ESTRUCTURA
DEL BUQUE. CONTROL DE LA DEFORMACIÓN EN BUQUES SOBRE CAMAS MUY ELÁSTICAS
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Artículo publicado en Ingeniería Naval en febrero
de 1974
1.- INTRODUCCIÓN
La construcción de
buques muy largos o muy pesados con relación a su eslora, produce unas
solicitaciones sobre la solera del dique o grada que pueden llegar a ser muy
importantes y superar, incluso, en ciertos puntos o zonas, los márgenes de
seguridad del hormigón armado que se emplea en ciertos sistemas de construcción.
Por tal motivo nos vemos obligados a un estudio meticuloso de la situación
de los picaderos y de su deformación, pudiendo fácilmente suponer que cuanto
más profundo sea el estudio, mayor será la confianza con que observaremos, no
sólo los valores teóricos de las cargas, sino los múltiples coeficientes de
seguridad ,que tenemos que considerar y que brevemente enumeramos:
a) Fiabilidad en el
peso y distribución:
K₁ = 1,05
b) Fiabilidad en el
exacto lugar de colocación de los apoyos:
En
reparaciones K₂ = 1,10
En nuevas construcciones K₂ = 1,02
c) Deformación de la
línea de quilla, permanente o elástica, esta última es posible tenerla en
cuenta, pero que referido únicamente a la permanente tener el siguiente valor:
En
reparaciones K₃ = 1,66
En nuevas
construcciones K₃ =1,10
d) Deformaciones
locales cuyo valor en reparaciones puede ser infinito y romper el picadero o
incrustarlo en el buque por lo que, en todo caso, puede ser considerado como
emergencia. Este valor en buques con un buen standard de construcción y sobre
cama muy elástica puede llegar a ser:
Picaderos
muy cargados K₄= 1,50
Picaderos
poco cargados K₄ = 1,20
Afortunadamente no
todos estos coeficientes se presentan al mismo tiempo ni en el mismo lugar,
pero conviene saber que en algún lugar y circunstancia la carga teórica puede
ser superada hasta un valor:
C total = C
teórica x 1,75
2.-
DETERMINACIÓN DE LA CURVA DE DEFORMACIÓN.
Hoy en día disponemos
de suficientes soportes de ordenadores y programas que permiten predeterminar
la curva de deformación de un barco, e incluso en A. E. S. A. es posible
introducir en los cálculos una curva de deformación/presión de los picaderos en
lugar de un módulo de Young constante.
El input de los programas es:
a) Geometría del buque y de sus espacios.
b) Curva de pesos.
c) Curva de inercias de las secciones.
d) Trimado deseado.
Un primer output
intermedio será la curva elástica del buque así como los momentos flectores y
esfuerzos cortantes en cada uno de los puntos en que dividimos el buque. (En
nuestros trabajos utilizamos 100 puntos.)
Utilizamos como segundo input el output anterior y los nuevos datos:
a) Ley de disposición de los picaderos.
b) Ley de deformación de los picaderos.
c) Inclinación de Ia cama de construcción.
el output definitivo
nos proporciona los datos siguientes:
a) Esfuerzos en cada uno de los 100 puntos del buque.
b) Esfuerzos sobre la plataforma.
c) Esfuerzos en cada picadero (cuyo número
determina y cuya situación define el programa).
estos datos son analizados
en diferentes flotaciones y se completa la salida con:
d) Listado de valores máximos con indicación de la
flotación en que se presenta.
Hasta el momento, en los programas utilizados no hemos podido analizar el
reparto transversal de cargas, aunque de la bibliografÍa deducimos que la bulárcama
sufre una deformación de quebranto poco importante, si hemos lastrado en los
tanques centrales, y realmente importante con lastre en los tanques laterales
pudiéndose incrementar el valor teórico en un 50%. Durante el proceso de construcción,
sin lastre, los picaderos de quilla pueden descargarse en una cantidad que
estimamos en un20% con la correspondiente transferencia de carga a las
almohadas de pantoque.
3.- SITUACIÓN INICIAL DE LOS PICADEROS DE LA CAMA.
La primera dificultad
que se presenta es la definición del momento en que deseamos que el buque esté
con su quilla plana. Vamos a suponer que este momento es el de terminación de
la obra de acero y antes de lastrar para la puesta a flote, pues es conveniente
prescindir del lastrado por ser una carga muy fuerte y concentrada, en cierto
modo.
La segunda dificultad consiste en definir a qué llamamos buque plano. Hay
unas normas que se indican en la referencia 1, que hoy se consideran
con tendencia a disminuir, pero que si las consideramos vigentes podemos
admitir un arrufo del buque con una flecha máxima:
f = L/2 mm.
siendo L la eslora en metros.
Comenzamos el trabajo estimando las cargas de los picaderos, en el momento de comenzar la operación de lastrado y con el
buque terminado, de acuerdo con
el programa de ordenador que podemos simplificar, eliminando los cálculos con diversas flotaciones, limitándonos a los
cálculos con el buque en seco.
Figura 1. Curva de fuerza-deformación en un perfil de goma.
Con el output resultante y con la curva de deformación de los
picaderos (fig. 1), podemos
cumplimentar un Cuadro que contenga los siguientes datos para cada picadero:
Xm =
Situación del picadero medida en metros desde la puerta del dique.
Tm =
Fuerza, medida en toneladas, que soporta cada picadero.
d = deformación del picadero en milímetros.
referido únicamente a
los picaderos de crujía por suponer en esta primera aproximación que no hay
deformación en el sentido de la manga.
La deformación producida por la soldadura ha de poderse valorar y, sin duda,
es una de los valores más difíciles de determinar. Esta deformación arquea el
buque en el sentido del arrufo por ser el sentido vertical ascendente el predominante
en la soldadura, tanto en los elementos considerados independientemente, como
en el total de Ia estructura.
En buques como los
considerados, el número de costuras es fácilmente determinado conociendo el
ancho del panel de paños planos. La flecha de la parábola será:
P = (K x L) / dL
siendo dL la dimensión
longitudinal de los bloques. La curva elástica formada será:
Z1 = 4 P x ( (x / L)^2 + x / L + 0,25 )
y la deformación total será:
Z = Z1 + d =
f₁(x)
en la cual f₁(x) es un
polinomio de quinto grado que presenta un 5% máximo de desplazamiento sobre los
valores tabulados.
Disponemos, en el dique o grada, de suficientes puntos de referencia para
la colocación de los picaderos en longitud y en altura.
Esta cota se alcanza fácilmente con un equipo de gatos hidráulicos dispuestos
en el carro nivelador de picaderos que actúan en combinación con el picadero de
presión controlada ,que representamos en
la figura 2.
Las pinzas del carro nivelador se introducen entremlas plataformas del picadero
P. C. haciendo tope en base del P. P. C. Los gatos RR 223 que disponen de
cadenas y que se pueden sujetar en la pieza base del P. P. C. aprietan esta
base contra el tope del carro sujetándola. Los 8 juegos de gatos de doble efecto
RR 1OO6 son capaces de levantar la pieza alta del P.P. C. incluso con una carga
igual a la máxima para la que está calculado el picadero que al ser muy
elástico tiene un recorrido de algunos milímetros, incluso con la máxima carga,
lo que permite al equipo central de gatos RR 168 y RR 223 empujar la cuña del
P.P.C. hasta la exacta posición requerida.
Todo esto es real en tanto en cuanto el módulo de Young del picadero sea
conocido con razonable exactitud lo que obliga a que el material sea homogéneo
y artificial.
Una vez que la cama ha sido nivelada, comenzamos el montaje, que si fuera
instantáneo sin duda nos llevaría a una quilla horizontal pero,
desgraciadamente, no es así. y la dificultad se incrementa cuando queremos
soldar un bloque al buque que tendrá una deformación intermedia entre la
representada por f₁(x) y la horizontal.
Figura 2. Esquema hidráulico del carro de control de la cama
Z = f₁(x)
En un momento determinado, en que hemos montado bloques en la eslora Lm, la curva de
deformación de la quilta será:
Z = f₂(x)
que pasa por los puntos
A₁ y M₁.
Figura 3
Colocamos un nuevo bloque cuya eslora es
δL y cuyo peso δΔ ejerce sobre los picaderos M y N unas fuerzas Pm y Pn, por lo que estos
picaderos se comprimen hasta una posición M' y N' si el bloque tiene un peso,
por unidad de longitud, superior al de los demás bloques montados, o una
posición M" N" si la densidad, por unidad de longitud, es más
pequeña; los denominaremos en lo sucesivo bloques pesados y bloques ligeros
respectivamente.
Claramente observamos que en esta situación proceder a la unión de los
bloques nos lleva a la introducción de una fuerte deformación, si como muchas
veces se hace, pañeamos los bloques en el picadero M aún no habremos evitado
una deformación angular con repercusión final importante y tanto más sensible
cuanto más largo sea el bloque montado.
Por tanto, no sólo será necesario mover el bloque hasta que M y M' o
M" coincidan, sino que habrá que girarlo para que M1 N1 sea tangente a Z en el
punto M1.
Podemos suponer que:
Z = f2(x) = Km • f1 (x)
siendo Km una función que
dependerá del peso del casco montado, de su distribución y de la longitud de
montaje alcanzado. El barco saldrá sin deformación cuando:
Kz = 0
o sea, cuando f2(x) coincide con el eje
x al final del montaje.
Derivando la función:
dz/dx = f´2(x) = K´m * f1(x) + Km * f´1(x)
f´2m = dL / (NzN1 - MzM1)
f´2m = dL / (NzN1 - MzM1)
MzM1 = Km *f1(M)
por lo que
la posición del último picadero del nuevo bloque ha de colocarse en la
altura NzN´1 para comenzar a soldar.
NzN´1 = Km x f´(M) + dL / f´2 (M))
Es preciso, por lo tanto, determinar Km para conocer la altura a que hemos
de colocar los picaderos.
Supongamos para ello que el bloque es “pesado” entonces al terminar el
proceso de soldadura , la deformación habrá alcanzado la curva f2(x) que pasa por los puntos A2 y N2.
El punto N2 está más alto
que N᾽1, precisamente porque el bloque era “pesado” y las cosas se
presentan como si hubiese un giro alrededor de un punto situado en la abscisa Xm de forma que la diferencia
entre lo que se han cargado algunos picaderos compense lo que se han descargado
otros sin modificar el centro de gravedad cuya abscisa será:
BIBLIOGRAFÍA
1. Estructura del
buque, tecnología y cálculo. Gerardo López y Vicente Benita. Cádiz 1972
2. Parametric study of
steel weight of large oil tankers. Ing. Johnsen
3. Strenght of large
tankers. Roberts
4. A Simple approach to
the strength analysis of tankers. Nielsen.
5. An automated approach
to ship structural analysis. Kamel.
6. On the strength of
ship´s hull at the time of docking. Nagamoto.
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