Calculo Estructural del Buque: Capítulo 15. Forro Exterior del Casco.

Forros de pantoque.

A lo largo de la eslora del buque, el ancho y el espesor de las tracas de la quilla se mantiene constante donde van colocadas las planchas que forman la quilla. Su espesor nunca será menor que aquel donde se forman las juntas de fondo.

Las tracas de pantoque tienen su mayor espesor cerca de un 40 % de la eslora del buque alrededor de la medianía del buque, donde los esfuerzos flectores son mayores. Por lo tanto, los forros del pantoque tienden a adelgazar su espesor hacia los raseles del buque, aparte de los requerimientos de incremento de espesores hacia las regiones de impactos.

Forros de los costados.

Así como en los forros de fondo, los mayores espesores de los forros de los costados verticales se mantienen en un 40 % de la medianía de la eslora, y luego se adelgazan en la medida de las normas, hacia los raseles, en los extremos del buque. El espesor puede verse incrementado en regiones donde ocurren grandes esfuerzos cortantes, usualmente hacia los mamparos transversales en un buque que tenga permitido transportar cargas pesadas con algunas bodegas vacías. También hay incrementos de espesor en las conexiones de las cuadernas de popa, en cualquier soporte de ejes, cojinetes y en el sentido de “Hawse Pipes” donde se dan roces considerables. Además, el incremento del espesor de las planchas puede encontrarse en las “Pating Region”, como se discutirá más adelante en esta entrega.

Figura 1. Planchas del forro

A la traca superior, adyacente a la cubierta de esfuerzos (o cubierta resistente) se le conoce como ‘traca de arrufo’, traca de moldura o traca de trancanil. Como la traca de arrufo está a gran distancia del eje neutral, tiene un mayor espesor que las otras tracas de costado. También, estando en una región sometida a grandes esfuerzos, es necesario evitar accesorios soldados a las tracas de arrufo, o recortes que puedan aumentar los esfuerzos. El borde superior se dota de un perfil suavizado, y no se permite, a lo largo de la medianía del buque, la soldadura que una la borda con el borde de la traca. También están prohibidos, en grandes buques, los imbornales sobre la cubierta a lo largo de tales segmentos y a los extremos de la superestructura. La conexión entre las tracas de arrufo y la cubierta de esfuerzos puede presentar problemas donde el planchado sea pesado. Ésto normalmente ocurre en la sección de medianía en el caso, en los grandes tanqueros y graneleros. En cuyos casos se emplea la soldadura a tope para establecer las conexiones, en lugar de los cordones de en las conexiones perpendiculares de los forros de arrufo verticales y las planchas horizontales en el sentido de la eslora, de la cubierta de esfuerzos, por ser este último tipo de soldadura menos satisfactoria. El radio de los trancaniles redondeados debe ser el adecuado (no menor que 15 veces su espesor) y cualquier defensa o canaleta soldada debe mantenerse alejada de las planchas redondeadas, si es posible.

En los extremos del buque es necesaria una transición suave desde las defensas redondeadas hacia las angulosas uniones de los trancaniles.

Todas las aperturas en los costados verticales tienen bordes redondeados, y las aperturas de las entradas de mar, etc., deben quedar tan apartados como sea posible del radio de los pantoques. Cuando ello no es posible, las aperturas o las inmediaciones de los pantoques se les dotan de formas elípticas.

Grados de los aceros para forros

En grandes buques es necesario emplazar tracas de un acero con un mayor índice de ductilidad para las regiones de más altos esfuerzos. En la tabla 1 se muestran algunos detalles de los requerimientos de Lloyd para aceros dulces y sobre el 40% de la eslora del buque en la zona de medianía. Las Regulaciones también requieren planchados más gruesos para los miembros estructurales a los que se refiere la tabla 1 fuera de la región de medianía, para tener un mayor índice de ductilidad.

Tabla 1: Guía de detalles para aceros dulces de acuerdo con requerimientos de Lloyd

Estructura del buque.

El forro de pantoque debe ser transversal y longitudinalmente ‘Armado’. El armado longitudinal es preferente en buques de gran eslora, generalmente cuando esta excede los 120 m. La estructura de los costados puede también ser transversal o longitudinalmente armada, siendo el armado transversal adoptado en muchos buques convencionales de carga, particularmente cuando se requiere la máxima capacidad de balas de carga (optimización de los espacios de carga). La capacidad de balas de carga se ve considerablemente reducida donde los transversales son colocados para soportar las estructuras longitudinales. El armado de estructuras longitudinales se adopta generalmente en espacios de doblefondo y es común en ‘tolvas’ (cartabones; referidas a los refuerzos diagonales que unen aquellos transversales de fondo con los de los costados verticales) y cartelas o esfuerzos diagonales (conexión entre el costado y la cubierta) de la obra muerta en buques graneleros. En buques graneleros de pequeño porte y casco sencillo, encontramos refuerzos transversales, en los forros de costados verticales, entre la tolva y las cartelas altas o esfuerzos longitudinales altos. Ver figura 7.

Estructuras transversales.

En buques de carga general, las estructuras transversales consisten en cuadernas maestras y varengas, con cartelas en la unión con la cubierta así como en el fondo, y unas cuadernas más ligeras de los entrepuentes a la cubierta, con cartelas en el extremo con esta última solamente (ver figura 2).

Figura 2. Forro de costado y elementos estructurales transversales

Los escantillones de las cuadernas maestras dependen primeramente de su posición, espaciado y profundidad, y en algunos casos, de la rigidez de los extremos de las conexiones. En el caso de tanques, tales como los de combustible o de carga, las cuadernas serán incrementadas, excepto donde los palmejares estén dentro del tanque. También se someterá a un incremento de los escantillones donde la estructura esté soportando el extremo del bao y aquellas en el sentido transversal de la cubierta donde esta esté reforzada longitudinalmente.

Las bulárcamas, que consisten en vigas angulares y planchas planas, y que son considerablemente más profundas que las cuadernas transversales convencionales, son generalmente introducidas a lo largo de los costados (ver figura 3(a)). Algunos son emplazados en los espacios centrales de las maquinarias, generalmente con no más de 5 espacios de separación pero se puede omitir si se incrementan las dimensiones de las bulárcamas. A proa del mamparo de colisión, así como en cualquier tanque de fondo adyacente a dicho mamparo, y en los entrepuentes encima de tales tanques, se requieren bulárcamas a no más de 5 claros de cuadernas. En los entrepuentes sobre el tanque rasel de popa (After peak tank), se requieren bulárcamas cada cuatro claros de cuadernas a popa del mamparo de popa. En todos los casos, se proveerá de bulárcamas como medida para incrementar la rigidez de la sección transversal en dicho punto.

Figura 3. Bulárcama y consolas de costado y fondo

Estructuras longitudinales.

Si los palmejares de los forros de los costados no están dotados de bulbo en sus perfiles, por lo general serán utilizados escantillonados de mayor sección en la parte baja de los forros de costados. Debe mantenerse una continuidad directa de fuerza, y muchos de los detalles son similares a aquellos ilustrados para los longitudinales de los tanques.

Las bulárcamas son colocadas para soportar los palmejares de los costados, que deben estar espaciados a no más de 3,8m de separación, en buques de 100m de eslora o menos, siendo permitidos los incrementos de espacios en buques mayores. En los raseles, el espaciado es de 2,5 m para buques menores de 100m de eslora, incrementando proporcionalmente a espaciados de 3,5 m donde la eslora exceda los 300 m.

Los buques mayores, obligados a ser construidos con doble casco, están longitudinalmente armados en sus costados con cuadernas alineadas con las varengas en el doblefondo para asegurar la continuidad de la resistencia estructural transversal. Entre las caras internas y externas de la plancha se colocan láminas horizontales perforadas, para soportar las cuadernas (ver figuras 8 y 9).

Cartelas angulares.

El extremo bajo de la cuaderna puede estar unida a la cubierta del fondo o a la esquina de la bodega o de la tolva, por medio de una cartela (o cartabón) reforzada o enfaldillada en el borde, tal como se ilustra en la figura 3(b).

Reforzamiento local del planchado

La mayor región en la cual los forros son objetos de esfuerzos locales en el mar, es la proa. El reforzamiento del fondo en la zona de proa para soportar los embates de los golpes de mar, es tratado en el capítulo 16. Los impactos, tal como se discuten en el capítulo 8 también influencian los requerimientos de escantillonado y reforzamiento de la amura y el rasel de proa y, en menor medida, el de popa. En cuanto a buques que navegan en zonas de hielo, puede asignárseles una clasificación especial dependiendo del tipo y severidad del hielo encontrado (ver capítulo 4) y, esta clasificación, implica reforzamientos de las amuras y raseles de proa en la región de la línea de flotación.

Refuerzos adicionales para soportar el estrés a proa.

La estructura de proa se refuerza con refuerzos adicionales, siendo las cuadernas soportadas por alguno o varios de los siguientes componentes:

(a) Palmejares espaciados verticalmente cerca de 2m, soportados por puntales o baos alternados con las cuadernas. Estos ‘baos de impacto’ se conectan a las cuadernas mediante cartelas o cartabones y, si son largos, pueden estar soportados en la línea de crujía por un mamparo de balance. Las cuadernas intermedias están unidas a las tracas mediante cartelas (ver Figura 4).

(b) Palmejares espaciados verticalmente cerca de 2m y soportados por bulárcamas.

(c) Planchas perforadas, espaciadas no más de 2,5m. Siendo el área de las perforaciones no más del 10% del área total de la plancha.

A popa del rasel de proa, en la parte baja de las bodegas o de las sentinas, las vagras de los finos de proa se alinean con cada refuerzo vertical o con cada plancha perforada en el rasel, extendiéndose hacia popa sobre un 15% de la eslora desde la proa. Estas vagras se pueden omitir si se incrementa el espesor de las planchas en un 15% para buques de 150 m de eslora o menos, decreciendo linealmente hasta un 5% de incremento en el espesor para buques de 215 m de eslora o más. En cualquier caso, donde la eslora no reforzada exceda de 9m, las vagras alineadas alternativamente con los refuerzos verticales o las cartelas en el rasel serán emplazadas sobre el 20% de la eslora del buque desde la proa, sea o no incrementado el espesor de la planchada. Las vagras usualmente toman la forma de un bao con el borde en forma de llanta.

En los espacios de los entrepuentes en un 15% de la eslora del buque desde la proa, los ‘baos de impacto’ intermedios están emplazados donde la eslora no reforzada por refuerzos verticales de los costados exceda 2,6m en los entrepuentes más bajos o 3 m en los entrepuentes superiores. Alternativamente, el espesor de la planchada puede ser incrementado como se explicó arriba.

En los espacios del rasel de popa y en los bajos entrepuentes sobre el rasel, se requieren disposiciones similares de la estructura para el cuadernaje transversal, excepto que el espaciado vertical de las estructuras puede llegar hasta 2,5 m.

Si el rasel de proa tiene estructuras longitudinales y los tanques verticales exceden los 10m, las cuadernas transversales que soportan los longitudinales, han de ser soportados por planchas perforadas o una disposición de baos o refuerzos transversales.

Figura 4. Arreglo del forro de proa

Reforzamientos para navegación en hielo.

Sin un buque va a ser asignado para anotaciones de características especiales para la navegación en aguas con hielo, en su primer año (ver capítulo 4) el reforzamiento adicional requerido envuelve primeramente un incremento del espesor de las planchas de los forros y del escantillonado en la región a la altura de la línea de flotación y del fondo hacia la proa, y puede requerir algunas modificaciones y puede requerir algunas modificaciones y reforzamientos en la roda, a popa, en la pala del timón y sistema de gobierno, etc.

La franja principal que conforma el cintón (fender) de defensa del hielo es definida como aquella que se extiende sobre la línea de flotación en aguas con hielo (normalmente la línea del calado de verano) y por debajo de la línea de calado en lastre en aguas con hielo (el menor calado en el que el buque navega en aguas con hielo). La extensión de esta zona depende de la clase asignada para navegar en aguas con hielo.

El espesor del casco en esta zona es mayor que en un buque convencional, e incrementa con la clase para la severidad del hielo, y en sentido de popa a proa. Para condiciones de hielo más severas, el espesor del casco también aumenta bajo el cintón de defensa para aguas con hielo, por al menos 40% de la eslora desde proa.

La cuaderna maestra y las cuadernas intermedias de escantillonado más pesado están dispuestas en el sentido del cintón de defensa. Donde el forro esté reforzado en sentido longitudinal, se emplazarán longitudinales de espesor sobremedido en el sentido del cintón. El requerimiento del escantillonado para ambos sentidos de los refuerzos, longitudinal y transversal, dependen de la severidad de la clase para Hielo asignada y, de la distancia de la pieza desde proa. El cuadernaje para buques rompehielos está soportado por cartelas y cubiertas y, los esfuerzos longitudinales, por bulárcamas, cuyo escantillonado incrementa su espesor según su clase acorde a la severidad de hielo y la distancia desde la proa.

Las especificaciones adicionales para buques rompehielos y asignaciones de especificaciones características para navegación en hielos de diferentes edades y, los requerimientos asociados para planchadas y cuadernajes a proa y a popa son demasiado extensas para ser cubiertos de forma adecuada en este texto.

Quilla de balance

La mayoría de los buques están dotados de cierta forma de quilla de balance, cuya primera función es ayudar a minimizar el movimiento de rolido del buque. Otras ventajas, en relación, menores, son la protección de la sentina en caso de varada, y el incremento longitudinal de la resistencia longitudinal en la zona de la sentina.

La disminución de rolido que proporciona la quilla de balance es relativamente pequeña pero efectiva, y virtualmente sin costos tras la construcción del buque. Está cuidadosamente posicionado en el buque para evitar excesivo incremento en el calado cuando el buque esté navegando; y para lograr un mínimo calado, se someten a prueba varias posiciones del quilla de balance en el modelo de prueba usado para predecir los requerimientos de fuerza. Esta quilla de balance, por lo tanto, DISCURRE generalmente alrededor de la medianía del casco, a menudo tendiendo más a popa que a proa de la medianía y siendo virtualmente perpendicular a la curvatura de la sentina.

Hay muchas formas de quilla de balance, y algunos arreglos muy elaborados han sido adoptados en un intento de mejorar el rendimiento en los bandazos del rolido, a la vez que la reducción de cualquier arrastre. Es necesario tener cuidado en el diseño de la quilla de balance, pues aunque no se considera un miembro estructural del casco, la región de su fijación está muy sometida al estrés (esfuerzos de fatiga) debido a su distancia al eje neutro del casco. Las grietas se han originado en la quilla y propagado por la traca de pantoque, causando fallas en la estructura principal. En general quillas de balance son conectadas a una barra continua de tierra con las ‘soldaduras a tope’ en el forro exterior, quilla de barra de tierra y de achique escalonada (ver Figura 5). Se evitarán la conexión directa entre las soldaduras a tope de barras de tierra y la traca de pantoque y, las soldaduras a tope de la quilla de balance y la barra de tierra. En los buques de más de 65 m de longitud, se taladran agujeros en los cordones de soldadura de la quilla de balance, como se muestra en la Figura 5.

El espesor de la barra de tierra es al menos el de la traca de pantoque ó 14 mm, cualquiera que sea la menor de las dos mencionadas, y el grado del material es el mismo que el de la traca de pantoque. La conexión de la barra de tierra al casco se hace mediante continuas soldaduras en ángulo y la quilla de balance está conectada a la barra de tierra por una ligera soldadura continua o intermitente escalonada. La última soldadura ligera asegura la unión en este punto de la junta de la quilla de balance sin que se produzcan daños en la traca de pantoque.

Las quillas de balance son gradualmente ahusadas, es decir, en forma de huso, (al menos 3 a 1) en sus extremos y terminan en forma de un elemento de refuerzo interno.

Figura 5. Quilla del pantoque o de balance.

Otras lecturas:

“Normas comunes estructurales de los buques graneleros”, publicado por la IACS.

Algunos sitios web útiles: www.iacs.org.uk. Copia de "reglas estructurales comunes aplicables a los buques graneleros de la IACS” disponible en este sitio web.