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Tema 5 - Estabilidad

1. Importancia de los esfuerzos y la estabilidad Las consideraciones a tener en cuenta en referencia a la estabilidad del buque durante las operaciones de carga y lastre, son de suma importancia ya que si las mismas no son suficientemente estudiadas los resultados pueden ser catastrficos. Por ejemplo;

- Un buque con estabilidad insuficiente puede escorar excesivamente durante las operaciones de carga, ocasionando daos al mismo y a las instalaciones de tierra.

- Un buque con estabilidad insuficiente puede hundirse en caso de mal tiempo o temporal.

- En un barco con estabilidad excesiva la carga puede sufrir corrimientos y existe el riesgo de daos estructurales, debido al balanceo violento. Cualquiera de ambos efectos puede hacer zozobrar al buque.

- Un buque que tiene una estabilidad adecuada al comienzo del viaje puede llegar a ser inestable durante el mismo cuando se hace uso de los combustibles. Esto necesita ser tenido en cuenta cuando se planea la estiba de la carga.

- Un buque que es sometido a esfuerzos y tensiones por excesivos esfuerzos cortantes y momentos flectores puede sufrir daos estructurales. Esto puede ocurrir inmediatamente, pero probablemente ser a ms largo plazo cuando se manifiesten fallos sin la presencia de esfuerzos excesivos.

- El clculo incorrecto de calados puede llevar al buque a varar o prohibrsele la salida en caso de que las marcas de francobordo estn sumergidas.

2. Recordatorio de conceptos de estabilidad

En el diagrama, cuando un buque se inclina por una fuerza externa, la lnea de agua cambia de WL a WL. El centro de carena del buque se mueve desde B a B, de tal manera que BBes paralela a bb, donde b y brepresentan el centro de carena de las secciones emergentes y sumergidas del casco respectivamente.

- Escora: inclinacin del buque debido a fuerzas externas (heel) como la accin del viento, o internas (list) como la producida por un corrimiento de la carga.

- Centro de Gravedad (G): Es el punto a travs del cual se aplica el peso total del buque y todos los pesos a bordo. Puede considerarse que acta verticalmente hacia abajo. Su posicin vertical (VCG o KG) es calculada aritmticamente sumando los momentos sobre la quilla de todos los pesos conocidos y dividiendolos por el desplazamiento del buque. Su posicin horizontal o longitudinal (LCG) es calculada de igual forma pero

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los momentos estn referenciados bien a la perpendicular de popa o bien a la cuaderna maestra.

- Centro de Carena (B): Es el punto a travs del cual se aplica el empuje y puede considerarse que acta verticalmente hacia arriba. Es el centro de gravedad del volumen del buque sumergido y tanto su posicin vertical (KB) como la horizontal (LCB) estn relacionadas para un rango de calados en el manual de estabilidad del buque o caractersticas hidrostticas que pueden ser tablas o curvas.

- Principio de Arqumedes: Establece que cuando un buque flota en el agua, dicho buque desplaza su propio peso de agua. Para permanecer en equilibrio el centro de gravedad debe estar en la misma lnea vertical que el centro de carena.

- El Metacentro (M): Es la interseccin de las lneas verticales a travs de los centros de carena en las posiciones inicial e inclinada. Es una funcin de la forma del buque sumergido. A mayor manga mayor ser el metacentro. Su posicin vertical (KM) y horizontal (LCM) estn relacionadas para un rango de calados en el manual de estabilidad del buque o caractersticas hidrostticas que pueden ser tablas o curvas. El metacentro transversal gobierna la estabilidad transversal y el balanceo del buque. El metacentro longitudinal gobierna la estabilidad longitudinal y el cabeceo del buque.

- Altura Metacntrica (GM): Es la distancia vertical entre el metacentro y el centro de gravedad. Usualmente utilizada como una medida de la estabilidad del buque. Las regulaciones internacionales establecen que un buque solamente puede estar en el mar si su altura metacntrica excede ciertos valores mnimos.

- Estabilidad positiva: Se considera que un buque tiene estabilidad positiva si tiende a recuperar su posicin inicial de equilibrio cuando se encuentra inclinado, es decir, cuando M se encuentra sobre G.

- Estabilidad negativa: Se considera que un buque tiene estabilidad negativa si tiende a escorarse ms an una vez que est inclinado, es decir, cuando G se encuentra sobre M.

- Brazo adrizante (GZ): Es la separacin horizontal de las fuerzas de gravedad y empuje cuando el buque est inclinado. GZ = GM x Sen()

- Momento de estabilidad esttica: Es el momento que acta para recuperar al buque a su posicin de adrizamiento cuando se encuentra inclinado. Es el producto matemtico resultante de la operacin GZ x .

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3. Comportamiento de un buque en el mar

El periodo de balance es el tiempo que emplea el buque en balancearse de un costado a otro y volver de nuevo a la posicin original. Es una funcin dependiente tanto del GM como de la manga del buque. El buque puede tener tablas tabuladas con los periodos de balance correspondientes a diferentes valores de GM. Un buque con un GM grande es llamado rgido (staff), es decir, intentar recuperar su posicin de adrizamiento rpidamente cuando est inclinado. Su periodo de balance es bastante corto. Como consecuencia resulta un balanceo rpido y brusco, quizs muy violento que puede causar corrimientos de la carga o daos estructurales. Un buque con un GM pequeo se denomina blando (tender), es decir, recuperar su posicin de adrizamiento cansinamente cuando est inclinado. Esto se traduce en un balanceo largo y lento que puede facilitar el embarque de un gran volumen de agua en cubierta. Cualquier cambio en el sistema de pesos tienen un marcado efecto y podra afectar a la estabilidad del buque llegando sta incluso a ser inestable.

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Como el Oficial no tiene control sobre la posicin de M, el mayor factor determinante en la estabilidad del buque es la posicin de G. Dicha posicin se puede establecer por la distribucin vertical de la carga y por el contenido de los tanques; - Las acciones de aadir pesos en zonas bajas del buque y eliminar pesos de

las zonas ms altas, producen ambas, un incremento de la estabilidad del buque. Esto ocurre cuando el buque toma consumo durante el viaje o descarga su carga en cubierta en un puerto intermedio.

- Por el contrario, las acciones de aadir pesos en las zonas altas del buque y eliminar pesos de las zonas ms bajas, producen ambas, una disminucin de la estabilidad, por ejemplo consumir combustible de los tanques de consumo durante el viaje.

Esto es especialmente importante en buques portacontenedores los cuales transportan una gran proporcin de su carga en cubierta, pudiendo crear un valor de KG muy grande. Es vital que los pesos de los contenedores en las tongadas ms altas sean eficientemente comprobados de cara a asegurarse que el GM no se reduce por debajo del valor mnimo requerido. Este aspecto tambin se tendr en consideracin en los buques que transporten madera en cubierta, la cual puede absorber humedad de la lluvia y el mar durante el viaje, incrementando por lo tanto el peso en cubierta y por lo tanto el KG resultando en una disminucin de GM. En buques que sea probable tener valores de GM crticos, es esencial que el valor de GM sea conocido y por lo tanto debera ser recalculado regularmente durante las operaciones de carga y lastre.

4. Efecto de cargas pesadas

Cuando un buque usa su propio equipo de manipulacin de la carga para embarcar una carga pesada, la fase crtica ocurre cuando la carga se encuentra suspendida justo sobre el muelle. En esta posicin el centro de gravedad del buque se habr desplazado superiormente desde la quilla, reduciendo la estabilidad del buque y movindose hacia el exterior del eje central produciendo una escora. Estos efectos pueden ser calculados tomando momentos sobre la quilla para encontrar el incremento de G y momentos sobre el eje central para encontrar el movimiento transversal de G.

GG = (w x Gg) / (W + w) GG = (w x gg) / (W + w)

Tan() = GG / GM

Es importante que tales clculos sean hechos de tal manera que el Oficial pueda conocer de antemano el comportamiento del buque. De acuerdo a reducir el efecto adverso en la estabilidad del buque, todos los tanques deberan estar completamente llenos para eliminar el efecto de las superficies libres. En algunos buques puede ser necesario rellenar algunos tanques de doble fondo para asegurarse que el centro de gravedad permanece por debajo del

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metacentro. Debera recordarse que la escora resultante causa un incremento en el calado del buque tal como se muestra en la figura.

Calado final = Manga x Sen () + Calado inicial x Cos()

AC = AB + BC

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5. Efecto de superficies libres

En cualquier momento que un lquido pueda moverse en el interior de un tanque, se produce una disminucin de la estabilidad del buque. Este efecto de superficies libres es causado por los lquidos que se agitan en tanques parcialmente llenos. A ms anchura del tanque, ms grande ser el efecto. Este efecto ocurre independientemente de la posicin del tanque en el buque. Es conveniente referenciar esta prdida de estabilidad como un incremento virtual en el centro de gravedad efectivo y por consiguiente una disminucin virtual en la altura metacntrica GM. Cuando el buque escora, el nivel del lquido en el tanque cambia y su centro de gravedad se mueve de g a g. El centro de gravedad del buque se mueve desde G a G (ntese que GGes paralelo a gg). El nuevo brazo adrizante es GZ, el cual es igual a GZ, por lo que la altura metacntrica efectiva es GM. Es usual referirse a GG como la prdida virtual de estabilidad debido al efecto de superficies libres.

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Mientras es posible calcular el valor de esta reduccin en GM, muchos buques tendrn los valores tabulados para cada tanque en sus manuales de estabilidad. Este es el valor mximo, en la prctica esta cifra es usada en cualquier estado en el que el contenido del tanque est comprendido entre el 5% y el 95% de su capacidad mxima. Es una cifra segura para usar ya que no importa cual sea el nivel actual del lquido en el tanque pues la disminucin en GM nunca ser mayor que esa cifra mxima. Fuera de este rango es normal ignorar el efecto de superficies libres. En otros buques, la correccin por efecto de superficies libres es denominada momento de inercia de superficies libres. Una vez ms, solamente la cifra mxima es la que est tabulada. La suma de estos momentos para todos los tanques parcialmente llenos dividida entre el desplazamiento del buque nos dar la reduccin virtual de GM. El Oficial deber estar familiarizado con el mtodo usado en su propio manual de estabilidad.

6. Efectos de la lucha contraincendios

Una cantidad substancial de agua puede ser bombeada al interior del buque durante las operaciones contraincendios. Esto puede tener un considerable efecto sobre el buque y su estabilidad debido a:

- Cambio del centro de gravedad del buque y cambio asociado de la altura metacntrica.

- Efecto de superficies libres por el agua aadida resultando una disminucin de la estabilidad.

- Incremento del calado del buque - Cambio de asiento y/o escora - Cubiertas sobrecargadas - Sobreesfuerzos en la estructura del buque

Estos efectos variarn segn la cantidad de agua aadida y la posicin y dimensiones de los compartimentos afectados. Cuando se considere las bodegas que van a cargarse, la permeabilidad de la carga tendr que ser tenida en cuenta. Esto es el porcentaje del compartimiento cargado no ocupado por carga slida y por consiguiente, que puede ser ocupado por agua. Tambin se prestar atencin al agua que puede ser absorbida por la carga. El efecto adverso de las superficies libres se reduce si el compartimiento contiene grandes bloques de carga impermeable.

7. Investigacin de escoras

Durante las operaciones de carga y lastre, es normal mantener el buque adrizado. Si el buque experimenta una escora inesperada, el Oficial debe investigar e identificar la causa, la cual puede deberse a las siguientes circunstancias:

- Disposicin de la carga de manera desigual respecto al eje longitudinal.

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- Corrimiento de la carga en un compartimiento en el cual no se est trabajando.

- Bombeo de lastre con caudales diferentes en parejas de tanques en babor y estribor.

- Prdidas en vlvulas de tanques sin uso. - Inundacin de un compartimiento debido a fallos estructurales u otros

accidentes. - Varada del buque en la zona interior del muelle.

Durante el transcurso de las operaciones de carga, particularmente en bulkcarriers, es importante que los estibadores sean informados sobre cualquier escora que no sea debida a la carga ya que ellos pueden corregir dicha escora interaccionando con la carga subsecuentemente cargada. Esto podra dar como resultado que el buque estuviera sujeto a esfuerzos de giro, lo cual puede debilitarlo y en casos extremos dar lugar a fallos estructurales. Algunos buques tienen luces centelleantes en la parte frontal del puente para indicar la escora. La escora se obtiene mediante la lectura del clinmetro. Cuanto mayor sea la longitud del pndulo, ms grande ser la exactitud. Algunos buques construyen su propio instrumento colgando una lnea desde la parte superior de un mamparo transversal y suspendiendo un peso hasta cerca de la cubierta. Una escala graduada obtenida usando simples clculos geomtricos se utilizar para conocer el nmero de grados. De cualquier forma, la manera ms exacta de conocer la escora ser comparando los calados en el medio de las bandas de babor y estribor.

8. Conceptos de resistencia y esfuerzos

Las dimensiones y la configuracin de los componentes de la estructura del buque, determinan su resistencia. El punto de ms preocupacin para el Oficial ser la carga en cada cubierta. Esto se traduce en las toneladas por metro cuadrado y los valores lmite mximos que se establecen en el manual de estabilidad aprobado del buque. El Primer Oficial habr tenido en cuenta estas cifras cuando planee la estiba y debera estar familiarizado con las limitaciones de cara a permanecer alerta respecto a las posibilidades de sobrecargar la estructura del buque si la carga no es estibada exactamente de acuerdo al pre-plan. La resistencia de la estructura del buque proporcionar los valores mximos de esfuerzo que dicho buque es capaz de absorber con seguridad. Las dos fuerzas que hay que tener en cuenta son los llamados esfuerzos cortantes y momentos flectores. Ambos pueden surgir de una irregular distribucin de pesos a lo largo del buque o una desigual flotabilidad en grandes olas. El esfuerzo cortante en cualquier punto de un material es la fuerza que tiende a romperlo a lo largo de toda su longitud y es igual y opuesta a la carga aplicada en ese punto. Se expresa en toneladas.

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El momento flector en cualquier punto de una estructura es el momento total que tiende a alterar la forma de esa estructura y es igual a la suma algebraica de los momentos de todas las cargas que actan entre ese punto y uno de los extremos de la estructura. Los momentos flectores tienden a causar flexiones a lo largo de su eslora produciendo unos efectos llamados arrufo y quebranto. Estos momentos vienen expresados igualmente en toneladas.

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Los esfuerzos cortantes y los momentos flectores son normalmente calculados por el ordenador de carga del buque. De igual manera pueden ser calculados manualmente usando los datos y un formato que puede encontrarse en el manual de estabilidad. Cuando un buque est sujeto a fuerzas desiguales a lo largo de su eslora, el casco adopta la forma de una complicada curva. Es una prctica comn considerar esta forma como una suave y simple curva, en la que el calado en el medio es mucho mayor o menor que el calado medio. Si el calado medio es menor que el calado en el medio, se dice que el buque tiene arrufo (sagging). Esto se produce cuando la mayora de los pesos estn colocados en la mitad del buque. Para la mayora de los buques con acomodacin a popa, esta es la disposicin ms usual. Una vez que el buque se encuentra en sus marcas, si tiene arrufo, el tonelaje obtenido segn su desplazamiento, ser ms bajo debido a que desplaza menos agua en sus extremos de proa y popa. De igual modo, un buque est sometido a arrufo en el mar cuando las crestas de las olas soportan cada extremo del buque, permaneciendo la parte central sobre el seno de las mismas.

Si el calado medio es mayor que el calado en el medio, se dice que el buque tiene quebranto (hogging). Esto se produce cuando la mayora de los pesos estn colocados cerca de los extremos del buque. Una vez que el buque se encuentra en sus marcas, si tiene quebranto, el tonelaje obtenido segn su

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desplazamiento, ser ms alto debido a que desplaza ms agua en sus extremos de proa y popa. Igualmente, un buque est sometido a quebranto en el mar cuando una cresta de una ola soporta la parte central del casco y cada extremo del buque permanece sobre el seno de dos olas.

El grado de quebranto o arrufo est en dependencia de los momentos flectores, aunque no hay una relacin exacta que pueda ser calculada rpidamente a bordo. Una vez que el buque tiene quebranto o arrufo debido a una condicin de carga determinada, puede llevar algn tiempo que el casco adopte esa forma correspondiente a esa tal condicin. Por lo tanto durante operaciones de carga muy rpidas, el quebranto o el arrufo existentes pueden no tener relacin con la condicin presente de carga en un instante dado. No es usual que un buque que navegue de un puerto a otro con una condicin de quebranto o arrufo determinada, llegue a su destino con otra condicin diferente.

9. Ordenadores de carga

Este requerimiento es obligatorio para buques bulkcarriers de ms de 150 mts. de eslora segn el convenio SOLAS XII/11. Si el buque tiene un ordenador que realice los clculos de estabilidad, el Oficial deber estar familiarizado en su manejo y ser eficiente en su operacin. Los datos y la informacin de utilidad que se pueden obtener a travs de estos ordenadores son:

- Presentacin, previa entrada manual, de pesos y volmenes de tanques de carga, lastre, fuel, agua dulce, pertrechos y densidad del agua de mar.

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- Evaluacin del centro de gravedad de compartimientos parcialmente llenos.

- Apreciacin de los efectos de superficies libres. - Resultado de calados, asiento, estabilidad (GM, rea bajo la curva GZ),

etc., esfuerzos cortantes, momentos flectores. - Comparacin de las situaciones en puerto y en la mar. - Utilizacin de condiciones de carga para cotejar con las reales. - Capacidad de guardar y recuperar datos y condiciones de carga. - Prediccin de efectos al rellenar o vaciar tanques de lastre y

compartimientos de carga.

10. Nivelado de cargas a granel En orden a minimizar el riesgo de que las cargas a granel experimenten corrimientos durante condiciones meteorolgicas adversas, el Cdigo de Prcticas de Seguridad para Cargas Slidas a Granel recomienda que todas las cargas a granel sean enrasadas al finalizar las operaciones de carga antes de que el buque salga a la mar. Desafortunadamente esta prctica muchas veces es ignorada y tiene como resultado que el buque desarrolle escorar durante el viaje cuando la carga se aposenta en una banda ms que en la otra, produciendo consecuencias desastrosas.

11. Estudio del pre-plan de carga

En buques grandes, el Primer Oficial habr diseado el plan de carga / descarga para asegurarse que los mximos valores admisibles de esfuerzos cortantes y momentos flectores se encuentran dentro de lo establecido durante todo el tiempo. El Oficial debe asegurarse que las secuencias previstas de las operaciones de carga y lastre son estrictamente seguidas. Si ambas operaciones se desarrollan fuera del plan previsto, el buque puede ser objeto de esfuerzos inaceptables que pueden dar lugar a fallos estructurales. Es esencial que el Oficial de guardia informe inmediatamente al Primer Oficial si detecta que las operaciones no se estn llevando a cabo de acuerdo al plan previsto.

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