La resistencia de los barcos es un tema de gran interés para los arquitectos y constructores navales . Los barcos que se construyen demasiado fuertes son pesados, lentos y cuestan más dinero construirlos y operarlos porque pesan más, mientras que los barcos que se construyen demasiado débilmente sufren daños menores en el casco y, en algunos casos extremos, fallas catastróficas y hundimientos.
Los cascos de los barcos están sometidos a diversas cargas.
Si la estructura, el equipo y la carga del barco se distribuyen de manera desigual, puede haber 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 y cuando se están construyendo, se apoyan en postes regularmente espaciados en sus fondos.
La resistencia, las cargas y la flexión principales del casco de un barco son las cargas que afectan a todo el casco, visto de adelante hacia atrás y de arriba a abajo. Aunque se podría considerar que esto incluye cargas transversales generales (de un lado a otro dentro del barco), generalmente se aplica únicamente a las cargas longitudinales (de un extremo a otro). El casco, visto como una sola viga , puede doblarse
Esto puede deberse a:
Las cargas de flexión primarias del casco son generalmente mayores cerca de la mitad del barco y, por lo general, son muy menores después de la mitad de la proa o la popa.
Los cálculos de resistencia primaria generalmente consideran la sección transversal central del barco. Estos cálculos tratan toda la estructura del barco como una sola viga, utilizando la ecuación de viga simplificada 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 al neutro eje.
Los cálculos de cargas de resistencia primaria generalmente suman 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 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 desplazado dentro de esa sección del casco. De manera similar se calcula el peso del casco para esa eslora, así como el peso de los equipos y sistemas. Luego se agrega el peso de la carga a esa sección dependiendo de las condiciones de carga que se estén verificando.
El momento flector total en aguas tranquilas se calcula integrando la diferencia entre la flotabilidad y el peso total a lo largo de la eslora del barco.
Para un barco en movimiento, se agrega un momento flector adicional a ese valor para tener en cuenta las olas que pueda encontrar. Se utilizan fórmulas estándar para la altura y longitud de las olas, que tienen en cuenta el tamaño del barco. Las peores olas posibles son, como se señaló anteriormente, 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, incluidos 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 de casco, flexión y resistencia son aquellas cargas que le suceden a la estructura del revestimiento del barco (laterales, fondo, cubierta) entre las principales subdivisiones longitudinales o mamparos . Para estas cargas, estamos interesados en 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 de 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 lados, en lugar de una simple viga.
Las cargas secundarias, la resistencia y la flexión se calculan de manera similar a las cargas primarias: usted determina las cargas puntuales y distribuidas debido al desplazamiento y el peso, y determina las fuerzas locales totales en cada unidad de área del panel. Luego, 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 dirigidas hacia adentro. La tensión en la estructura se calcula a partir de las cargas y la flexión.
La resistencia y cargas terciarias son las fuerzas, la resistencia y la respuesta a la flexión de secciones individuales de la placa del casco entre los refuerzos, y el comportamiento de las secciones de refuerzo individuales. Por lo general, la carga terciaria es más sencilla de calcular: para la mayoría de las secciones, hay una carga hidrostática máxima simple o una carga hidrostática más de golpe para calcular. La placa está soportada 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 de 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).
El casco representado es un pequeño petrolero de doble fondo (pero no de doble casco ) de muestra.
La carga total en una sección particular del casco de un barco es la suma total de todas las cargas primarias, secundarias y terciarias que le imponen todos los factores. El caso de prueba típico para cálculos rápidos es la mitad de una sección de placa inferior del casco entre refuerzos, cerca o en la sección media del barco, en algún lugar a medio camino entre la quilla y el costado del barco.
Sociedades de clasificación de barcos 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 del revestimiento del casco y los refuerzos, vigas y otras estructuras. Estos métodos suelen ofrecer una manera rápida de estimar los requisitos de resistencia para cualquier barco determinado. Casi siempre esos métodos darán valores de resistencia conservadores o más fuertes que los exactamente requeridos. Sin embargo, proporcionan un punto de partida detallado para analizar la estructura de un barco determinado y si cumple o no con los estándares comunes de la industria.
Los barcos modernos, casi sin excepción, están construidos en acero . En general, 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).
Hoy en día, 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 (bajo cero). Muchos barcos soportan frías tormentas invernales, y el uso de algunos aceros más antiguos que no eran lo suficientemente resistentes a bajas temperaturas provocó que los barcos se partieran por la mitad y se hundieran en el Atlántico durante la Segunda Guerra Mundial.
El grado de acero de referencia es ABS A, especificado por la Oficina Estadounidense de Transporte Marítimo . Este acero tiene un límite elástico 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 un tramo de 8 pulgadas (200 mm) de largo. muestra antes de fracturarse y 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 que se empuja 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 causarán fatiga en el metal ni grietas/fallas. Los criterios de diseño de buques generalmente suponen que todas las cargas normales del buque, multiplicadas por un factor de seguridad moderado, deben estar por debajo del límite de fatiga del acero utilizado en su construcción. Es aconsejable suponer que el barco operará regularmente a plena carga, con mal tiempo y olas fuertes, y que encontrará sus condiciones operativas máximas normales de diseño muchas veces durante su vida útil.
El diseño por debajo del límite de fatiga, de manera coincidente y beneficiosa, proporciona factores de seguridad total grandes (factor de hasta 6 o más), desde cargas operativas máximas normales hasta la falla final por tracción de la estructura. Pero esos grandes márgenes de seguridad finales no son la intención: la intención es que el estrés operativo básico y la tensión sobre el buque, a lo largo de su vida útil prevista, no causen grietas graves por fatiga en la estructura. Muy pocos barcos alguna vez ven condiciones de carga máximas cercanas a sus límites de falla bruta. Es probable que, sin preocupaciones por la fatiga, los requisitos de resistencia de los buques sean algo menores.
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, hoy en día 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 manejar cálculos de carga puntual y de flexión mucho más complejos que los que los ingenieros humanos pueden hacer en períodos de tiempo razonables.
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 que una realidad general compruebe que los resultados están dentro del orden de magnitud esperado. Además, los diseños preliminares pueden iniciarse antes de que esté disponible suficiente información sobre una estructura para realizar un análisis por computadora. [ cita necesaria ]
