Tipos de Proa y Esfuerzos en Buques: Guía de Construcción Naval

Tipos de Proa

Proa Lanzada

Proa típica en pesca, ya que corta las olas aportando mayor resistencia hidrodinámica y mejorando el comportamiento del buque con empujes adicionales en temporales. Se denomina lanzamiento a la distancia entre la proa en la línea de flotación y la proa de la eslora. Se suele combinar con la proa de bulbo para ganar hidrodinámica y reducir la resistencia al avance del buque.

Proa Recta

Proa típica en barcos de pasaje con travesías entre puertos cercanos, ya que es eficaz solamente en velocidades bajas, porque en altas crea olas que lastran y son contraproducentes. Destaca su uso a finales del siglo XIX y XX. Si se combina con la proa lanzada en la obra muerta es de gran interés en buques pesqueros puesto que, jugando con el lastre, se combina la cantidad de obra muerta y la de obra viva. Dependiendo de qué características se busquen, deberán jugar si se lastra más o menos el buque.

Proa Trawler

Proa con mucha obra muerta siendo útil en mares borrascosos, debido a que mantiene la cubierta seca. No suelen tener cabeceos bruscos, pero a menos que el buque tenga mucha manga es inestable, con lo que existe mayor riesgo de volcar. Es muy utilizado en buques de pesca de altura y gran altura. Suelen conseguir grandes velocidades y tienen maniobras bruscas al virar. Se suele combinar con la proa de bulbo, consiguiendo reducir el consumo de combustible, pero en caso de que la velocidad no sea la adecuada puede ser contraproducente.

Proa de Violín

También denominada proa Atlántica, proa de yate o proa de clipper. Muy utilizada desde el siglo XIX hasta la Segunda Guerra Mundial, sobre todo en transatlánticos y cruceros. Destaca por tener una forma en V fina y con gran lanzamiento, también por su buena hidrodinámica en altas velocidades, ya que corta las olas minimizando el impacto violento de estas. En mala mar se hunde mucho, reduciendo su obra muerta, llegando a hundirse la proa.

Proa de Bulbo

El bulbo tiene como objetivo crear una onda, con la misma amplitud y longitud de onda, pero con un desfase, respecto a la ola con la que impacta, anulando una con la otra. Se estima que la resistencia hidrodinámica puede llegar a disminuir un 15%, ya que en condiciones ideales las ondas se anularían completamente y, si no, por lo menos, se reducirían. El bulbo es hueco por dentro y el agua es forzada a fluir a lo largo de él. El bulbo creará una onda con una longitud de onda proporcional a la velocidad que tenga, conocido como velocidad del casco. Por ello el bulbo se diseña para una velocidad concreta, la denominada velocidad de contrato, ya que si no puede llegar a ser contraproducente.

Proa de Maier

También denominado proa de cuchara, ya que tiene una forma cóncava. Su origen está inspirado en los antiguos veleros. Destaca por reducir la fricción generada por las olas, pero pierde capacidad de carga por su forma en V abierta y profunda. Su roda suele tener una inclinación de 45º reduciendo la superficie mojada. Se utiliza en veleros y embarcaciones de recreo, pero destaca especialmente en los rompehielos, ya que gracias a su proa especial acabada en cuchilla llega a subirse a los bloques de hielo y con su gran tonelaje los rompe; en estos casos el casco se refuerza con planchas de metal para que no se rompa con los continuos impactos que reciben. Asimismo, hoy en día se les suele implantar un sistema de inyección de burbujas de aire, por el cual lanza 24 metros cúbicos por segundo de vapor desde una profundidad de 9 metros facilitando la rotura del hielo, reduciendo la fricción del casco con el hielo y, por ende, la resistencia sufrida. En los buques mercantes con rutas polares también se suele instalar este sistema mediante tuberías en el casco.

Proa Invertida

Esta proa es un diseño novedoso que está revolucionando la construcción naval. Sus creadores lo recomiendan para la mala mar, ya que mejora la maniobrabilidad del buque por el mejor comportamiento durante mares muy gruesos. Además, consiguen mayores velocidades en general y en condiciones de mar gruesa gracias a una menor resistencia al arrastre, debido a que tiene una entrada suave en las olas. Asimismo, el consumo de combustible, los ruidos y vibraciones se reducen, a la vez que mejora la seguridad y confort de la tripulación.

Esfuerzos en el Buque

Esfuerzos Longitudinales

Cuando un buque navega, gracias al principio de Arquímedes sabemos que el buque no solo sufrirá la fuerza del peso, sino que también la del empuje que será igual al peso del volumen del agua desplazada. Asimismo, al navegar entre olas su estructura atravesará los valles y crestas de las mismas y al asemejar el buque a conjuntos de prismas rectangulares estos no se podrán mover libremente, ya que si un prisma se mueve moverá a los de al lado, así se crearán tensiones y sufrirá fuerzas de compresión y de tracción creando momentos flectores a lo largo del casco del buque, siendo los máximos en el centro, y los esfuerzos cortantes a aproximadamente un cuarto de cada extremo del buque. Los esfuerzos longitudinales que predominan se denominan arrufo y quebranto y al repetir estos movimientos por fatiga se puede llegar a cascar el casco. El arrufo se dará cuando las crestas de las olas estén en popa y proa y el valle en la mitad y el quebranto al contrario, estos también se podrán dar según la estiba y la repartición de pesos. Por eso podemos determinar que las principales causas de estos esfuerzos son las olas por un lado y la mala estiba por otro. Por eso mismo, para evitar estos esfuerzos de más hay que planear una buena estiba con una distribución de cargas homogénea.

Esfuerzos Transversales

Los esfuerzos transversales que sufre el buque son dados a la presión hidrostática y a los esfuerzos de inercia o racking. La primera se sufre en la obra viva del buque intentando deformar el buque, a ella se le oponen las estructuras transversales y el forro del casco, la cual se opondrá a lo largo de toda la eslora del buque. El segundo en cambio se sufre en la obra muerta del buque a causa de una inclinación del buque por culpa de un impacto de las olas, por lo cual no coincide con el eje neutro del buque. A estos esfuerzos debidos a la inercia se opondrán en especial las partes laterales del casco en especial la traca de cinta, la cual recibe especial atención en las sociedades de clasificación. La resistencia interna de la estructura del buque será gracias a los baos y cuadernas del buque y en especial a los que une ambos, esto es, las consolas margen.

Esfuerzos Locales

Los esfuerzos locales son los esfuerzos que sufre el buque en zonas muy limitadas debidos a cargas internas o externas. En las internas destacan aquellas producidas por los pesos de las máquinas, calderas, mástiles o superestructuras. En las externas en cambio pueden ser debidos a muchos factores, destacan la presión sufrida en caso de varada en el fondo del casco o entrada de dique, los impactos sufridos por el cabeceo sobre todo en caso de mala mar y rumbos próximos o opuestos al perfil de la olas y con velocidad excesiva, esto puede llegar a crear severos esfuerzos locales, que deben ser absorbidos por el mamparo de colisión de proa.

Materiales de Construcción Naval

Acero Naval

El acero naval es un acero dulce que reúne características de resistencia y económicas que lo harán ideales para la construcción de buques, además solamente es usada para la construcción de buques. Este proviene de una aleación de hierro y carbono. En la superestructura del buque se utilizan aleaciones más ligeras para la economía del peso y estabilidad por eso la más utilizada es el aluminio. Para la estructura del buque las sociedades de clasificación exigen unos requisitos de características mínimas para el acero naval, especialmente de ductilidad y tenacidad, para que la actividad del comercio marítimo se pueda dar con seguridad, por ello también se controlan los procesos metalmecánicos. Las características de este tipo de acero pueden variar según sus composiciones químicas, por ende, las sociedades de clasificación clasifica este material en 5 tipos: A, B, C, D y E, siendo el tipo A el acero dulce normal, el B algo más resistente que el A, el C algo más resistente que el B y así respectivamente. Los primeros tres tipos no son eficaces a bajas temperaturas ya que se convierten en muy frágiles, en cambio los de tipo D llegan a soportar temperaturas de hasta 0ºC y los de tipo E los de -10ºC. En caso de necesitar aceros navales de mayor resistencia en zonas concretas para evitar mayores espesores del mismo tipo de acero se juega con las combinaciones de los diferentes tipos de aceros. Asimismo, existen aceros de alta resistencia a la tracción (AH, BH, CH, DH, EH) para zonas concretas, en especial en buques de grandes esloras. Estos necesitan menos espesor que los dulces, por tanto usan un menor volumen de soldadura. Se utilizan más que nada para evitar entallados. De igual modo al reducir la cantidad de acero, se reduce el peso de la estructura del buque y se puede llegar a cargar más.

Conformado del Acero

El acero puede ser tratado de diferentes maneras. El laminado será el proceso de deformación a través de introducir la pletina en dos rodillos que giran. Así, reduciendo su espesor y llegando a alterar su composición interna por compresión. Los aceros laminados, tienen una carga de rotura de 41 a 50Kg/mm2, un límite elástico igual o de más de 22,4Kg/mm2 y un alargamiento del 22%. Los buques de hoy en día se construyen mediante los trenes de laminación. Este proceso puede ser hecho en frío o en caliente. En caso de hacerlo en caliente se pasa el tocho al rojo por los cilindros del laminador en sucesivas pasadas, aproximando los cilindros en cada pasada más. Así se puede llegar a gran variedad de formas, el acero en caliente se contrae al enfriarse haciendo que su tamaño y forma final sean diferentes, en este proceso se consigue una buena ductilidad pero es más caro. En caso de hacerlo en frío el proceso es más barato, pero no es posible realizar ciertas formas. Asimismo, las formas conseguidas no varían, con este proceso aumenta la resistencia y dureza del acero y disminuye su ductilidad, por lo que hay que someterlo al recocido. En el forjado se comprime mediante dos dados opuestos, se puede hacer en caliente o en frío. Gracias a este proceso se gana tenacidad y gana en dureza. El fundido, en cambio, nos dará características superiores al forjado, en especial una mayor resistencia a la corrosión, por ello se utiliza en los núcleos del codaste y timón, talones de codaste, soportes del timón, anclas, escobenes y ha sustituido el forjado por completo menos en la elaboración de piezas pequeñas. El acero se funde en moldes de arena y se da un recocido a 900ºC para que se endurezca y no sea tan frágil. Se le deben dejar sobrantes para después poder hacer ajustes. Después de ser tratados se pueden conseguir diferentes formatos de suministro de aceros. La plancha será el material básico rectangular usados para el forro, las cubiertas, la tapa de doble fondo y los mamparos. La barra es la prismática usada en la roda y codaste teniendo una relación ancho/espesor menor que en la plancha. La llanta será el perfil plano usado en trabajos de soldadura (concretos y refuerzos), a través de ellos se forman los perfiles compuestos, usados para reforzar los bordes de las aberturas, en caso de que tenga una altura menor de 60mm se le denomina pletina. El medio redondo es una barra redonda cortada por la mitad, siendo una cara plana y otra redonda, se suele utilizar para soldar en el exterior del forro en zonas de fricción y en el bulbo y finos de proa y popa. Los angulares se utilizan para unir y reforzar elementos en ángulos rectos, es un refuerzo de pequeño escantillón. También, pueden ser angulares de lados desiguales. Los perfiles de bulbo son muy usados en las estructuras soldadas, y en longitudinales de fondo, costado y cubierta. Para finalizar los perfiles también pueden ser en T, siendo este un perfil de gran dimensión, si este se suelda invertido forma una sección en H con la plancha que refuerza.

Aluminio

El aluminio se utiliza aleado con magnesio, silicio y manganeso para mejorar sus propiedades, por encima de la cubierta superior en sitios específicos, en general para construir superestructuras y casetas, para disminuir pesos.

Ensayos de Materiales

Ensayos Estáticos y Dinámicos

Los ensayos estáticos son aquellos en los que la velocidad del mismo no es decisiva en los resultados como es el caso de los ensayos de tracción, plegado y dureza. En cambio en los ensayos dinámicos la velocidad sí llega a influir como en los de resiliencia y fatiga.

Ensayo de Tracción

En el ensayo de tracción una probeta de forma y dimensiones normalizadas es sometida a una carga de tracción en dirección axial progresivamente creciente con lo que se estira hasta conseguir su rotura. Se le denominará estricción a lo que adelgaza la probeta. Para llevar a cabo el ensayo insertamos un extremo de la probeta en una parte fija de la máquina y la otra en un carro móvil, ambos extremos siendo trincados mediante dados y mordazas. Antes de insertarlo deberemos de marcar en la probeta los puntos A y B a 70 y 200 milímetros para que después del ensayo se pueda medir el alargamiento y la estricción de la probeta. Los resultados del experimento se pueden expresar en un gráfico donde se pueden delimitar los siguientes puntos y zonas:

Ensayo de Plegado

Este ensayo consiste en doblar la probeta prismática de manera que tenga sus extremos paralelos, de ese modo observar si se generan grietas, fisuras u otros defectos o no. La máquina consistirá de una parte fija y otra móvil, el punzón que doblará la probeta con un radio específico relacionado con la carga de rotura, los rodillos con una distancia regulable entre sí y la probeta que queremos probar.

Ensayo de Dureza

Se denomina dureza a la resistencia ejercida por un material a ser penetrado. Esta propiedad está relacionada con la carga de rotura. Existen varios tipos de ensayos para esta propiedad según y con que se ejecuta, siendo el más famoso el ensayo de Brinell. En este ensayo tendremos una bola de acero que intentará penetrar en el material probado, dejando una huella; si la huella es pequeña el material será duro, si es grande el material será blando. El ensayo de Brinell se ejecuta de la siguiente manera: se ejerce una fuerza durante un tiempo determinado con una bola de acero, luego se mide el diámetro de la huella que haya dejado en el material. La escala de Brinell por su parte nos brinda un valor de dureza en Kp/mm2 de manera normalizada de la siguiente manera: HB (hardness brinell) + diámetro de la bola en milímetros + fuerza ejercida en kp + tiempo de la prueba en segundos. Ejemplo: 10HB 10 30 00 30 2.

Ensayo de Resiliencia

La resiliencia se define como la capacidad de un material de absorber energía elástica cuando es deformado, esto es la facilidad o resistencia que opone un material a la rotura. Se puede medir mediante el ensayo de Charpy que clasifica los materiales por su comportamiento en la fatiga instantánea, esto es, en un solo golpe y por tanto su resistencia a la entalla. El ensayo consta de un martillo pendular que golpeará nuestra probeta a medir. El martillo tiene una escala que cuando no hay obstáculos por el camino estará en 0, pero cuando le ponemos la probeta en medio este será golpeado y absorberá cierta cantidad de energía, que será la que se nos expone en la escala, que a su vez será la resistencia que opone el material al romperse. Esta propiedad cambia de valor dependiendo de la temperatura del material, por lo que habrá que tenerlo en cuenta. La probeta tiene que ser normalizada con unas medidas específicas, que son las siguientes:

Ensayo de Fatiga

La fatiga es el fenómeno que provoca la fractura de un material que es sometido a esfuerzos repetidos de forma cíclica mediante cargas dinámicas, es decir, se encuentra sometido a esfuerzos cambiantes y fluctuantes. La rotura se produce más fácilmente que con cargas estáticas. En construcción naval esta propiedad nos es de especial interés por los esfuerzos longitudinales cíclicos de arrufo y quebranto. La generación de grietas se puede clasificar en tres diferentes fases: la iniciación, cuando a partir de un defecto, debido a la concentración de tensiones que se crea en dicho defecto empieza a generarse una grieta; la propagación, donde bajo la cíclica aplicación de tensiones la grieta aumenta lentamente y el factor de concentración de tensiones también va aumentando; y para finalizar la rotura catastrófica, donde la grieta ha alcanzado un tamaño eruptivo que el nivel de concentración de tensiones supera el punto crítico y se propaga catastróficamente.