1992-2006
Respecto a las desaparecidas curvas transversales de estabilidad podemos compararlas con datos encontrados en el libro de estabilidad de 1992. Como se puede apreciar en estas imágenes el estudio del 92 solo aporta los KN para 5, 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, y 80 grados de escora para 4 diferentes condiciones de carga ``rosca´´ ``plena carga´´ ``media carga´´ y ``fin de viaje´´. Lo cual no abarca todos los rangos de desplazamiento que nosotros hemos obtenido. A continuación veremos la comparativa para la condición de buque en rosca.
Figura 5-2 Comparativa KN 1992 º Escora Calado Medio DESPLAZAMIENTO 1992 KN 1992 DESPLAMIENTO 2016 KN 2016 5 5,615 3052,73 0,549 3084,81 0,543 10 5,615 3052,73 1,098 3092,23 1,087 15 5,582 3030,73333 1,645 3104,54 1,637 20 5,554 3012,06667 2,191 3124,92 2,182 30 5,457 2947,4 3,249 2906,14 3,237 60 4,788 2501,4 5,508 2670,83 5,843 Tabla 22 Comparativa KN 1992 – 2016
5.2.5 Tablas Excel estabilidad transversal 2016
En la presente imagen se muestra de donde han bebido las gráficas transversales de estabilidad.
Tabla 23 Excel datos KN 2016 (1/2)
Tabla 24 Excel datos KN 2016 (2/2)
Como vemos en las tablas, estos son los datos recogidos para diferentes escoras sobre un mismo planos datum o de referencia, además fue necesario desplazar el centro de algunos planos datum, para obtener los distintos desplazamientos para una misma escora, como la de 90º , como se explicó anteriormente.
6 CONCLUSIONES
Y
LÍNEAS
FUTURAS
6.1 Conclusión
En el comienzo del proyecto encontré numerosas dudas y dificultades para avanzar, no tenía certeza de poder lograr los objetivos propuestos. Sin embargo, con la gran ayuda del tutor y los apuntes, pude ir solventando los diferentes problemas. Puedo decir que en este TFG he aprendido y asimilado muchos conceptos, que no tenía lo suficientemente asimilados al cursar la asignatura. En el transcurso del proyecto nos hemos dado cuenta que no era necesario recurrir a otros programas como Matlab. Porque NX es un programa de gran potencia y utilidad. El cual además ofrecía los recursos necesarios. Se ha generado el CAD y obtenido las curvas hidrostáticas y de estabilidad transversal del Buque escuela Juan Sebastián de Elcano. Lo que espera ser de aprovechamiento tanto para la asignatura de construcciones navales en los cursos posteriores como para el buque escuela. Con los resultados obtenidos y una nueva experiencia de estabilidad se podría dar por actualizado el estudio de estabilidad del JSE.
Finalmente este TFG espera servir de apoyo para nuevos proyectos o estudios de estabilidad de otros navíos. Es sencillo seguir y entender los diferentes pasos que se han realizado.
6.2 Futuro
Cómo se propuso en los objetivos, se insta a hacer una experiencia de estabilidad para obtener el nuevo centro de gravedad.
Con este dato y teniendo en cuenta las correcciones por superficie libre y libre comunicación se podrán obtener las curvas operacionales de estabilidad transversal del Buque Escuela Juan Sebastián de Elcano.
Con el nuevo CAD se podrán hacer nuevos estudios referentes a estabilidad dinámica e incluso reproducir el buque a escala para ensayos en el canal de experiencias hidrodinámicas de el Pardo en Madrid, España.
Cruzar las nuevas curvas transversales de estabilidad transversal, con las curvas de los brazos escorantes, producidas por el viento en las distintas condiciones: intensidad del viento, aparejo y condición de carga. Para actualizar el estudio realizado por los Guardiamarinas en el LXXXVI crucero de instrucción y la tabla de recomendación de aparejo del B/E Juan S. de Elcano.
7 B
IBLIOGRAFÍA
[1] D. R. C. F. B. S. N. Jose Mª Liaño Cuquerella, «Estudio de estabilidad de Guardiamarinas 2015,» Armada Española, A bordo del B/E Juan Sebastián de Elcano, 2015.
[2] SAN FERNANDO BAZAN, «Libro estabilidad buque escuela Juan Sebastián de Elcano,» SAN FERNANDO, 1992.
[3] J. G. Navantia, Experiencia de Estabilidad 2006, San Fernando, 2006.
[4] Fernado Gamboa de la Calleja, «Correo con Responsable de Navantia,» San Fernando, 2015.
[5] T. R. S. Reino, Manual de Máquina Juan Sebastián de Elcano, San Fernando, 2004.
[6] EFE, «eldiariomontanes.es,» Noticias EFE, Febrero 2010. [En línea]. Available: http://www.eldiariomontanes.es/agencias/20100220/mas-
actualidad/internacional/llegan-janeiro-naufragos-velero-canadiense_201002202029.html. [Último acceso: 6 Febrero 2016].
[7] «Imágenes hundimiento buque escuela canadiense febrero 2010 Armada española,» [En línea]. Available: http://www.google.com.
[8] P. B. Rodríguez, «Programa de las curvas hidrostáticas para un buque, en su condición de adrizado, realizado con MATLAB,» 2013.
[9] «http://csudamvela.org/descargas/6-RM/2-not/058-El%20naufragio%20del%20Concordia.pdf,» [En línea].
[10] J. O. Puig, Teoría del Buque, Flotabilidad y estabilidad, Barcelona: Politext, 1994.
[11] A. B. Biran, . R. López Pulido and J. Juana Gamo, Ship Hidrostatics and Stability, 2014 (second edition).
[13] SIEMENS, «NX 10».
[14] Armada Española, ICP-03 ESTABILIDAD DEL BUQUE, 2015. [15] F. B. S. Navarro, 2016.
[16] Roberto Cocheteux, Apuntes de la asignatura Construcciones Navales, Marin: Armada Española, 2015.
[17] F. J. Ocampo, Dibujo Naval, Ingenieria Naval y Oceánca Universida de Acoruña ..
A
NEXO
I:
E
STUDIO DE ESTABILIDAD A BORDO DEL
CRUCERO DE INSTRUCCIÓN
ALUMNOS:
GM2º RODRIGUEZ COLLANTES, DAVID
GM2º SANZ NAVARRO, FERNANDO
GM2º LIAÑO CUQUERELLA, JOSÉ Mª
TUTOR:
ÍNDICE:
1.-INTRODUCCIÓN
2.-ANTECEDENTES
3.-DATOS, CÁLCULOS Y GRÁFICOS
4.-CONSIDERACIONES
Introducción
A raíz de los acontecimientos ocurridos en 2010 que culminaron en el hundimiento del buque Concordia, se ha hablado mucho acerca de estabilidad de los grandes veleros. En el caso mencionado, un buque escuela de origen canadiense llamado “Concordia” fue azotado
repentinamente por un pampero, haciendo que escorara hasta alcanzar el punto de no retorno y volcara, hundiéndose. Afortunadamente toda la tripulación fue rescatada. Estudios
posteriores determinaron que las causas del hundimiento fueron la falta de reacción por parte de la dotación, que no redujo el aparejo conforme arreció el viento, no arribar y una deficiente estanqueidad, que provocó que al escorar el barco éste hiciera agua, hasta que no fue capaz de adrizarse y volcó.
Estos acontecimientos han llevado a diferentes marinas y empresas del mundo a replantearse la estabilidad de sus grandes veleros. Dentro de este clima de estudio surge este proyecto. El objetivo del proyecto es recopilar la información existente acerca de la estabilidad del Juan Sebastián de Elcano, centrándose en su condición especial como buque de vela, estudiarla detenidamente, y en función de ello determinar la necesidad de un nuevo estudio de estabilidad y justificarlo en caso de que fuera necesario. Con ello se pretende averiguar si los procedimientos existentes a bordo son suficientes y destapar posibles vulnerabilidades del buque.
Antecedentes
Tras las obras de carena y re motorización del Juan Sebastián de Elcano por la empresa “Bazán” en 1992, se procedió a efectuar una experiencia de estabilidad, la cual tiene lugar el día 12 de Enero de 1992, siendo las condiciones del buque favorables para su realización. Como consecuencia de esta experiencia se obtuvo el actual Libro de Estabilidad del Juan Sebastián de Elcano, el cual cuenta con 4 apartados:
-Experiencia de estabilidad: en el que constan todos los datos obtenidos durante las pruebas de estabilidad realizadas.
-Condiciones de carga: en el cual se profundiza en las diferentes configuraciones de carga del buque, en la distribución de pesos por compartimentos, y cómo afectan estos a la estabilidad, proporcionándonos las curvas de adrizamiento y los ángulos límite de escora.
-Aplicación Criterio de estabilidad para veleros de la U.S. Coast Guard: serie de cálculos matemáticos que definen unos parámetros que debe cumplir un velero en función de su desplazamiento, superficie vélica etc. A pesar de no ser un criterio oficial, es el criterio más reconocido a nivel internacional.
Además del libro de estabilidad, existe un libro complementario, en el que a través de un modelo matemático se trata de predecir cómo reaccionará el buque bajo la influencia del viento, en función del desplazamiento y la configuración vélica.
Dicho estudio, bajo unas suposiciones, calcula la superficie vélica total para 5 configuraciones del aparejo, y junto con el baricentro de la superficie expuesta es capaz de predecir
aproximadamente el ángulo de escora que un viento provocará.
Posteriormente, en 2006 se realizó un nuevo estudio, concluyendo que los datos obtenidos en 1992 todavía eran válidos.
Los responsables del estudio del 2006 han concluido que el único cambio considerable respecto al estudio del 2006 ha sido la variación en la ordenada del centro de gravedad que pasó del 5,728 al 5,749 ese cambio no es significativo por lo que es válido el estudio del 92 para el 2006 no obstante huno una obra posterior de renovación de acero del casco de la que no hay datos y pudo influir en otra variación además cuando se quita y se vuelve a poner lastre fijo del buque nunca dan los mismos resultados.
Datos y gráficos
En éste apartado extraeremos los datos más importantes de ambos documentos, explicando brevemente los conceptos principales.
El libro de estabilidad de 1992
El libro de estabilidad nos proporciona una cantidad enorme de datos acerca de la distribución de pesos en los compartimentos del barco. Entre otros datos hemos querido resaltar los más relevantes para el estudio, que son:
-Ángulo de inmersión de cubierta: ángulo a partir del cual la borda se introduce en el agua. El convenio de la US Coast Guard establece que un barco deja de ser estable en el momento en el que un barco alcanza este ángulo.
- Ángulo de inundación: ángulo a partir del cual el primer compartimento no estanco se
sumerge. Es considerado como el punto de no retorno, ya que en cuanto el barco se inunda, su estabilidad se ve drásticamente reducida.
Ángulo de inmersión de cubierta: 21,93º
-Curvas de adrizamiento: curva que define el brazo de adrizamiento del buque en función del ángulo de escora. Dependen del desplazamiento del barco. En el eje de ordenadas queda representado el brazo de adrizamiento y en el eje de abscisas el ángulo de escora.
Se contemplan 4 situaciones:
1-En rosca (Desplazamiento: 2983,7 T) Fig. 1 2-Plena carga (Desplazamiento: 3670,8T) Fig.2 3-Media carga (Desplazamiento: 3348,2T) Fig.3 4-Fin de viaje (Desplazamiento: 3089.9 T) Fig.4 En rosca
Ilustración 1
Plena carga
Ilustración 2
Ilustración 3
Fin de viaje
Ilustración 4
Como podemos observar, las tablas cubren hasta los 80 grados de escora, a pesar de que por su forma y desplazamiento el barco es capaz de soportar más. Esto se debe a que, como hemos dicho antes, a partir de los 80,4º de escora el barco se inundará y consideraremos que ya no será capaz de adrizarse.
De las cuatro configuraciones expuestas la de mayor estabilidad es la de plena carga, al ser su desplazamiento el mayor. Esto se ve reflejado en su brazo de adrizamiento máximo que es de 0,942m. Por otro lado, la configuración de menor estabilidad será en rosca, por la misma razón, sin embargo, dado que el buque no va a hacer ningún trayecto en rosca, consideramos la configuración de menor desplazamiento real, o “fin de viaje”, cuyo brazo de adrizamiento máximo es de 0,58m.
Criterio de la U.S. Coast Guard
El libro incluye la demostración de que el Juan Sebastián de Elcano cumple el criterio de la U.S. Coast Guard para buques escuelas veleros. Dicho criterio viene definido por las siguientes fórmulas: 𝐺𝑀 ≥ 𝑃 ∗ 𝐴𝑚 ∗ 𝐻𝑚 ∆𝑡𝑔𝜃 𝑌 ≤ 103∗ ∆ ∗ 𝐻𝑍𝐵 𝐴 ∗ 𝐻 𝑋 ≤ 103∗ ∆ ∗ 𝐻𝑍𝐴 𝐴 ∗ 𝐻 𝑍 ≤ 103∗ ∆ ∗ 𝐻𝑍𝐶 𝐴 ∗ 𝐻 𝐻𝑍𝐴 = 𝐻𝜃 (cosθ)2
𝐻𝑍𝐵 = 𝐼 ∗ 𝜃 ∗ 𝑓
𝜃 ∗𝑓2+ 0,25 ∗ 𝑠𝑒𝑛(2 ∗ 𝜃 ∗ 𝑓)
ℎ𝑧𝑐 = 𝐼𝑇 𝜃 ∗902
Los valores mínimos requeridos de los parámetros de U.S. Coast Guard son: 𝐺𝑀 = 0,360 𝑚 𝑋 = 9,8𝑡𝑜𝑛𝑠 𝑚2 𝑌 = 8,8𝑡𝑜𝑛𝑠 𝑚2 𝑍 = 9,6𝑡𝑜𝑛𝑠 𝑚2
