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ESPIRAL DE DISEÑO

El diseño es un proceso iterativo y cíclico

Iterativo: Dado que se busca que el diseño sea óptimo, es necesario definir un proceso iterativo, de manera que en cada paso las características del proyecto mejoren (en un sentido que debe definirse) a las anteriores, que se tomaron como punto de partida. Algunas variaciones del diseño inicial, pueden conducir a obtener características peores, o que no cumplen con alguna de las especificaciones iniciales. Esto puede deberse a una inadecuada planificación del proceso de diseño, o al insuficiente conocimiento de alguno de los aspectos del proyecto. Las herramientas utilizadas en el proceso deben ser adecuadas (deber proporcionar precisión, facilitar la complejidad, etc.) a la situación en el proceso de diseño.

Cíclico: El proceso de diseño puede dividirse en fases, en función de la precisión de la definición del proyecto. Para conseguir los objetivos de cada una de esas fases, es necesario desarrollas los diferentes aspectos que componen el proyecto de un buque. En algunos casos, el proceso iterativo puede sustituirse por un análisis de diferentes alternativas. Este tipo de actuación se lleva a cabo en múltiples ocasiones, cuando la complejidad del diseño imposibilita un desarrollo iterativo. Las conclusiones de este análisis llevarán a elegir la opción más óptima de entre las consideradas. Estas características del proyecto del buque hacen que habitualmente se represente en forma de una espiral, que representa esos dos aspectos de iteratividad y ciclicidad.

Espiral de Diseño

ETAPAS DEL DISEÑO DE UN BUQUE

El proceso de elaboración del diseño de un buque consta de cuatro fases, como se mencionan a continuación:  Diseño Conceptual: la elaboración de esta etapa contempla la exploración y evaluación de los requerimientos fundamentales del armador, a fin de realizar la estimación o cálculos iniciales de las dimensiones principales. También suelen considerarse en esta fase la estimación de costos.  Diseño Perimetral: esta etapa es difícil de separar claramente de la primera, por si se establece más detalladamente muchos aspectos. En este periodo del diseño se determinan las características principales y la forma del buque, mediante la aproximación sistemática que se obtiene al emplear la espiral de diseño, convertido los requisitos funcionales básicos en características físicas del buque, dejando la información necesaria para dar inicio a la ingeniería de detalle.

 Diseño de Contrato: este ciclo del diseño se basa en la elaboración de las especificaciones técnicas y los planos de contrato luego de emplear la ingeniería de detalle. Este periodo del diseño sirve de soporte técnico para la elaboración del contrato.  Elaboración de planos constructivos: una vez que se firma el contrato. El astillero inicia la elaboración de los planos constructivos principales y de detalle que son necesarios para el tratamiento y corte del material de construcción. La cantidad de planos es muy grande y su confección dura, prácticamente, el periodo de construcción. El diseño de cualquier buque o artefacto naval sigue en las líneas generales estas etapas, pero la duración de cada una depende tanto del astillero como la complejidad del diseño. CASCO. El cuerpo principal de un buque, excluyendo mástiles, superestructura, etc, se llama casco, dado que un buque de acero está hecho con planchas que cubren una estructura. Los cascos de distintos tipos y clases de embarcaciones resultan básicamente similares, aunque posen ciertas modificaciones para cumplir con la misión particular de la embarcación. Una parte muy importante de la estructura de cualquier embarcación es la zona longitudinal del centro de su fondo, conocida como sobre quilla. Este ensamblaje se efectúa generalmente a base de piezas escalonadas en forma vertical y horizontal; la pieza vertical se llama quilla central vertical; la pieza horizontal del fondo y la quilla plana se conocen como la plancha monta quilla. Estas tres piezas forman una profunda estructura en forma de viga con una continuidad longitudinal y con una fuerza que puede resistir las distintas cargas severas a la que está expuesto el navío, como cuando es izado al dique de carena o puesto en tierra inadvertidamente. Todas las piezas de la quilla son continuas, desde el extremo de proa, donde se junta con la roda, hasta la parte posterior, donde se junta con el codaste o la estructura de popa si el codaste no existe. Radiando desde la quilla hay una serie de marcos que le dan al casco su forma que funge como soporte del blindaje del casco, cubierta etc. Los marcos juntos con los longitudinales, constituyen un sistema de ensamblado es longitudinal. El sistema de ensamblaje trasversal consiste en vigas de cubiertas trasversales que están expandidas en cortos tramos.

Antes que se desarrollaran las técnicas de soldaduras, se unían todas las partes de la estructura de una embarcación mediante trabajos de remachado. Hoy en día, por lo contrario se trabaja casi exclusivamente con soldadura. Mediante el uso de la soldadura se obtiene un ahorro en el peso de 10 a 15 por ciento. Se obtiene una superficie mayor que es más resistente a la corrosión; asimismo se lograr reducir la fricción de la parte sumergida del casco. Posteriormente el buque se subdivide en la cantidad de pequeños compartimientos que resulte práctico, con respecto a la misión del navío, a fin de minimizar vías de agua e inundaciones en caso de una avería en exterior del casco. Se utilizan mamparos transversales para subdividir el interior del buque en forma longitudinal y formar compartimientos estancos que conserven la flotabilidad y estabilidad.

PRINCIPIOS QUE DENOMINAN EL PROYECTO NAVAL

Existen planteamientos básicos que el proyectista debe respetar para desarrollar con el menor número de dificultades el diseño.

a.- Los requisitos del armador deben ser respetados y para ello se recomienda que éste establezca prioridades.

b.- Los requisitos legales deben ser cumplidos por el buque, lo cual incluye convenios internacionales y la legislación del país en cuanto a estructura, equipo, propulsión y servicios.

c.- Las funciones que deba realizar el buque, deberán hacerse lo más eficientemente posible, proporcionando servicio y equipos seguros que permitan la labor eficiente del personal durante la navegación.

d.- Todos lo espacios deben estar destinados para algún servicio, no pueden existir espacios ociosos.

e.- No se debe restar importancia a los accesos y vías de escape al momento de adaptar un espacio, permitiendo el movimiento fluido y rápido de la tripulación.

f.- Todos los espacios deben ser fácil acceso para las operaciones de mantenimiento.

DISEÑO PRELIMINAR.

El diseño preliminar consiste en estimar las características principales del buque, que influyen en su funcionamiento y costo. Además de las dimensiones, también se seleccionan la forma del casco, la potencia de propulsión, desplazamiento, peso muerto, distribución de la carga, velocidad y estabilidad.

Para la determinación de estas características, es necesario consultar antecedentes y datos registrados, referentes a buques semejantes ya existentes.

OBJETIVOS

Cuando se definen objetivos es vital diferenciar entre cantidades que son esenciales (a las que denominaremos especificaciones de diseño) y aquellas que sólo son deseables y que por lo tanto pueden ser modificadas si su cumplimiento implica un coste excesivo o va en detrimento del cumplimiento de un objetivo de una meta más importante. En general estas especificaciones de diseño estarán en muchos casos definidas por las características fijadas por el armador. En el caso del diseño de un buque mercante, estas especificaciones se originan en un estudio del transporte, que examina los aspectos económicos de un determinado servicio o ruta.

Es importante que cuando se planteen los objetivos, se haga con la mente abierta, sin tener en cuenta ningún tipo particular de diseño que se tenga en mente. De otra forma, los objetivos retrasarían innecesariamente el desarrollo del diseño, en el caso de que el proyecto final no siga el inicialmente pensado.

DIMENSIONAMIENTO DEL BUQUE

Durante las primeras fases del desarrollo del proyecto del buque es esencial realizar un dimensionamiento del mismo. Este término se refiere a la obtención de las dimensiones y características principales del buque a partir de la especificación de alguna o algunas de ellas. En general, la eslora puede considerarse como la característica reina, ya que a partir de su conocimiento, pueden derivarse con relativa sencillez muchas de las características principales del buque. La obtención de la eslora puede hacerse de tres formas principales: • Explícitamente, cuando exista una restricción de la dimensión de la eslora o una especificación sobre la longitud del buque. Por ejemplo, a partir de especificaciones tales como la longitud de los espacios de carga, se puede obtener la eslora del buque añadiendo a este dato, la eslora de la cámara de máquinas, de los piques de proa y popa y de otros compartimentos que puedan ser necesarios. • A partir de relaciones de base experimental que ligan la eslora con la resistencia al avance. En general estas fórmulas relacionan la eslora con el número de Froude y el coeficiente de bloque. Estas fórmulas pretenden establecer un equilibrio entre la geometría del buque y una potencia propulsiva razonable. • A partir de relaciones de base experimental, que permitan estimar relaciones entre las dimensiones principales. Una vez obtenidas estas relaciones, la eslora se puede obtener a partir de las condiciones que imponga la característica más crítica del proyecto.

En muchos casos, el proceso de dimensionamiento se comienza con la determinación de la eslora, a partir de las especificaciones del proyecto, para luego obtener el resto de dimensiones. Sin embargo, se presentara un procedimiento racional para obtener las dimensiones principales del buque, que deriva la eslora de las restricciones que imponga la característica más crítica del proyecto.

Es importante mencionar que en el proceso de dimensionamiento, las características principales que se especifiquen pueden conllevar la aparición de limitaciones físicas u operacionales en otras dimensiones. Así por ejemplo, una vez definidos en un buque el peso muerto y la capacidad de bodegas, pueden presentarse limitaciones en la eslora, por ejemplo debido a las necesidades de maniobra en un puerto determinado, en la manga, por el tránsito por un canal, en el calado por la profundidad disponible en puerto, etc…

LIMITACIONES DIMENSIONALES: Las dimensiones principales (y otras características) del buque están sometidas a determinadas limitaciones que pueden ser específicas del astillero (por dimensiones de las gradas o diques de construcción) o genéricas (por el tráfico del buque). Las limitaciones dimensionales pueden imponer una restricción en la eslora, manga, calado o puntal, o bien en varias de estas dimensiones. Una limitación en la eslora puede ser impuesta por las dimensiones de los canales o muelles. También puede aparecer por la necesidad de virar el barco en un paso estrecho. En cualquier caso es importante reflexionar profundamente sobre las consecuencias de esta limitación, en el caso de que esta pueda llevar a una eslora menor que la que sería deseable si no existiera esta limitación.

Adicionalmente, se han de considerar las restricciones que pueden introducir los distintos reglamentos (Sociedades de Clasificación, Autoridades Nacionales u Organismos Internacionales).

Existen otras limitaciones, como el calado aéreo para el paso del buque bajo puentes, o para el astillero constructor producidas por obstáculos en el recorrido del buque durante la botadura o salida al mar. 4.6.2.- LA DIMENSIÓN CRÍTICA: En el momento de fijar los requisitos de un diseño, y más a la hora de convertir estos en un diseño, es muy importante identificar cuál de esos requisitos puede convertirse

en crítico. En general identificaremos como crítica una sola dimensión, aunque lo habitual es que una o más dimensiones sean o puedan ser críticas. Por ejemplo, la velocidad es habitualmente un aspecto crítico en el proyecto del buque, que normalmente obliga a un cuidadoso diseño de formas, con el objeto de reducir al máximo la resistencia al avance. Por ello, cuando, por ejemplo, digamos que el peso es la dimensión crítica, estamos realmente hablando de la dimensión más crítica, lo cual presupone que la velocidad será seguramente también una dimensión crítica. Buques de Peso El peso (desplazamiento) es un aspecto crítico para la mayoría de los barcos (aunque, como en todo, existen excepciones). En cualquier proyecto, el diseñador ha de lograr que el empuje (dado por el volumen de la obra viva) sea, como mínimo, igual al peso muerto más el resto de pesos inevitables para el buen funcionamiento del buque y que todo el volumen del buque permita ubicar toda la carga y los restantes servicios del buque. Es por ello que el peso será un aspecto dominante en aquellos barcos cuya carga sea especialmente “pesada” en relación al espacio que ocupará, es decir la densidad de la carga será elevada. Denominaremos Buques de Peso a aquellos que, por transportar cargas muy densas o de bajo coeficiente de estiba, tienen como condicionamiento más restrictivo el peso. Un ejemplo extremo de este tipo de barcos sería un transporte de mineral de hierro. La decisión sobre si un buque tendrá como condicionante crítico el peso o no, puede tomarse simplemente analizando el tipo del buque, o de manera más precisa analizando el valor límite de la densidad de carga (LDC) que se define como la relación entre el peso muerto de la carga y el volumen de los espacios de carga:

Ecuación 4.1. Cálculo de la densidad de carga

Llegados a este punto es importante recordar que se denomina peso muerto (DWT) al peso de la carga, pasaje, tripulación, pertrechos y consumos, es decir, el resto del desplazamiento que no pertenece a la partida de peso en rosca. Si denominamos CB al coeficiente de bloque hasta el calado T y C’B al coeficiente de bloque hasta el puntal D, podemos rescribir la Ecuación 1 como:

Ecuación 4.2. Cálculo de la densidad de carga La Ecuación 2 nos ofrece una forma de determinar cuándo un buque tendrá como condicionante crítico el peso. El procedimiento consiste en estimar los diferentes parámetros1 de la Ecuación 4.2 a partir de datos disponibles de construcciones típicas. Si la densidad de la carga del buque es mayor que el valor LDC calculado, el peso será crítico en el proyecto. Si no se conoce un valor más aproximado de la relación DWTcarga/DWTtotal, puede tomarse un valor en torno a 0.90. En las tablas siguientes se muestran las relaciones características entre pesos y volúmenes para algunos tipos de buques.

Tabla 4.1. Relación Peso muerto/Desplazamiento para diferentes tipos de buques.

Tabla 4.2. Relación Capacidad de carga/Volumen de carena para diferentes tipos de buques.

Tabla 4.3. Relación Calado Puntal para diferentes tipos de buques. Por otra parte, es posible estimar aproximadamente el valor de C’B, a partir del coeficiente de bloque CB, usando la siguiente relación.

Dado que los buques de peso “no tienen problemas de capacidad”, el principal condicionante dimensional es el calado. Los buques de peso se proyectan para conseguir, con el mínimo volumen, el máximo calado (T), o lo que es lo mismo el mínimo francobordo permitido. En general, son buques de peso muerto: • Graneleros de sólidos. Especialmente los transportes de carbón y mineral, con densidades superiores a 1 Tm/m3. • Petroleros de crudo y productos, con densidades cercanas a la unidad. • Quimiqueros, con densidades superiores a la unidad.

• Graneleros combinados (OBO = Ore-Bulk-Oil o Mineral-Grano-Petróleo y OO = Ore-Oil o Mineral-Petróleo).

Buques de volumen Denominaremos Buques de Volumen a aquellos buques que, por transportar cargas poco densas o de alto coeficiente de estiba, tienen como condicionamiento más exigente el volumen de bodegas o de tanques de carga (ver Figura 4.2). Podemos entonces decir en términos coloquiales que estos buques “sólo tienen problemas de capacidad”. La solución más económica del diseño, en estos casos, consiste en aumentar el puntal del buque hasta conseguir el volumen de carga necesario. Un aspecto concreto que puede provocar que el volumen se convierta en crítico es la necesidad de proveer espacio para usos adicionales, como por ejemplo para la acomodación de pasaje o la disposición de algún elemento de maquinaria especial. Estos buques se proyectan prescindiendo de los condicionantes de pesos/calado, es decir, haciendo caso omiso del francobordo, pero analizando con sumo cuidado los problemas de estabilidad del buque intacto. Es evidente que si el barco necesita espacio, la solución de diseño más inmediata (y también la más económica) consistente en aumentar el puntal. Este aumento del puntal está limitado por los requisitos de estabilidad del buque, que tendrán que considerarse con cuidado. Conviene por lo tanto controlar el valor de la relación B/D (estabilidad) por encima de un valor mínimo lo que puede obligar a aumentar L/B. En resumen, debe seguirse un proceso iterativo iniciado con el aumento de la dimensión “más económica” (D), corrigiendo las salidas de rango de B/D con aumentos de B y manteniendo L en el mínimo compatible con una explotación eficiente (resistencia al avance razonable).

Figura 4.2. Buques de peso muerto y volumen En general, son buques de volumen: • Cargueros y polivalentes. Los cargueros clásicos están en la frontera entre los buques de peso y los de volumen. Sin embargo, los buques polivalentes, han de estar preparados para poder transportar cargas muy ligeras y voluminosas. • Madereros. • Transportes de gas licuado (LNG = Liquefied Natural Gas y LPG = Liquefied Petroleum Gas). Los problemas de estos proyectos son muy específicos, debido sobre todo a las bajas temperaturas de transporte, que pueden llegar a 162ºC.

Buques en los que la velocidad es crítica Como ya se ha mencionado, la velocidad es usualmente uno de los parámetros más críticos del proyecto del buque. Sin embargo, en los denominados buques rápidos la velocidad aparece como un aspecto especialmente limitante o muy crítico. Para este tipo de barcos, las formas y en especial la eslora están restringidas por la necesidad de alcanzar una velocidad. En realidad sería posible diseñar un buque con el mismo desplazamiento y espacio de carga, y una menor eslora (y por lo tanto más económico de construcción) pero la eslora mínima admisible estará ligada a alcanzar la velocidad especificada de una manera económica. Es por ello que el proyecto definitivo, de

este tipo de buques usualmente tendrá una cierto volumen de espacio extra, al que habrá de buscar utilidad. Por otro lado la velocidad que el buque podrá ofrecer estará ligada a un determinado mar, por lo que las características de comportamiento en la mar del buque serán también de vital importancia. Otras dimensiones críticas Podríamos decir que el área de cubierta es la dimensión más crítica para buques como los transportes de vehículos y trenes (car and train carriers), aunque también podríamos decir que en estos casos la longitud de garaje o incluso la estabilidad son los condicionantes más críticos. Las dimensiones principales (L,B,D) son críticas en los portacontenedores. Estas dimensiones se deben fijar en función de las dimensiones de los contenedores, con el objeto de maximizar la capacidad de transportarlos. Por último en ferries o cruceros, la estabilidad se presenta como un elemento crítico, que limita el número de cubiertas que pueden disponerse, y por tanto determina las dimensiones del buque.

4.6.3.- DIMENSIONAMIENTO: A continuación presentaremos algunas reglas generales, criterios y procedimientos básicos para llevar a cabo el dimensionamiento del buque, en los casos principales que se corresponden con las situaciones ya mencionadas en las que la dimensión crítica es el peso o el volumen.

Ecuaciones para buques de peso Las dimensiones para un buque cuyo diseño está definido por su desplazamiento, están ligadas por la siguiente relación:

Donde ρ es la densidad del agua (1 025 Kg/m3 para el agua de mar) y s es el desplazamiento del forro del casco y de los apéndices. Es importante hacer notar, que a la hora de dimensionar este tipo de barcos vamos a asumir que el desplazamiento es un dato (especificación). Esto nos obliga a estimar desde un primer momento el desplazamiento del buque de la manera más exacta posible. A partir de la anterior ecuación es posible obtener la siguiente relación:

Esta relación, nos permite obtener la eslora del buque a partir de las relaciones entre los coeficientes principales y una estimación del coeficiente de bloque. Lo habitual es obtener las relaciones entre los coeficientes a partir de regresiones estadísticas de datos disponibles, mientras que el coeficiente de bloque habitualmente de criterios de minimización de la potencia. En ocasiones, cuando el peso muerto del buque es conocido, es posible utilizar alguna de las siguientes expresiones para la obtención del desplazamiento del buque:

En ellas DWT es el peso muerto total, LWT es el peso en rosca y KD es la relación entre peso muerto y desplazamiento. La primera de ellas puede utilizarse en el caso de buques poco convencionales, y siempre y cuando se disponga de información suficiente como para poder determinar con suficiente aproximación el peso en rosca a partir de datos dimensionales. La segunda de las ecuaciones requiere obtener el valor de KD a partir regresiones estadísticas.

Lamentablemente, es habitual que los datos de esta relación tengan una gran dispersión, por lo que en la práctica, esta ecuación será poco exacta. Para obtener el desplazamiento total del buque, es necesario añadir una corrección al denominado desplazamiento de trazado. Esta corrección incluye el peso del forro del casco y los apéndices. En una primera aproximación y para barcos de una sólo línea de ejes, este incremento de desplazamiento puede estimarse en un 0.5% del desplazamiento de trazado. Una aproximación más exacta puede obtenerse de las siguientes fórmulas:

Ecuaciones para buques de volumen La ecuación básica que liga las dimensiones de un buque cuya aspecto crítico es el volumen es:

Donde es el volumen de trazado del buque bajo la cubierta principal, C’B es el coeficiente de bloque al puntal de trazado y DC es el puntal efectivo (al que hay que añadir el arrufo y la brusca medias de la cubierta). Es importante hacer notar, que a la hora de dimensionar este tipo de barcos vamos a asumir que el volumen

(especificación). Esto

nos obliga a estimar desde un primer momento esta dimensión del buque de la manera más exacta posible. A partir de la ecuación anterior podemos derivar la siguiente relación:

Al igual que en el caso anterior, esta relación, nos permite obtener la eslora del buque a partir de las relaciones entre los coeficientes principales y una estimación del coeficiente de bloque C’B al puntal. Como ya se ha mencionado anteriormente, es posible estimar aproximadamente el valor de C’B, a partir del coeficiente de bloque CB, usando la siguiente relación:

Para obtener la eslora usando las ecuaciones anteriores, lo habitual es obtener las relaciones entre los coeficientes a partir de regresiones estadísticas de datos disponibles, mientras que el coeficiente de bloque habitualmente de criterios de minimización de la potencia.

Relaciones entre dimensiones Como ya hemos comentado, la eslora puede considerarse como la característica reina, que en el caso que nos ocupa está vinculada a la ecuación que liga las relaciones dimensionales con la dimensión crítica del proyecto. En lo que se refiere al resto de dimensiones, a partir de regresiones estadísticas podemos obtener las siguientes:

De las cuales habremos de seleccionar 3, que serán las que nos permitan resolver la ecuación básica. La elección de esas tres relaciones dependerá de qué aspectos del proyectos sean más prioritarios, y por lo tanto deban ser controlados. Para ayudar a esta elección se comentan a continuación algunos criterios para seleccionar una u otra relación. • La relación entre puntal y manga está vinculada con la estabilidad, puesto que KG depende del puntal y KM es función de la manga. Cuando la estabilidad sea un condicionante en el diseño, la elección de esta relación, nos permitirá controlar los valores obtenidos y en caso necesario limitar el valor. Como referencia se puede tomar un valor B/D = 1.5 para barcos “poco estables”, mientras que valores en torno a 1.8 indican una “buena” estabilidad. • La relación entre calado y puntal está vinculada al francobordo del buque y por tanto es una medida de las imposiciones del convenio sobre líneas de carga. Actualmente el cálculo del francobordo de un buque es muy sencillo, gracias a los programas informáticos disponibles, por lo que esta relación puede ser sustituida por cálculos más exactos, en el caso de que se requiera algo más que una mera estimación.

La relación entre puntal y eslora tiene influencia en la resistencia longitudinal del buque. Considerado este como una viga, el aumento de la relación L/D, disminuye el alma, y por lo tanto aumenta las tensiones producidas por los momentos flectores. • La relación entre calado y eslora, y calado y manga suelen considerarse como secundarias. En su lugar es habitual utilizar la relación calado / puntal en combinación con otras relaciones. Como apunte interesante cabe decir que elevadas relaciones de L/T reducen la posibilidad de que el barco sufra pantocazos. Por su parte la relación manga / calado tiene cierta influencia en la estabilidad inicial y en la resistencia al avance. • En cualquier caso, es necesario asegurar que las relaciones disponibles no tengan una incertidumbre excesiva. En caso de utilizar regresiones estadísticas de

datos propios, sería recomendable no utilizar aquellas relaciones cuyo coeficiente de correlación sea menor de 0.6. Estimación de CB La utilización de las ecuaciones básicas de dimensionamiento, presentadas anteriormente, requieren de la determinación del coeficiente de bloque del proyecto. A continuación se presentan unas fórmulas que pueden servir para ese propósito. La fórmula de Alexander (1962) es la más conocida de las expresiones que permiten estimar el valor del coeficiente de bloque:

Donde L es la eslora en metros y K puede variar entre 1.03 para buques rápidos y 1.12 para buques lentos. Esta fórmula tiene en cuenta criterios hidrodinámicos y de capacidad de carga. Diversos autores han obtenido fórmulas que relacionan el coeficiente de bloque con el número de Froude. A continuación se muestra una de ellas, que ha sido obtenida de un análisis estadístico de datos.

Estimación de otros parámetros de formas A continuación se listan una serie de fórmulas que permiten estimar diferentes parámetros de formas:

Dimensionamiento Básico 1. Elección del parámetro crítico para el diseño. Más específicamente, determinar si el buque es de volumen o de peso. Una vez determinado este aspecto, se tendrá la ecuación básica que liga a las dimensiones principales. 2. Realización de una base de datos de referencia de buques similares al objeto del proyecto. Esta base de datos debe contener al menos las dimensiones básicas de los buques, aunque cualquier información adicional como factores de formas puede ser de gran utilidad. 3. Establecer las relaciones entre los diferentes parámetros adimensionales básicos a partir de regresiones estadísticas de las entradas de la base de datos anterior. Además es necesario seleccionar tres de estas relaciones, entre el siguiente conjunto de seis, que pueden ser obtenidas.

4. Si no es conocido como especificación, llegado a este punto es necesario fijar el valor de la dimensión crítica del proyecto (volumen o desplazamiento). Esta dimensión puede ser solamente una primera aproximación que puede ser corregida más adelante al avanzar en la espiral de proyecto, pero cuanto más exacto sea su valor mayor credibilidad podemos dar a los resultados obtenidos en esta fase de dimensionamiento. Cómo primera aproximación de este dato pueden también utilizarse regresiones estadísticas entre buques similares al que es objeto del proyecto. 5. Estimar un primer valor de la eslora, y a partir de él, y mediante las relaciones entre los diferentes parámetros obtenidas en 3, hacer una primera evaluación tentativa de las dimensiones principales. Asimismo se ha de hacer una estimación del resto de relaciones adimensionales y parámetros de formas del buque (al menos el coeficiente de bloque es imprescindible) a partir de nuevas regresiones o mediante fórmulas de base

empírica. En el caso de elaborar nuevas regresiones, se ha de tener en cuenta que los errores cometidos por su uso pueden ser mucho mayores. 6. Actualizar el valor de la eslora, utilizando la ecuación básica que liga las dimensiones del proyecto. Si este nuevo valor no es lo suficientemente cercano al estimado en 5, es necesario reevaluar el resto de relaciones y repetir el proceso hasta la convergencia.

COEFICIENTES ADIMENSIONALES PARA EL DISEÑO DE BUQUES:

A continuación se presentan algunos Coeficientes Adimensionales utilizados para llevar a cabo el dimensionamiento de un buque. Vamos a empezar por los llamados "coeficientes de afinamiento". Los coeficientes de afinamiento son necesarios ya que nos indican, si sabemos interpretarlos, las formas generales de nuestro casco y así por ejemplo veremos si se trata de un buque "pesado" o "ligero", "lento" o "rápido". Cuando dibujamos el casco y aplicando a estas formas estos coeficientes, podremos "afinar" las características del mismo mediante tanteos, hasta llegar a lo que queremos.

Coeficiente de Bloque: Si el casco de un buque lo "rodeamos con un rectángulo sólido o bloque" como lo vemos en la siguiente figura, obtendremos

obtendremos lo que se llama el coeficiente de bloque Kb que es: Kb = Volumen de la carena / Volumen del prisma rectangular = V / E x M x C,

donde E, es la eslora, M, su manga y C, su calado, o sea:

Por Ejemplo: Si el volumen sumergido del casco de un buque es de 60.00 m3, su Eslora 18 metros, manga 4,00 metros, calado 2,00 metros, el Coeficiente de Bloque será:

Kb = 60.00 m3 / 18.00 m x 4.00 m x 2.00 m = 0.42

En la práctica este coeficiente varía mas o menos entre 0,4 a 0,85. Si es pequeño, se trata de un buque con formas finas y curvaturas regulares y continuas desde proa a popa, y a contrario, si es grande se tratará de un buque con formas "bien rellenas", que posee una parte central de forma cilíndrica o paralelepípedo importante, como las de un buque de carga, o de un buque "truncado hacia

popa", como es la forma de las lanchas rápidas por ejemplo. Coeficiente de la Cuaderna Maestra: De la misma manera, el coeficiente de "afinamiento de la cuaderna maestra" será:

Donde

o Am es el área de la cuaderna maestra hasta la flotación; es decir la

superficie de la maestra que se encuentra sumergida. Este coeficiente nos servirá sobretodo, para analizar la resistencia del casco al avance. Ejemplo: Teniendo el mismo buque del ejemplo anterior podemos suponer que tiene un area de la sección maestra de Am = 15.00 m2, entonces:

Km = 15.00 m2 / 4.00 m x 2.00 m = 1,875

Coeficiente Prismático: Coeficiente de "afinamiento cilíndrico o prismático": Viene dado por la relación:

Este coeficiente puede variar como el de bloque en proporciones que van desde unos 0,5 a 0,8 mas o menos, según se trate de un flotador a formas finas y curvas regulares y continuas desde proa a popa, como es el caso de un velero por ejemplo, o por el contrario con formas muy rellenas que presentan una parte central cilíndrica o paralelepípedo importante, como las de un buque de carga, o con una popa "truncada", como es el caso de los buques rápidos o Naves de Gran Velocidad “HSC”

Ejemplo en nuestro caso con los mismos datos:

Kp = 60.00 m3 / 15.00 m2 x 18.00 m = 0,22

Además existe una relación de comprobación, que debe realizarse entre estos coeficientes:

O sea, Coeficiente Prismático (Kp) = Coeficiente de Bloque (Kb) / Coeficiente Cuaderna Maestra (Km) en nuestro caso:

60,00 m3 / 15.00 m2 x18.00 m = 0.22 = (60.00 m3 / (18.00 m x 4.00 m x 2.00 m)) x (4.00 m x 2.00 m / 15.00m2) = 0,42 x 0,53 = 0,22

Recordemos que para calcular cuanto desplaza esta carena sumergida, basta con multiplicar el volumen obtenido para este calado por la densidad del agua del mar, que como ya saben es igual 1,025 y así obtenemos que esta carena desplaza:

en nuestro caso: 1.025 Ton/m3 x 60.00 m3 = 61,50 Ton

De manera ilustrativa podemos observar la siguiente figura sobre el Coeficiente Prismático:

Recordemos que para calcular cuanto desplaza esta carena sumergida, basta con multiplicar el volumen obtenido para este calado por la densidad del agua del mar, que como ya saben es igual 1,025 y así obtenemos que esta carena desplaza: en nuestro caso:

1.025 Ton/m3 x 60.00 m3 = 61,50 Ton

De manera ilustrativa podemos observar la siguiente figura sobre el Coeficiente Prismático: Es bueno aclarar para próximas lecturas que cuando trabajamos con la eslora hablamos del Coeficiente Prismático Longitudinal y cuando reemplazamos la variable eslora por el calado hablamos del Coeficiente Prismático Vertical. Coeficiente de la Flotación o Coeficiente Superficial:

Existe otro coeficiente que relaciona el Plano de Agua en la Flotación con la Eslora y la Manga llamado "coeficiente de fineza de la flotación" y abreviado como Ks y del cual una formula practica es:

Donde si la carena es en forma de "U" muy marcada hay que restar al resultado un 3% y si la carena es en forma de "V" muy marcada se le agrega 3%. En nuestro caso, supongamos que la cuaderna maestra es en forma de "U" muy marcada por lo que:

Ks = 0,476 x (1 + 0,42 ) = 0,67 y si le quitamos un 3%. 0,67 – 0,03 = 0,64.

También podemos encontrar que Ks es igual a la razon entre el Area del Plano de agua en la flotación entre el producto de la Eslora por la Manga

Ks = Area plano de agua Flotacion / Area Eslora X Manga = Aflot / E x M,

Lo cuan se puede apreciar en la siguiente figura:

Coeficiente de Formas / Coeficiente Voluminico: También existe otro coeficiente que expresa la noción de "pesado" o de "ligero" y que podríamos llamar también "coeficiente global de fineza de formas", y que yo personalmente considero muy práctico:

que en nuestro caso daría: Kfnuestro = 18.00 m / (60.00)1/3 = 18.00 / 3.91 = 4.60 También hay uno que nos muy útil cuando hablemos de velocidad y que se llama "coeficiente un

volumínico",

coeficiente

de

de la manera siguiente:

ó

también "relación volumínica", que es

"relleno",

expresado por el volumen y por la eslora

con

y donde ρ, es como sabemos la densidad del fluido considerado, que

para el agua de mar es igual a 1,025....

Como se interpreta el coeficiente Kf. Por Ejemplo, nuestro buque que tiene un Kf de 4.60 es "ligeramente menos ligero" que un pesquero de 130 Ton y de 20.00 metros de eslora ya que:

Si se trata de un buque de 1500 Ton y de 85 metros de eslora:

Como verán, a medida que aumenta este coeficiente, aumenta "la ligereza" de nuestro buque, y ya ven que "lo que parecía lógico", es decir que este buque de 1500 Ton "parecía" más "pesado" que el nuestro, es en realidad mucho más "ligero" proporcionalmente que el nuestro. Lo primero sería ver lo de la noción de "ligero o pesado", sabiendo que según lo que nos hayamos fijado como programa y lo que hemos visto, que un buque monocasco de desplazamiento "medio" nos dará un Kf de mas o menos 5, para uno de desplazamiento "pesado" un Kf de más o menos 4, y para un navío "ligero" un Kf de 6. Estos coeficientes nos indicarán muchas cosas, pero en la práctica tendremos que elegirlos según sea también la velocidad que quiera obtener entre otras cosas. A velocidades elevadas, el coeficiente que es más significativo es el "coeficiente (de relleno), volumínico", Kv.

Para dos carenas de misma longitud y a las mismas velocidades, la resistencia al avance de la más pesada, es más grande cuando la velocidad se incrementa, y esto no solo con relación a los desplazamientos respectivos, sino que va más allá, como veremos cuando estudiemos la resistencia al avance.

Por ahora, lo que tendremos que tener en cuenta es que el peso "implícito" por un Kv alto, nos impedirá llegar a las velocidades deseadas, ya que además el peso en exceso, nos obligará a pensar en la potencia motriz importante que seria necesaria.

Esto significa que tendremos interés en que Kv, sea lo más bajo posible?. Si "pensamos velocidad", sí, absolutamente y es por ello que una manera de disminuir este coeficiente o de "dividirlo", seria el que en la expresión del Kv, "nuestro numerador disminuya". Pero esto pareciera imposible, ya que el volumen de nuestro casco no lo podemos disminuir... pero "Todo es posible en esta vida con un poco de imaginación", ya que si por ejemplo tenemos un volumen total de 300 m3, y hacemos dos cascos que tengan 150 m3 cada uno y con la misma eslora, lo habremos disminuido, ¿Verdad?. "Entonces estaremos hablando de un catamarán", ¿No es cierto? . Ahora vemos porque con la misma eslora un catamarán es mucho más rápido que un velero normal...todo está en este coeficiente Kv... Una cosa más...supongo que se han dado cuenta de que en la expresión tenemos un "volumen" y que yo les hablo de un "desplazamiento o peso"; supongo que se habrán dado cuenta de que al fin y al cabo ese volumen por la densidad es en realidad un desplazamiento, con lo que todo lo que les he dicho es perfectamente "homogéneo"; ¿verdad? Existen otros Coeficientes no mas importantes que relacionan ahora la velocidad, los cuales son:

Coeficiente de Velocidad = Velocidad del Buque en Nudos / (Eslora en metros) ½

y el dado por el Numero de Froude que indica que trabaja en base a la relación:

Hemos visto muchas cosas importantes y lo más evidente es que cuando "pensamos un buque", todos estos parámetros se mezclan e interfieren los unos con los otros. El éxito en dimensionar un buque radica en que habrá que organizarse de alguna manera para que todo salga bien. La mejor manera es la de poder "tantear las soluciones" repetidas veces. Ello será posible por ejemplo con las hojas de calculo Excel.

DISEÑO DE FORMAS: La definición de formas de un buque es un aspecto de suma importancia, por sus múltiples implicaciones en diferentes aspectos del proyecto. Tradicionalmente, el aspecto principal que se ha estudiado en el proyecto de formas es el cumplimiento de la velocidad contractual. En este sentido hay que señalar que la consecución de unas formas óptimas desde este punto de vista (hidrodinámico) se enfrenta habitualmente a los condicionantes económicos o a la necesaria capacidad de carga.

El diseño de formas se iniciará cuando se ha llegado a una situación en la que es necesario tener el plano de formas del buque: • Como base para el desarrollo de la Disposición General. Este aspecto es más crítico para buques finos, en los que la Disposición General aproximada es más compleja. • Para la disposición y cubicación de tanques y espacios de carga. • Para el cálculo de las curvas hidrostáticas, determinación del trimado y estudio de la estabilidad. • Para la determinación de algún valor necesario para el cálculo de pesos, centro de gravedad o estimación de costos. • Para en inicio de los ensayos en canal.

El diseño de formas se enfrentará a la consecución de diferentes objetivos: • Obtención del desplazamiento y calado de proyecto. • Obtención de los espacios de carga y volúmenes de tanques requeridos. • Obtención de las áreas de cubierta para disponer los diferentes elementos. • Cumplir con los requisitos de minimización de potencia: mínima resistencia al avance, buen rendimiento del casco y posibilidad de disponer la hélice y el timón con los huelgos apropiados para evitar problemas de vibraciones. • Cumplir con los requisitos de buen comportamiento en la mar y buena maniobrabilidad.

• Una situación de XCC que permita tener un trimado satisfactorio en cada situación de carga. • Disponer de un KM para los calados de operación que asegure una estabilidad suficiente. • Evitar discontinuidades o diseños que dificulten el diseño estructural. • Que las formas resulten beneficiosas desde el punto de vista constructivo (desarrollables y sin curvaturas complejas). • En muchos casos es un requisito importante el que las líneas tengan una componente estética atractiva.

Los anteriores objetivos han de ser ordenados por prioridad, pues difícilmente podrán alcanzarse plenamente.

El proceso de diseño de formas puede dividirse en tres fases, organizadas esquemáticamente, tal y como se muestra en la siguiente Figura. • Definición de los Parámetros de Forma. Donde se lleva a cabo una elección de dimensiones y parámetros de forma, así como una definición de los criterios específicos de diseño y de la jerarquía de los mismos o la definición de una cifra de mérito. • Definición de las formas. • Evaluación técnica.

Esquema del Proceso de Diseño de las Formas

DEFINICIÓN DE LOS PARÁMETROS DE FORMAS: Su definición inicial se ha debido llevar a cabo junto al dimensionamiento del buque. El resultado de este proceso debe ser un conjunto de dimensiones principales y coeficientes de carena. En el caso típico, conoceremos: Lpp, B, T, Kb, Kp, Km, Ks y Xcc. 6.2.2.- DEFINICIÓN DE LAS FORMAS: Existen tres procedimientos para llevar a cabo el trazado de las formas del buque: • Derivación de formas, a partir de un buque considerado bueno para los criterios primarios • Generación de formas, a partir de los parámetros principales • Series sistemáticas (desarrolladas por canales de experiencias y astilleros)

Derivación de formas

La derivación de formas requiere de la elección de unas formas base que sean buenas para los criterios primarios y que posean parámetros de forma similares a los que se han definido como objetivo. Para llevar a cabo esta derivación se pueden utilizar:

Transformaciones geométricas simples disponibles en programas CAD • Transformaciones geométricas complejas, disponibles en programas especializados de generación y derivación de formas. Las operaciones disponibles para la derivación de formas no permiten cualquier transformación. Las operaciones básicas que se pueden llevar a cabo son: • Transformación afín. Cambio de dimensiones principales => Cambio en los coeficientes de forma • Incremento longitud del cuerpo cilíndrico => Cambio en los coeficientes de forma • Modificación de Kp, manteniendo constantes las dimensiones principales => Cambio en el resto de los coeficientes de forma. • Modificación de Kb, manteniendo constantes Km y las dimensiones principales => Cambio en el resto de los coeficientes de forma

El buen criterio al aplicar iterativamente las operaciones anteriores debe permitir obtener unas formas que cumplan con los objetivos marcados. Generación de formas La generación de formas debe partir de la definición de los parámetros y características principales de las formas. Las principales herramientas informáticas disponibles para llevar a cabo este procedimiento pueden agruparse en tres tipos: • generadores de formas analíticas 3D (FORAN) • generadores de formas analíticas 2D + alisado 3D • generadores cuasi automáticos de formas 3D con control de alisado (MAXSURF)

Series sistemáticas de formas

Las series sistemáticas son estudios sistemáticos de formas, llevados a cabo por canales de ensayos o astilleros. Los resultados se expresan en función de ciertos parámetros básicos (L/B, B/T, Kp, ...). Existen unas pocas series libres y la mayoría de los grandes astilleros posees series propias. En el rango de aplicación de la serie se puede conocer aproximadamente la resistencia al avance del buque, por interpolación de los datos experimentales disponibles. Para definir unas formas basadas en una serie sistemática es necesario partir de los parámetros principales de formas. A partir de ahí, el proceso es una simple elección de las formas más cercanas a los objetivos definidos, de entre el abanico de opciones disponible. Las series sistemáticas publicadas más conocidas, junto con su rango de aplicación son: • Serie 60. (0.16