El Proyecto Del Buque

EL PROYECTO DEL BUQUE

EL PROYECTO DEL BUQUE............................................................................ 1 Definiendo Objetivos ..................................................................................................................................2 Principios básicos que gobiernan el proyecto del buque.........................................................................2 Las Fases del Proyecto del Buque .............................................................................................................3

EL PROYECTO CONCEPTUAL........................................................................ 6 EL PROYECTO CONTRACTUAL ..................................................................... 8 Aspectos Principales del desarrollo del Proyecto Contractual ...............................................................8

DIMENSIONAMIENTO DEL BUQUE .............................................................. 10 Limitaciones dimensionales .....................................................................................................................10 La Dimensión Crítica ...............................................................................................................................11 Buques de Peso ......................................................................................................................................12 Buques de volumen................................................................................................................................14 Buques en los que la velocidad es crítica ...............................................................................................15 Otras dimensiones críticas......................................................................................................................15 Dimensionamiento ....................................................................................................................................15 Ecuaciones para buques de peso ............................................................................................................15 Ecuaciones para buques de volumen......................................................................................................16 Relaciones entre dimensiones ................................................................................................................17 Estimación de CB ...................................................................................................................................19 Estimación de otros parámetros de formas.............................................................................................19 Dimensionamiento Básico .....................................................................................................................20

DISEÑO DE FORMAS ..................................................................................... 22 Definición de los Parámetros de Formas ................................................................................................23 Definición de las Formas..........................................................................................................................23 Derivación de formas .............................................................................................................................23 Generación de formas ............................................................................................................................24 Series sistemáticas de formas.................................................................................................................24 Evaluación Técnica...................................................................................................................................24

INTRODUCCIÓN A LA TEORÍA DEL BUQUE................................................ 27 Descomposición de la Resistencia al Avance ..........................................................................................27

CRITERIOS BÁSICOS DE DISEÑO DE FORMAS ......................................... 31 Análisis de las zonas de proa y popa .......................................................................................................31

Curva de áreas seccionales ......................................................................................................................35 Obtención Experimental de la Resistencia al Avance y del Rendimiento Propulsivo ........................35 Estimación de la Resistencia al Avance El Método de Holtrop y Mennen ..........................................39

DISPOSICIÓN GENERAL ............................................................................... 41 Forma y disposición de los elementos transversales y longitudinales ..................................................42 Disposición de los mamparos transversales ...........................................................................................42 Disposición de las cubiertas ...................................................................................................................43 Disposición de los mamparos longitudinales .........................................................................................44 Distribución de espacios...........................................................................................................................44 Espacios de almacenamiento y manipulación de la carga......................................................................45 Espacios de maquinaria..........................................................................................................................45 Tanques de consumos ............................................................................................................................46 Alojamientos ..........................................................................................................................................48 Disposición de accesos...........................................................................................................................48 Grandes huecos ......................................................................................................................................49 Aislamiento de espacios.........................................................................................................................49

DISEÑO ESTRUCTURAL................................................................................ 50 Elección del tipo de estructura ...............................................................................................................51 Cálculo de la Estructura .........................................................................................................................51 Espaciado de los elementos transversales o longitudinales....................................................................54 Forma y Estructura de los Mamparos y Cubiertas .................................................................................54 Minimización del peso de acero y/o de producción ...............................................................................55

EL SISTEMA PROPULSIVO ........................................................................... 56 Tipos de Sistemas de Propulsión .............................................................................................................56 Hélice .........................................................................................................................................................56 Hélices en Tobera...................................................................................................................................56 Hélices de Extremos de Pala Cargados ..................................................................................................57 Hélices Contrarrotativas.........................................................................................................................57 Propulsores de Eje Vertical....................................................................................................................58 Propulsores a chorro...............................................................................................................................59 Vela........................................................................................................................................................59 Generadores de Potencia .........................................................................................................................59 Selección del Motor Principal (motor diesel directamente acoplado a la hélice) ................................62 Selección de una Hélice de Serie..............................................................................................................64

SISTEMAS BÁSICOS DEL BUQUE................................................................ 66 Sistema de Alimentación de Combustible ..............................................................................................66 Sistema Eléctrico ......................................................................................................................................69 Balance Eléctrico ...................................................................................................................................69 Sistema de Enfriamiento..........................................................................................................................71 Sistema de Gobierno ................................................................................................................................73

CÁLCULO DEL DESPLAZAMIENTO ............................................................. 76 Peso en Rosca ............................................................................................................................................76 Peso de la Estructura ..............................................................................................................................77 Peso de la Maquinaria ............................................................................................................................83 Peso del Equipo......................................................................................................................................84 Peso Muerto ..............................................................................................................................................85

REFERENCIAS................................................................................................ 86

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El Proyecto del Buque El proyecto es un proceso 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 (precisión, complejidad, ...) a la situación en el proceso de diseño.

El proyecto es un proceso cíclico (red) Como hemos visto, 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.

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Para más información ver la referencia [1].

Definiendo Objetivos Una de las primeras fases que es vital realizar antes de iniciar un proyecto es la definición de los objetivos. Estos objetivos deben estar ordenados en función de su prioridad, de manera que la lista ordenada que formen, facilite la toma de decisiones en el caso de soluciones antagónicas. 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 constreñirían innecesariamente el desarrollo del diseño, en el caso de que el proyecto final no siga el inicialmente pensado.

Principios básicos que gobiernan el proyecto del buque El proyecto debe satisfacer todos los requisitos especificados por el armador. En cualquier caso, resulta de gran ayuda para el proyectista que aquél establezca un orden de prioridades en las especificaciones, para el caso excepcional en el que se considere inviable el cumplimiento de todas ellas.

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El Proyecto del Buque El buque debe cumplir todos los requisitos legales aplicables, que incluyen convenios internacionales y legislación nacional que tratan del diseño, estructura, equipo, propulsión, habitabilidad, .... Asimismo se deben cumplir otros requisitos definidos por las costumbres de la mar, cuya inobservancia puede resultar negativa para el rendimiento de la tripulación. Se debe considerar prioritario que cada función se realice en el barco de la manera más eficiente posible. Para ello se elegirá una adecuada situación y espacio adecuado para todos los servicios, de manera que la maniobra sea segura y eficiente en todas las condiciones de navegación. Es evidente que este requisito obligará a tener que armonizar decisiones antagónicas. En ese caso debe darse preferencia al servicio que tenga una mayor contribución al rendimiento global del buque. La minimización del coste, tanto inicial como de funcionamiento, debe ser un objetivo prioritario. Se ha de considerar en todo momento el impacto de las decisiones técnicas en la actuación de la futura tripulación. El rendimiento de un buque depende de manera significativa de la eficacia de las personas que lo manejan, por lo que una característica que pueda ser fuente de problemas, debe evitarse. Para asegurar el funcionamiento eficiente de un buque, los tripulantes deben tener la capacidad de desplazarse, rápida y fácilmente desde sus alojamientos a sus puestos de trabajo. Asimismo los medios de escape deben ser lo suficientemente ágiles. No deben existir espacios inútiles. Además, todas las partes del buque deben ser accesibles para los trabajos de mantenimiento. La preocupación de la sociedad actual en los aspectos medioambientales, se está viendo cada vez más reflejada en la legislación actual. Aparte del mero cumplimiento de la legislación, la búsqueda de la reducción del impacto ambiental en la construcción y operación, así como las posibilidades de reciclaje al final de la vida útil, debe estar entre los objetivos del desarrollo del proyecto desde su fase inicial.

Las Fases del Proyecto del Buque El proyecto del buque habitualmente se divide en tres fases: o o o

Proyecto Conceptual Proyecto Contractual Proyecto de Construcción

El objeto de la fase de Proyecto Conceptual es la determinación de la viabilidad del proyecto. Se parte de unos datos muy básicos (peso muerto, capacidad de carga, velocidad, dimensiones principales y sus relaciones, coeficientes de carena, ...) a partir de los cuales debe definirse una combinación de mayor rendimiento económico.

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Los resultados principales de la fase del Proyecto Conceptual son: o o o

Determinación de la viabilidad o no del proyecto. Estimación del coste de la obra (construcción y operación). Definición de las especificaciones de la obra.

El desarrollo de la fase de Proyecto Contractual obedece a la necesidad de ofrecer soporte técnico al contrato de construcción del buque. Incorpora las actividades del proyecto encaminadas a comprobar que se cumplen los requerimientos impuestos, tanto comerciales como de seguridad, con unos márgenes adecuados. El resultado de este proceso es el desarrollo de un contrato de construcción, que incluye: o o o o

Definición suficientemente precisa de las características de la obra (disposición general, potencia propulsora, potencia eléctrica, sistemas de carga, ...). Definición de los costes de la obra. Elaboración de la oferta económica del constructor. Definición precisa de las diferentes calidades.

Es habitual identificar dos partes dentro de la fase de Proyecto Contractual. Estas son: el Proyecto Preliminar, que incluye las actividades de elaboración del diseño necesarias para dar soporte a la oferta del constructor y el Proyecto Contractual propiamente dicho. Finalmente, el Proyecto Detallado o de Construcción incluye el desarrollo pleno del proyecto hasta la obtención de toda la documentación que es necesaria para la construcción de la obra. El resultado de este proceso es: o o

Elaboración de todos los documentos que se requieren para la aceptación del inicio de la obra por parte de las autoridades, así como para la aprobación de la misma por parte de la Sociedad de Clasificación correspondiente (u otras entidades reguladoras). Planificación y desarrollo del proceso constructivo.

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Elaboración de planos detallados y otro tipo de documentos necesarios para apoyar el proceso constructivo. Elaboración de documentación y manuales para el uso y mantenimiento de equipos y sistemas.

Es asimismo común subdividir esta fase en el denominado Proyecto de Clasificación, que incluiría las actividades necesarias para obtener aprobación de la obra por parte de la Sociedad de Clasificación correspondiente (u otras entidades reguladoras) y el Proyecto de Construcción propiamente dicho.

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El Proyecto Conceptual Como ya se ha indicado, el objeto de esta fase es la determinación de la viabilidad del proyecto. Habitualmente se parte de unos datos muy básicos (peso muerto, capacidad de carga, velocidad, dimensiones principales y sus relaciones, coeficientes de carena, ...) a partir de los cuales debe definirse una combinación de mayor rendimiento económico. En el caso más general el análisis se hace para una flota de buques, dado un volumen de mercancías a transportar en unas rutas geográficas determinadas y teniendo en cuenta las limitaciones económicas de la inversión para cada opción. Para cada opción se lleva a cabo una simulación, haciendo un cálculo de tiempos (simulación de movimientos, simulación de actividades de carga y generación de un calendario de flota), cálculos de capacidad (cantidad de carga y consumo de combustible) y cálculo de costes (coste de construcción, coste operacional de la flota e ingresos provenientes del flete. Los resultados de este proceso son: o o o

Determinación de la viabilidad o no del proyecto. Estimación del coste de la obra (construcción y operación). Definición de las especificaciones.

Las especificaciones resultado del proyecto conceptual, habitualmente incluyen: o o o o o o o o o o o o o

Número de buques Vida útil Rutas contempladas Capacidad de carga Peso muerto Número de tripulantes y pasajeros Sistema de manejo y almacenamiento de carga y su capacidad Autonomía Velocidad en pruebas a plena carga Tipo de planta propulsora Posibles factores limitativos (p.ej. limitaciones en calado) Reglamentos nacionales aplicables y otras regulaciones a cumplir Sociedad de Clasificación y cota a obtener

El desarrollo del proyecto conceptual implica: o o o

o o

Estudio de mercado y predicción del flujo de carga entre pares de puertos en el área de navegación. Análisis de puertos (congestión, tarifas, velocidad de manejo de carga, equipamiento, ...) y elección de rutas de navegación. Llevar a cabo proyectos conceptuales para diferentes tipos de buques. Se puede partir inicialmente de las dimensiones principales, velocidad y una estimación del coste de construcción. A estos datos se les añade la experiencia del armador y diseñador y diferentes bases de datos. Determinación de la configuración de la flota. Se analizarán diferentes alternativas de la configuración de la flota (número de buques de buques de la flota para una velocidad, dado el volumen de transporte anual requerido) para una ruta. Optimización o elección de una banda (conjunto de configuraciones) óptima. Para ello se requiere la elección de la cifra de mérito (criterio de optimización) adecuada.

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Estudios de sensibilidad. Análisis del efecto sobre la cifra de mérito de la variación de las diferentes variables.

La realización de las tareas mencionadas anteriormente, habitualmente se lleva a cabo mediante programas de ordenador capaces de simular la operación de una flota de buques, definidas unas rutas de navegación. Estos programas requieren la automatización del proceso de selección de la mejor alternativa, para lo que se utiliza la cifra de mérito. La cifra de mérito es un criterio de optimización (decisión) para la elección de la mejor configuración, que puede ser evaluado numéricamente. Los más comunes son: o o o o

Coste de Construcción mínimo. Es un criterio ventajoso para el astillero, aplicable si el buque ya está contratado o cuando se quiere hacer una oferta muy económica. Inversión Total mínima (coste de construcción + gastos del armador). Es un criterio ventajoso para el armador si sólo le interesa minimizar el coste inicial. Coste de Ciclo de Vida mínimo (coste de construcción + gastos del armador + gastos operativos anuales actualizados). Es un criterio del armador que tiene en cuenta los gastos operativos (pero no los ingresos). Flete requerido mínimo. Es un criterio del armador que elige como mejor opción aquella que requiere el menor flete mínimo para comenzar a dar beneficio. Σ Beneficio = Σ Flete × Carga_Anual – Σ Gastos_Anuales

o

Otras opciones más complejas que tienen en cuenta efectos como la amortización o el tiempo de recuperación de la inversión.

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El Proyecto Contractual El desarrollo de esta fase obedece a la necesidad de ofrecer soporte técnico al contrato de construcción del buque. Incorpora las actividades del proyecto encaminadas a comprobar que se cumplen los requerimientos impuestos, tanto comerciales como de seguridad, con unos márgenes adecuados. El resultado de este proceso es el desarrollo de un contrato de construcción, que incluye: o o o o

Definición suficientemente precisa de las características de la obra (disposición general, potencia propulsora, potencia eléctrica, sistemas de carga, ...). Definición de los costes de la obra. Elaboración de la oferta económica del constructor. Definición precisa de las diferentes calidades.

El punto de partida de este proceso es normalmente un buque base. Este término se refiere a un proyecto similar, del que se pueda disponer de información suficiente y que pueda servir de guía para las primeras fases del proyecto. A partir de las características del buque base se pueden estimar aspectos críticos como estabilidad, francobordo, potencia, ... Las primeras estimaciones cambiarán necesariamente a medida que avance el proyecto.

Aspectos Principales del desarrollo del Proyecto Contractual Cálculo de Potencia y Propulsión Estimación o cálculo de la potencia necesaria y de las características básicas del equipo propulsor y de maniobra. Definición de Formas Se realiza el plano de formas del buque intentando cumplir, además de los requisitos de buen comportamiento hidrodinámico, otras características definidas. Cálculo del peso en rosca y de la posición del centro de gravedad del buque. Compartimentado / Disposición General Es necesario disponer las cubiertas y mamparos como paso inicial para llevar a cabo la disposición general. Definición de Capacidades y Cálculo del Arqueo 1. Se definen las dimensiones de todos los tanques y se cubican. 2. Posteriormente se realiza el cálculo del arqueo y francobordo del buque. Definición Estructural Diseño de la cuaderna maestra, en primer lugar, y definición posterior precisa de la estructura del buque. Maniobrabilidad y Comportamiento en la Mar Se lleva a cabo un análisis de las características del buque respecto a su maniobrabilidad y comportamiento en la mar. Definición de la Planta Propulsora y Otros sistemas del buque Se definen de manera concreta las características y disposición del equipo propulsor, así como el resto de sistemas del buque. Página 8

El Proyecto del Buque Estabilidad Intacto / Estabilidad en avería 1. Es necesario definir las diferentes situaciones de carga para, posteriormente, llevar a cabo el análisis de la estabilidad para el buque intacto. 2. Se lleva a cabo un estudio de la estabilidad del buque ante averías. 3. Se analiza la resistencia longitudinal de la estructura. Análisis de Costes. Se evalúan las magnitudes económicas (de entre las cuales, la principal es el presupuesto), al objeto de facilitar la toma de decisiones.

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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: o

o

o

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, en este apartado presentaremos 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, …

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.

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El Proyecto del Buque 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.

Figura 1. Limitaciones de los principales canales y calados máximos de puertos para graneleros. Fuente: R. Alvariño, J.J. Azpíroz y M. Meizoso. El proyecto básico del buque mercante. FEIN. Madrid 1997.

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.

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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:

DWTcarga LDC =

DWTcarga ∇ carga

=

DWTtotal ∇ carga ∇ total

DWTtotal ∆ ∇ × total ∆ ×

Ecuación 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:

LDC=

DWTcarga ∇ carga

 DWTcarga   DWTtotal   DWT  ×  ∆   total   =   ∇ carga   CB′ × D   ∇  × 1025 × C × T  B   total  

Ecuación 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 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.

1

Si no se conoce un valor más aproximado de la relación DWTcarga/DWTtotal, puede tomarse un valor en torno a 0.90.

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En las tablas siguientes se muestran las relaciones características entre pesos y volúmenes para algunos tipos de buques. Peso muerto

Relación Peso muerto / Desplazamiento

DWTtotal

DWTtotal ∆

Buques tanque y graneleros 20 000 ton 100 000 ton 200 000 ton Portacontenedores (CB de 0.65 a 0.72) 15 000 ton 30 000 ton 100 000 ton

0.79 0.85 0.87 0.71 0.74 0.78

Tabla 1. Relación Peso muerto/Desplazamiento para diferentes tipos de buques. Referencia [2].

Capacidad de carga

Capacidad de carga / Volumen de carena

∇ carga

∇ carga Buques tanque 40 000 ton 100 000 ton 200 000 ton Portacontenedores (CB de 0.65 a 0.72) 20 000 ton 50 000 ton 100 000 ton

∇ total

0.65 0.67 0.675 0.58 0.585 0.595

Tabla 2. Relación Capacidad de carga/Volumen de carena para diferentes tipos de buques. Referencia [2].

Tipo de buque

Relación calado puntal

T Buques tanque Buque de carga general Buques graneleros

D

0.78 0.70 0.73

Tabla 3. Relación Calado Puntan para diferentes tipos de buques. Referencia [2].

Por otra parte, es posible estimar aproximadamente el valor de C’B, a partir del coeficiente de bloque CB, usando la siguiente relación.

CB′ = CB + (1 − CB )

0.8D − T 3T

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:

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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 = OreOil 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 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 2. Buques de peso muerto y volumen

En general, son buques de volumen: o o

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.

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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.

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:

∆ = ρ ⋅ CB ⋅ L ⋅ B ⋅ T ⋅ (1 + s ) 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 Página 15

El Proyecto del Buque exacta posible. Una explicación detallada de cómo se puede calcular el desplazamiento puede encontrarse en la referencias [2], [3] y [4]. A partir de la anterior ecuación es posible obtener la siguiente relación: 1/ 3

 ∆ ⋅ ( L / B )2 ⋅ ( B / D )  L=   ρ ⋅ (1 + s ) ⋅ CB ⋅ (T / D ) 

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:

∆ = DWT + LWT ∆ = DWT

KD

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: Desplazamiento del forro =

1 t ( ∆·L ) 2 , donde t es el espesor medio del forro en mm. 380 3

Desplazamiento del timón = 0.13· AR 2 , donde AR es el área del timón en m2. Desplazamiento del propulsor = 0.01d 3 , donde d es el diámetro del propulsor.

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

∇ H = CB′ ⋅ L ⋅ B ⋅ DC Donde ∇H 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 ∇H (especificación). Esto nos obliga a estimar desde

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El Proyecto del Buque un primer momento esta dimensión del buque de la manera más exacta posible. Una explicación detallada de cómo se puede calcular este volumen puede encontrarse en la referencia [2]. A partir de la ecuación anterior podemos derivar la siguiente relación: 1/ 3

 ∇ H ⋅ ( L / B )2 ⋅ ( B / D )  L=  CB′  

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.

CB′ = CB + (1 − CB )

0.8D − T 3T

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:

B = f ( L),

T = f ( D)

D = f ( B) , T = f ( L) D = f ( L) , T = f ( B) 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. o

o

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.

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El Proyecto del Buque

Coste Construcción Incremento L

Incremento B

Incremento D y T

Casco Se incrementa el peso de la estructura y por lo tanto el coste de construcción de manera muy importante. Se incrementa el coste de construcción (pero de manera menos importante que con L). Se reduce el coste de construcción.

Incremento CB

Forma más económica para incrementar el desplazamiento y el peso muerto.

Incremento CP

No tiene significativa.

una

influencia

Maquinaria Se reduce la potencia necesaria y los costes asociados, al menos para Fn reducidos.

Coste Operativo Se reduce el coste y el consumo de combustible.

Se incrementa la potencia y los costes asociados.

Se incrementa.

Se reduce la potencia y los costes asociados, si va asociado a una reducción de L. Se aumenta la potencia. Por encima de cierta relación entre Fn y CB se produce un muy importante aumento de la potencia necesaria. Existe una combinación de CB y CM de resistencia mínima. Se aumenta la potencia. Se considera el parámetro más definitorio de la resistencia al avance.

Se reduce.

Tabla 4. Criterios de optimización de las dimensiones principales.

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Se incrementa.

Se incrementa.

El Proyecto del Buque o o

o

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.

Finalmente se incluye una tabla, en la que se presentan algunos criterios para optimización del proceso de elección de las dimensiones principales. Estos criterios deben tenerse en cuenta cuando a lo largo del proceso de diseño, se considere la modificación de alguna de estas dimensiones.

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.

CB = K − 0.5·V

3.28·L

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.

1  23 − 100 Fn  CB = 0.70 + tan −1  radianes  8 4  

Estimación de otros parámetros de formas A continuación se listan una serie de fórmulas que permiten estimar diferentes parámetros de formas. CM: Fórmula de Kerlen (influye en la resistencia al avance)

C M =1.006-0.0056 ⋅ C -3.56 B CP: Fórmula de Troost (influye drásticamente en la resistencia al avance)

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CP =1.2-2.12 ⋅ Fn XCC: Fórmula de Troost en % de la Lpp respecto a la cuaderna maestra (determina los trimados)

X CC = 17.5 ⋅ CB − 12.5 LCC: Longitud del cuerpo cilíndrico (influye en los costes constructivos). La siguiente fórmula ofrece un valor recomendado que pondera aspectos hidrodinámicos y económicos.

LCC =  −658 + 1.607 ⋅ C B − 914 ⋅ C 2B  ⋅ L PP

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. Un ejemplo de esta base de datos se presenta a continuación: NOMBRE ARCTIC I IKAN DURI JERSBEK-LASBEK KOPEX LUCY P.G. MATAGRIFONE-MESSANA NANCY ORR GAUCHER NORDIC TIGER POLISAN I PROOF GALLANT REINBEK-RODENBEK SARA THERESA SARIBAY STOLT MAPLEWOOD TRANS BORG TSUTA MARU Nº1 UNITED TONY

LOA 98.9 94.0 91.7 100.0 102.0 86.5 105.0 86.0 96.0 90.2 91.7 82.7 97.8 91.2 101.4 104.0 88.0

LBP 95.9 90.5 89.0 98.0 93.6 84.0 103.4 83.5 94.5 89.0 89.5 81.5 96.3 89.1 98.5 102.0 86.6

B 12.9 14.9 14.2 16.0 14.1 15.7 12.6 13.0 14.0 14.5 14.0 13.4 14.2 14.5 16.4 16.0 13.4

T 5.9 5.8 5.7 6.2 5.2 8.3 5.9 5.5 5.1 5.7 5.7 6.1 5.4 5.5 6.2 6.3 5.9

D 7.5 8.1 7.1 7.9 6.5 11.3 7.5 7.8 6.3 8.0 7.3 7.6 6.8 6.8 7.9 7.9 7.5

DW T 4233 4260 3852 5324 4080 4470 4675 3889 3506 3726 3914 3500 3660 3560 5280 5495 4165

AÑO 1969 1981 1982 1979 1974 1991 1967 1981 1974 1980 1982 1974 1980 1976 1980 1983 1982

VOL. 4544 4104 3802 6000 4741 5050 5000 4312 3355 3778 3802 3801 3841 3738 5550 5385 4861

VEL. 12 14 13 13 13 13 13 12 14 12 13 11 13 11 13 13 12

BHP 4320 3900 2450 4000 2500 3200 4350 1950 2800 2400 2450 2400 2250 3600 3450 3300 1950

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.

B = f ( L),

T = f ( D)

D = f ( B) , T = f ( L) D = f ( L) , T = f ( B) 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 Página 20

El Proyecto del Buque 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.

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El Proyecto del Buque

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: o 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. o Para la disposición y cubicación de tanques y espacios de carga. o Para el cálculo de las curvas hidrostáticas, determinación del trimado y estudio de la estabilidad. o Para la determinación de algún valor necesario para el cálculo de pesos, centro de gravedad o estimación de costes. o Para en inicio de los ensayos en canal. El diseño de formas se enfrentará a la consecución de diferentes objetivos: o o o o o o o o o o

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 Figura 3: o o o

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.

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Figura 3. Esquema del proceso de diseño de formas.

Definición de los Parámetros de Formas Su definición inicial se ha llevado 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, Cb, Cp, Cm, Cwp y Xcc.

Definición de las Formas Existen tres procedimientos para llevar a cabo el trazado de las formas del buque: o o o

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: o

transformaciones geométricas simples disponibles en programas CAD

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El Proyecto del Buque o

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: o o o o

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 Cp, manteniendo constantes las dimensiones principales => Cambio en el resto de los coeficientes de forma Modificación de Cb, manteniendo constantes Cm 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: o o o

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, CP, ...). 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