Se indican brevemente los aspectos más importantes para guía del usuario, en cada uno de los módulos.
Arqueo
En el libro de la Ref.3, publicado por la Asociación de Ingenieros Navales (Ref.4), se incluyen métodos aproximados para calcular los arqueos bruto y neto de un buque, ya que estos cálculos son muy laboriosos si se pretende calcular valores exactos, lo que, por otra parte, se exige cuando se construye un buque. Pero en muchos casos nos puede interesar, y ser suficiente, un valor aproximado de los arqueos y por ello es conveniente disponer de métodos aproximados. Los métodos indicados en el libro mencionado pueden todavía ser excesivamente complejos, e incluso incluyen un programa informático que entre otros muchos cálculos realiza el de los arqueos. Por ello, a continuación, indico unos métodos más sencillos, que sólo requieren la utilización de una simple calculadora.
a) Arqueo bruto GT
Se calcula por la fórmula del Reglamento de arqueo calculando aproximadamente el volumen de los espacios cerrados a partir de las dimensiones principales del buque.
b) Arqueo neto NT
Se calcula por la fórmula del Reglamento estimando aprox. el parámetro volumen de carga.
c) Arqueo bruto compensado CGT
Se calcula por la fórmula siguiente, en función del GT, antes definido, y dos coeficientes
CGT = a * GTb
Los coeficientes a y b están definidos por la OCDE en la Ref.2, de la que se han copiado los aplicables a los tipos de buque más usuales.
Tipo de buque
Granelero 29 - 0.61
Petrolero 48 - 0.57
Quimiquero 84 - 0.55
P. Productos 48 - 0.57
Carga general 27 - 0.64
Costero 27 - 0.64
Frigorífico 27 - 0.68
Gasero LPG 62 - 0.57
P. Contenedores 19 - 0.68
d) Referencias
Ref.1 International Convention on Tonnage Measurement of Ships, 1969 http://www.admiraltylawguide.com/conven/tonnage1969.html
Ref.2 Compensated Gross Ton (CGT) System
http://www.oecd.org/dataoecd/59/49/37655301.pdf
Ref.3 El Proyecto Básico del Buque Mercante, por R. Alvariño, J.J. Azpíroz, M. Meizoso. Publicado por el Fondo Editorial de la AINE
Ref.4 Asociación de Ingenieros Navales. Fondo Editorial
http://www.ingenierosnavales.com/fein.asp
1) El tipo de buque se utiliza para estimar el volumen de las escotillas.
2) El calado de verano es opcional y se utiliza para calcular el coeficiente de bloque CBD a nivel de la cubierta. Si no se indica, el programa considera un valor de CBD = CB + 0,01.
3) Las definiciones de % curva de arrufo y % arrufo son las siguientes (por omisión ambos valores son nulos). Ambos porcentajes se aplican por igual a las zonas de proa y popa.
% curva de arrufo: Es el porcentaje de la semieslora entre perpendiculares, sobre la que se extiende la curva de arrufo.
% de arrufo: Es el valor del arrufo real en la perpendicular, en porcentaje del arrufo reglamentario.
4) Los valores de los volúmenes de superestructuras y casetas, y de brazolas de escotillas, se estiman aprox..
5) El volumen de carga utilizado para calcular el arqueo neto, se estima a partir de las dimensiones del buque.
Estabilidad de buques de carga
Conceptos y definiciones
Se calcula, en forma aproximada, la altura metacéntrica transversal GM y los brazos de adrizamiento GZ para varios ángulos de escora, así como la estabilidad dinámica, y se dibujan las curvas de estabilidad estática y dinámica.
Recordamos aquí los conceptos básicos referentes a la estabilidad de un buque, que puede considerarse en condición de casco intacto y en condición de casco inundado tras una avería. Solo se contempla en este estudio el buque intacto y únicamente buques de carga general o granel (carguero, petrolero, granelero). No se consideran buques portacontenedores, pesqueros, yates, de pasaje, de guerra, dragas, cargas especiales, etc, ni tampoco criterios de viento y movimientos en la mar. La máxima eslora admisible en este programa es 300 m y la mínima 60 m.
La estabilidad de un buque queda definida por su altura metacéntrica GM, en la condición de equilibrio adrizado, y por el brazo o par de adrizamiento que tiene, a diversos ángulos, cuando sufre un ángulo de escora por cualquier causa. Las autoridades marítimas regulan los valores mínimos que debe tener la GM y los GZs y para comprobar este cumplimiento he considerado las reglas de estabilidad de la OMI (ver Ref.1). Después de calcular y presentar una tabla con el GM y GZs del buque se presenta otra tabla comparando estos valores calculados con los requeridos por OMI.
Solamente se pide al usuario que defina necesariamente 5 dimensiones y el tipo de buque, entre carguero, granelero y petrolero:
Eslora entre pp
Manga
Puntal a Cta. Superior
Calado de diseño (Td)
Coeficiente de bloque
Además el usuario puede definir opcionalmente estas otras características, pero si no lo hace el programa las estimará adoptando valores medios normales para el tipo y tamaño del buque (Ref.2). Estos datos opcionales se señalan con un * y en celdas de color gris. Debe tenerse muy en cuenta que estos valores estimados por el programa no son muy fiables por lo que siempre deben usarse, si es posible, valores deducidos de experiencia o cálculos propios basados en la realidad del proyecto en estudio.
Coeficiente de la flotación al calado Td
Otro calado adicional, inferior al de diseño
Peso en rosca del buque
Altura KGr del c. de gravedad del buque en rosca
Altura KGc del c. de gravedad de los espacios de carga
Peso de los consumibles
Porcentaje de los consumibles en tanques de D. Fondo
Longitud de las superestructuras en % de Lpp
El programa calcula la estabilidad suponiendo que todos los espacios de carga están llenos totalmente (carga homogénea), cualquiera que sea el calado del buque, sin cubertada. El valor de la altura metacéntrica GM y de los brazos GZ de adrizamiento se calculan por fórmulas explicadas en el libro de Ref. 2, Cap. 3.9. Los brazos son válidos, aunque aproximados, dentro de los siguientes límites: C. Bloque entre 0,52 y 0,80, Manga/Calado entre 2 y 4,50, Puntal/Calado entre 1,30 y 2,20.
En el caso de petroleros la altura metacéntrica se corrige por efecto de la superficie libre en todos los tanques de carga, suponiendo que existe doble casco y un mamparo longitudinal si el Peso Muerto es menor de 50.000 Tm y 2 mamparos si es mayor. Como se supone que los tanques están llenos no se corrigen los brazos GZ por efecto de superficies libres. En todos los buques se aplica una corrección del GM por efecto de la superficie libre en los tanques de consumo.
Resultados
En la primera tabla de resultados se indican para el calado de diseño y para el calado adicional (llamado actual), los valores en metros de la altura metacéntrica y de los brazos de adrizamiento GZ para escoras de 5, 10, 15, 30, 45 y 60 grados. En la segunda tabla se comparan los valores calculados para el buque, referentes al calado actual, con los requeridos por OMI, que son estos:
Altura metacéntrica GM (m) > 0.15
Brazo GZ(m) a 30º o mayor > 0.20
Estabilidad Dinámica(metro*radián) a 30º > 0.055
Estabilidad Dinámica(metro*radián) a 40º > 0.090
Estabilidad Dinámica(metro*radián) entre 30º y 40º > 0.030
Referencias
Ref.1 IMO International Code on Intact Stability, 2008 (2008 IS CODE)
Ref.2 El Proyecto Básico del Buque Mercante. R. Alvariño, J.J. Azpiroz, M.Meizoso FEIN 2007
Formas
INTRODUCCION DE DATOS
1) La velocidad en servicio se refiere al calado de verano.
2) El grado U / V se refiere a las secciones transversales de la carena, con un valor de cero para secciones netamente en U y un valor 1 para secciones marcadamente en V, con valores intermedios para secciones entre U y V. Por defecto el programa toma un valor de 0,5. Teclee un valor de 0,01 si desea simular un valor de 0.
3) La constante K de Alexander es la de la fórmula (3.4.1) del libro. El valor por omisión es el deducido de la Fig. 3.4.1
SALIDA DE RESULTADOS
Se muestran los resultados siguientes en dos tablas:
1) Coeficiente de bloque CB según las fórmulas de Alexander, Townsin, Katsoulis, Schneekluth y el valor medio de todos ellos. La fórmula de Schneekluth es válida para No. de Froude entre 0,14 y 0,32.
2) Coeficiente de la sección media CM se calcula con las fórmulas de Kerlen y HSVA y la media de ambos.
3) Coeficiente de la flotación CWP según las fórmulas de Schneekluth y J. Torroja y la media de ambos.
4) Número de Froude y V/LPP1/2 (LPP en pies).
5) Constante K de Alexander.
6) Abscisa del centro de carena XB recomendable según la fórmula de L.Troost (3.4.19) si CB es menor de 0,76 y según MARIN (3.4.20) si es mayor.
8) Superficie mojada con apéndices, hasta el calado de verano, según Holtrop & Menen (fórmula (3.5.10), a la que se han añadido los apéndices.
9) Semiángulo de la flotación de verano, según la fórmula (3.4.22).
10) Longitud del cuerpo cilíndrico, según fórmula (3.4.21).
Francobordo
INTRODUCCION DE DATOS
1) El calado es opcional, y se utiliza solamente para estimar el coeficiente de bloque CB85 al 85 % del puntal a partir del CB al calado de verano, que debe necesariamente indicarse. Si el usuario no indica el calado, se considera CB85 = CB + 0,01.
2) La longitud del castillo, ó de la toldilla, puede indicarse en metros o como fracción de la LPP (l / LPP). Si el valor introducido es menor de la unidad, el programa interpreta que se ha introducido l / LPP, y en caso contrario metros.
3) Las definiciones de % curva de arrufo y % arrufo se indican en el capítulo sobre Arqueo de esta Ayuda. Por omisión ambos valores son nulos. Los dos porcentajes se aplican a las zonas de proa y popa.
SALIDA DE RESULTADOS
1) Aparecen los resultados de francobordo y calado en metros, para los tipos de francobordo A, B, B-60, y con cubertada de madera, todo ello con independencia de que sean o no aplicables según el tipo de buque.
2) Se indica la corrección del calado para la línea de agua dulce, y la altura mínima requerida en proa, según la Regla 39.
Maniobrabilidad
El cálculo de la maniobrabilidad y de la parada es una de las tareas importantes que se deben realizar en la etapa de diseño preliminar de un buque, en la que no se precisa mucha exactitud y donde es conveniente poder realizar cálculos rápidos, aunque sean aproximados. En este apartado presento un formulario para introducir las dimensiones principales de un buque mercante a partir de las cuales el programa calcula, en forma aproximada, los parámetros básicos de la maniobrabilidad y de la parada, como son los diámetros de giro y táctico, las distancias de avance y transferencia, los ángulos de rebasamiento y el recorrido del buque en la maniobra de "todo atrás" ("crash stop"). No es aplicable a remolcadores ni buques especiales.
Definiciones
Recordamos aquí los conceptos básicos referentes a la maniobrabilidad de un buque y a la parada (stopping).
Avance (advance): La distancia recorrida en dirección del rumbo original por el centro del buque desde la posición en que se da la orden de meter timón hasta la posición que alcanza dicho centro cuando el rumbo se ha modificado en 90º.
Transferencia (transfer): La distancia recorrida en dirección perpendicular al rumbo original por el centro del buque desde la posición en que se da la orden de timón hasta la posición que alcanza dicho centro cuando el rumbo se ha modificado en 90º.
Diámetro táctico (tactical diameter): La distancia recorrida por el centro del buque desde la posición en que se da la orden de timón hasta la posición que alcanza dicho centro cuando el rumbo se ha modificado en 180º respecto del rumbo original. Se mide en dirección perpendicular al rumbo original del buque.
Diámetro de giro (turning diameter): El diámetro del círculo que describe el buque cuando se estabiliza su trayectoria circular en una continuada maniobra de giro por la acción del timón.
Primer ángulo de rebasamiento (overshooting angle): La desviación adicional del rumbo experimentada en la maniobra en zig zag, de 10º o bien de 20º, después de la segunda acción.
Recorrido todo atrás (crash stop stopping reach): La distancia a lo largo de la trayectoria descrita por el centro del buque desde la posición en que se da la orden de atrás hasta la posición en que el buque se para.
En la Ref.1 se indican con mucho detalle e información todos los aspectos de la maniobrabilidad de los buques.
Uso del formulario de cálculo (pinchar con el ratón)
La máxima eslora admisible en este programa es 330 m y la mínima 50 m y se aplica a la situación de calado en carga (señalado como calado de proyecto), sin trimado del buque.
Solamente se pide al usuario que defina necesariamente 5 características del buque:
Eslora entre pp
Manga
Calado de diseño (T)
Coeficiente de bloque a dicho calado
Velocidad en nudos
Además el usuario puede definir opcionalmente estas otras características, pero si no lo hace el programa las estimará adoptando valores medios normales según tamaño y velocidad especificados (Ref.2)
Estos datos opcionales se señalan con un * y en celdas de color gris. Debe tenerse muy en cuenta que estos valores estimados por el programa no son muy fiables por lo que siempre deben usarse, si es posible, valores deducidos de experiencia o cálculos propios basados en la realidad del proyecto en estudio.
Número de hélices propulsoras, 1 ó 2. Por defecto 1
Angulo de timón, en grados. Por defecto 35º
Potencia del motor(es) propulsor(es) (Kw). Por defecto se calcula por el método de Kupras.
Area lateral proyectada del bulbo de proa (m2). Por defecto sin bulbo
Area proyectada del o de la suma de los timones en % del producto (Lpp x T). Por defecto según fórmula 3.6.15 de Ref.2
La parada, se calcula suponiendo que el(os) motor(es) propulsor(es) desarrolla(n) el 35% de su MCR.
Sin embargo el programa limita los siguientes parámetros:
Relación Lpp / B, no mayor de 8 ni menor de 5
Coeficiente de bloque entre 0,5 y 0,9
Angulo de giro del timón: máximo 40º
Area de la proyección lateral del bulbo de proa: maximo 4% del producto Lpp x calado
Area proyectada del timón o conjunto de timones: maximo 4% del producto Eslora pp x calado
Resultados
En la tabla de resultados estos se indican en la columna "Valor" . En la segunda columna "Recom." se indican los valores recomendados por OMI, que son estos:
Diámetro de giro / Lpp, no indica un valor
Diámetro táctico / Lpp, no mayor de 5
Avance / Lpp, no mayor de 4,50
Transferencia / Lpp, no indica un valor
Primer ángulo(º) rebasamiento en la maniobra zig-zag en 10º/10º, no mayor de 10 grados si Lpp/V es <10 y 20 grados si es >30
Primer ángulo(º) rebasamiento en la maniobra zig-zag en 20º/20º, no mayor de 25 grados
Recorrido todo atrás / Lpp con 35% de la potencia MCR del(os) motor(es) propulsor(es), no mayor de 15
Referencias
Ref.1 Design Workbook on Ship Maneuverability. SNAME. Technical R. Bulletin 1-44
Ref.2 El Proyecto Básico del Buque Mercante. R. Alvariño, J.J. Azpiroz, M.Meizoso FEIN 2007
Peso en Rosca
En el formulario se introducen las dimensiones principales de un buque de carga a partir de las cuales el programa calcula, en forma aproximada, el peso y altura del c. de gravedad del buque vacío (en rosca) descompuesto en Acero, Equipo y Maquinaria.
Definiciones
Solamente se pide al usuario que defina necesariamente estas dimensiones y el tipo de buque:
Eslora entre pp
Manga
Puntal a Cta. Superior
Calado de diseño (Td)
Coeficiente de bloque
Potencia MCR del equipo propulsor
En buques frigoríficos se puede, opcionalmente, indicar el volumen del espacio de carga, en pies cúbicos. También es opcional definir coeficientes de experiencia de los 3 componentes del rosca, en base a la información real que pueda tener el proyectista comparada con el resultado obtenido con este método, así como la clase de navegación entre hielos que se asigne al buque, el número de líneas de ejes y el tipo de motor(es) propulsor(es). Los datos opcionales se señalan con un * y en celdas de color gris.
Referencias
Ref.1 El Proyecto Básico del Buque Mercante. R. Alvariño, J.J. Azpiroz, M.Meizoso. FEIN 2007
Ref.2 Ship design for Efficiency and Economy, H. Schneelkuth. Butterworths
Predimensionamiento
Esta estimación está basada en un análisis estadístico y regresiones (Ref.1) de las dimensiones de buques construidos y, en algunos casos, también de proyectos estudiados, que relacionan cada una de las características del buque con un solo parámetro que describe su tamaño (peso muerto, volumen de carga, número de contenedores etc.). Las características resultantes deben, por consiguiente, considerarse como una primera aproximación, que servirá para tener una idea de las características del nuevo proyecto o para servir de base inicial para su definición más detallada mediante los procedimientos habituales de proyecto (Ref.2).
Los tipos de buques considerados son:
Granelero
Petrolero de crudo (doble casco)
Petrolero de productos
Quimiquero
Carguero general
Costero
Frigorífico
Gasero LPG
Portacontenedores
En la lista desplegable inicial "Tipo de buque" se indica para cada uno los límites mínimo y máximo admisibles de la característica objetivo del dimensionamiento, Peso Muerto (Tm), Volumen de Carga (m3), Número total de contenedores de 20 pies (TEU). El límite inferior se expresa en miles (k) y en el caso de los gaseros también el límite superior. Pero en todos los casos la cifra que ha de teclearse (sin punto ni coma) es la de unidades, no en miles).
Los gaseros LPG pueden ser de tipo presurizado o refrigerado. Los portacontenedores entre 3.500 y 4.500 TEUs pueden ser Panamax o no, a elección del usuario.
Referencias:
1- ZunZun.com: Online Curve Fitting and Surface Fitting Web Site
2- El Proyecto Básico del Buque Mercante, por R. Alvariño, J.J. Azpíroz, M. Meizoso. Fondo Editorial de Ingeniería Naval. Colegio de Ingenieros Navales y Oceánicos. 2ª edición Madrid 2007
Propulsión
Pero en los inicios del proyecto sólo se pueden hacer cálculos aproximados para estimar la potencia propulsora, utilizando uno o varios métodos existentes, creados por especialistas en el campo de la hidrodinámica naval y basándose en los resultados de buques reales y ensayos en canal.
Uno de estos métodos es el desarrollado por L.K. Kupras (Ref.1 y Ref.2), que es el que he incluido en esta entrada. También se calcula de forma aproximada el diámetro de la(s) hélice(s) propulsora(s), sin tener en consideración su número de palas.
Es un método muy sencillo, con sólo 6 parámetros de entrada, con unos resultados bastante aproximados para un cálculo inicial.
Este método se aplica a buques de formas normales, en situación de calado en carga, aunque no necesariamente de plena carga, distinguiendo entre una y dos hélices y considerando que el motor puede estar directamente acoplado a la hélice o bien a través de un reductor, lo que se controla por el coeficiente del reductor (Coef. reductora, en el programa) que puede variar entre 1 y 4.
El resultado es la potencia propulsora, en condiciones ideales de pruebas, necesaria para alcanzar la velocidad especificada. Si lo que se maneja en el anteproyecto es la velocidad en condiciones medias de servicio, debe considerarse una velocidad en pruebas de 1 a 1,50 nudos mayor, para tener en cuenta el aumento de resistencia por el ensuciamiento del casco, el estado de la mar y la potencia reducida a la que suele funcionar el motor(es) propulsor(es).
Referencias
Ref.1 - Kupras, L.K. 1980: Optimization method and parametric study in precontacted ship design. Int. Shipbuilding Progress 23, 138–155
Ref.2 - El Proyecto Básico del Buque Mercante, por R. Alvariño, J.J. Azpíroz, M. Meizoso. Fondo Editorial de Ingeniería Naval. Colegio de Ingenieros Navales y Oceánicos. 2ª edición Madrid 2007