La resistencia de los barcos es un tema de gran interés para los arquitectos y constructores navales . Los barcos que se construyen demasiado resistentes son pesados, lentos y cuestan más dinero construirlos y operarlos porque pesan más, mientras que los barcos que se construyen demasiado débiles sufren daños menores en el casco y, en algunos casos extremos, fallas catastróficas y hundimientos.
Los cascos de los barcos están sometidos a una serie de cargas.
Si la estructura, el equipo y la carga del barco están distribuidos de manera desigual, pueden existir grandes cargas puntuales en la estructura y, si se distribuyen de manera diferente a la distribución de la flotabilidad del agua desplazada, entonces hay fuerzas de flexión en el casco.
Cuando los barcos están en dique seco o cuando se están construyendo, se apoyan sobre postes espaciados regularmente en sus partes inferiores.
La resistencia primaria, las cargas y la flexión del casco de un barco son las cargas que afectan a todo el casco, visto de adelante hacia atrás y de arriba hacia abajo. Aunque se podría considerar que esto incluye las cargas transversales generales (de lado a lado dentro del barco), generalmente se aplica solo a las cargas longitudinales (de extremo a extremo). El casco, visto como una sola viga , puede doblarse
Esto puede deberse a:
Las cargas de flexión primaria del casco son generalmente más altas cerca del centro del barco, y habitualmente son muy menores más allá de la mitad de la proa o la popa.
Los cálculos de resistencia primaria generalmente consideran la sección transversal central del buque. Estos cálculos tratan toda la estructura del buque como una sola viga, utilizando la ecuación simplificada de vigas de Euler-Bernoulli para calcular la resistencia de la viga en flexión longitudinal. El momento de inercia (técnicamente, segundo momento de área ) de la sección del casco se calcula encontrando el eje neutro o central de la viga y luego sumando la cantidad para cada sección de placa o viga que compone el casco, siendo el momento de inercia de esa sección de material, siendo el ancho (dimensión horizontal) de la sección, siendo la altura de la sección (dimensión vertical), siendo el área de la sección y siendo la distancia vertical del centro de esa sección desde el eje neutro.
Los cálculos de las cargas de resistencia primarias suelen sumar el peso y la flotabilidad del barco a lo largo del casco, dividiendo el casco en secciones longitudinales manejables, como un compartimento, segmentos arbitrarios de diez pies o alguna otra subdivisión manejable similar. Para cada condición de carga, el peso del agua desplazada o la flotabilidad se calcula para esa sección del casco en función del volumen de agua desplazada dentro de esa sección del casco. El peso del casco se calcula de manera similar para esa longitud y el peso del equipo y los sistemas. Luego, el peso de la carga se agrega a esa sección según las condiciones de carga que se estén verificando.
Luego se calcula el momento flector total en aguas tranquilas integrando la diferencia entre la flotabilidad y el peso total a lo largo de la longitud del barco.
En el caso de un barco en movimiento, a ese valor se le suma un momento de flexión adicional para tener en cuenta las olas que puede encontrar. Se utilizan fórmulas estándar para la altura y la longitud de las olas, que tienen en cuenta el tamaño del barco. Las peores olas posibles son aquellas en las que la cresta o el valle de la ola se encuentran exactamente en el centro del barco.
Esas cargas de flexión totales, incluido el momento de flexión en aguas tranquilas y las cargas de las olas, son las fuerzas que la viga primaria general del casco debe ser capaz de soportar.
Las cargas secundarias del casco, la flexión y la resistencia son aquellas cargas que se aplican a la estructura del revestimiento del buque (costados, fondo, cubierta) entre las principales subdivisiones longitudinales o mamparos . Para estas cargas, nos interesa cómo se comporta esta sección más corta como una viga integrada, bajo las fuerzas locales del agua desplazada que empuja hacia atrás el casco, la carga y los pesos del casco y la maquinaria, etc. A diferencia de las cargas primarias, las cargas secundarias se tratan como si se aplicaran a un panel compuesto complejo, apoyado en los costados, en lugar de como una simple viga.
Las cargas secundarias, la resistencia y la flexión se calculan de manera similar a las cargas primarias: se determinan las cargas puntuales y distribuidas debido al desplazamiento y al peso, y se determinan las fuerzas totales locales en cada unidad de área del panel. Esas cargas hacen que el panel compuesto se deforme, generalmente doblándose hacia adentro entre los mamparos, ya que la mayoría de las cargas son compresivas y se dirigen hacia adentro. La tensión en la estructura se calcula a partir de las cargas y la flexión.
La resistencia y las cargas terciarias son las fuerzas, la resistencia y la respuesta a la flexión de las secciones individuales de la placa del casco entre los refuerzos, y el comportamiento de las secciones individuales de los refuerzos. Por lo general, la carga terciaria es más sencilla de calcular: para la mayoría de las secciones, hay una simple carga hidrostática máxima o una carga hidrostática más una carga de impacto que se debe calcular. La placa se apoya contra esas cargas en sus bordes mediante refuerzos y vigas. La deflexión de la placa (o refuerzo) y las tensiones adicionales se calculan simplemente a partir de esas cargas y la teoría de placas y carcasas.
Este diagrama muestra los elementos estructurales clave del casco principal de un barco (excluyendo la proa, la popa y la caseta de cubierta).
El casco representado es un ejemplo de un pequeño petrolero de doble fondo (pero no de doble casco ).
La carga total sobre una sección particular del casco de un barco es la suma total de todas las cargas primarias, secundarias y terciarias impuestas sobre ella por todos los factores. El caso de prueba típico para cálculos rápidos es la mitad de una sección de la placa inferior del casco entre los refuerzos, cerca o en la sección media del barco, en algún lugar a medio camino entre la quilla y el costado del barco.
Las sociedades de clasificación de buques , como Det Norske Veritas , American Bureau of Shipping y Lloyd's Register of Shipping, han establecido formularios de cálculo estándar para las cargas del casco, los requisitos de resistencia, el espesor de las placas del casco y los refuerzos, las vigas y otras estructuras. Estos métodos suelen proporcionar una forma rápida de estimar los requisitos de resistencia para un buque determinado. Casi siempre, esos métodos darán valores de resistencia conservadores o más fuertes que los requeridos con precisión. Sin embargo, proporcionan un punto de partida detallado para analizar la estructura de un buque determinado y determinar si cumple o no con los estándares comunes de la industria.
Los barcos modernos están construidos, casi sin excepción, de acero . Generalmente, se trata de un acero bastante estándar con un límite elástico de alrededor de 32.000 a 36.000 psi (220 a 250 MPa) y una resistencia a la tracción o resistencia máxima a la tracción (UTS) de más de 50.000 psi (340 MPa).
En la actualidad, los constructores navales utilizan aceros que tienen una buena resistencia a la corrosión cuando se exponen al agua de mar y que no se vuelven quebradizos a bajas temperaturas (por debajo del punto de congelación). Muchos barcos soportan tormentas frías de invierno y el uso de algunos aceros para barcos más antiguos que no eran lo suficientemente resistentes a bajas temperaturas provocó que los barcos se partieran en dos y se hundieran en el Atlántico durante la Segunda Guerra Mundial.
El grado de acero de referencia es ABS A, especificado por la American Bureau of Shipping . Este acero tiene una resistencia a la fluencia de al menos 34.000 psi (230 MPa), posee una resistencia máxima a la tracción de 58.000 a 71.000 psi (400 a 490 MPa) y debe alargarse al menos un 19 % en una muestra de 8 pulgadas (200 mm) de largo antes de fracturarse y un 22 % en una muestra de 2 pulgadas (50 mm) de largo.
Se debe aplicar un factor de seguridad por encima del límite elástico, ya que el acero llevado regularmente hasta su límite elástico sufrirá fatiga del metal . Los aceros suelen tener un límite de fatiga , por debajo del cual cualquier número de ciclos de carga de tensión no provocará fatiga del metal ni grietas/fallas. Los criterios de diseño de barcos generalmente suponen que todas las cargas normales en el barco, multiplicadas por un factor de seguridad moderado, deben estar por debajo del límite de fatiga del acero utilizado en su construcción. Es prudente suponer que el barco operará regularmente a plena carga, en condiciones meteorológicas adversas y olas fuertes, y que se encontrará con sus condiciones operativas de diseño normales máximas muchas veces durante su vida útil.
El diseño por debajo del límite de fatiga ofrece, de manera coincidente y beneficiosa, grandes factores de seguridad totales (de hasta 6 o más) desde las cargas operativas máximas normales hasta el fallo por tracción final de la estructura. Pero esos grandes márgenes de seguridad final no son la intención: la intención es que la tensión y el esfuerzo operativos básicos sobre el buque, a lo largo de su vida útil prevista, no provoquen grietas por fatiga graves en la estructura. Muy pocos buques llegan a experimentar condiciones de carga final cercanas a sus límites de fallo bruto. Es probable que, sin problemas de fatiga, los requisitos de resistencia del buque serían algo inferiores.
Si bien es posible desarrollar análisis bastante precisos de las cargas y respuestas de los barcos a mano o utilizando ayudas informáticas mínimas, como hojas de cálculo, en la actualidad se suelen utilizar programas informáticos CAD modernos para generar modelos informáticos de la estructura mucho más detallados y potentes. Se utilizan herramientas de análisis de elementos finitos para medir el comportamiento en detalle a medida que se aplican las cargas. Estos programas pueden realizar cálculos de flexión y carga puntual mucho más complejos de los que pueden realizar los ingenieros humanos en un tiempo razonable.
Sin embargo, sigue siendo importante poder calcular manualmente el comportamiento aproximado de los cascos de los barcos. Los ingenieros no confían en los resultados de los programas informáticos sin una comprobación general de que los resultados se encuentran dentro del orden de magnitud esperado. Además, los diseños preliminares pueden comenzar antes de que se disponga de suficiente información sobre una estructura para realizar un análisis informático. [ cita requerida ]
