Estabilidad del Buque II: Cargamento de Granos

Aspectos generales de la carga

Limitaciones de diseño
Todos los buques están diseñados con limitaciones de diseño impuestas sobre su operatividad para asegurar el mantenimiento de su integridad estructural. Por lo tanto, exceder esas limitaciones puede resultar en una sobre exigencia a la estructura del buque lo que puede llevar a una falla catastrófica.

El manual de carga aprobado para el buque provee una descripción de las condiciones operacionales de carga sobre las cuales se ha basado el diseño de la estructura del casco. El Instrumento de carga provee los medios para calcular los esfuerzos de corte y los momentos flexores, en cualquier condición de carga o lastre, y estima estos valores con los valores límites establecidos por el diseño.

La estructura del buque está diseñada para soportar las cargas estáticas y dinámicas que podrá experimentar el buque a lo largo de su vida de servicio.

Las cargas que actúan en la estructura del casco de un buque cuando este se halla flotando en aguas calmas son las denominadas cargas estáticas.

Las mismas son impuestas por:

• Peso propio del buque
• Peso de la carga

• Peso del combustible y otras cargas consumibles

• Peso del lastre
• Presión hidrostática

Las cargas dinámicas son aquellas cuyas cargas adicionales son ejercidas en el casco del buque a través de la acción de las olas y de los efectos resultantes del propio movimiento del buque (por ejemplo: fuerzas de aceleración, cabeceo, etc.)

La sobrecarga de una bodega puede aumentar los esfuerzos estáticos en la estructura del buque y reducir la capacidad de la misma para soportar las cargas dinámicas en condiciones adversas.

Distribución de la carga a lo largo del buque:

Los Bulk Carriers están diseñados y aprobados para transportar una variedad de cargas. La distribución a lo largo del buque tiene una influencia directa en los esfuerzos tanto de torsión como flexor que sufrirá el casco y en los esfuerzos en partes localizadas de la estructura.

Las distribuciones de carga más comúnmente adoptadas son:
• Condición de carga en bodegas homogéneas
• Condición de carga en bodegas alternadas
• Condición de carga en bodegas en bloque
• Condición de carga en bodegas en partes

Condición de carga en Bodegas Homogéneas

Una condición de carga homogénea se refiera al transporte de carga uniformemente distribuida en todas las bodegas. Esta distribución, en general, está permitida para todos los Bulk Carriers y usualmente es adoptada para el transporte de cargas de baja densidad, tales como el carbón y los granos. Sin embargo, las cargas de alta densidad pueden llevarse de manera homogénea si así lo permiten las condiciones de diseño del buque.

Condición de carga en Bodegas Alternadas
Las cargas pesadas, tales como el mineral de hierro, usualmente se transportan en bodegas alternadas. Es común para los “Bulk Carriers” de grandes dimensiones el estibar la carga de alta densidad en un número impar de bodegas, con las restantes permaneciendo vacías. Este tipo de distribución de carga logrará elevar el centro de gravedad del buque, lo cual aminora el rolido del mismo. Cuando la carga de alta densidad es estibada en bodegas alternadas, el peso de la carga transportada en cada bodega es aproximadamente el doble de cuando es transportada en la condición homogénea. Para soportar la estiba de cargas pesadas en las bodegas, la estructura locas necesita estar especialmente diseñada y reforzada. Es importante notar que las bodegas que permanecerán vacías con esta distribución de carga, no han sido reforzadas para el transporte de cargas pesadas en una condición no homogénea.

Los buques que no se encuentren reconocidos por su sociedad de clasificación para el transporte de cargas pesadas en bodegas alternadas no deberán adoptar esta distribución de la carga.

Condiciones de carga en Bodegas en Bloque y en Partes:
Una condición de carga en bloque se refiere a la estiba de la carga en bloques de dos o más bodegas adyacentes. En muchos casos, la carga en bloques de bodegas es adoptada cuando el buque se halla parcialmente cargado. Las condiciones de carga en partes y en bloques no son usualmente descriptas en el manual de carga del buque a menos que estas sean especialmente requeridas para ser consideradas en el diseño del buque. Cuando se adopta una condición de carga de bodegas en parte, para evitar sobre esforzar la estructura, es necesario darle una consideración especial al monto de carga que se transportará en cada bodega.

Cuando un buque está parcialmente cargado, la carga transportada es menor que la capacidad del buque cuando se halla completamente cargado.

El peso de la carga en cada bodega debe ser adecuadamente soportado el empuje hidrostático que actúa en el fondo del casco. Una reducción en el calado del buque causaría una reducción en el mencionado empuje. Por lo tanto cuando un buque está parcialmente cargado con un calado reducido, puede ser necesario reducir el monto de carga transportada en cada bodega.

Para permitir que la carga pueda transportarse en bloques, las estructuras de cubierta y del doble fondo necesitan estar especialmente diseñadas y reforzadas. La carga en bloques resulta en un mayor esfuerzo de la estructura localizada.

Las condiciones de carga de bodegas en bloque y en partes deberán solo ser adoptadas en cualquiera de las siguientes situaciones:

• Las distribuciones de carga están descriptas en el manual de carga del buque. En este caso la estructura del buque ha sido aprobada para transportar carga en una condición de carga específicamente descripta en el manual y deberá ser adherida.

• El buque está provisto con un set de criterios de carga local, los cuales definen el límite máximo de carga.

Información que se debe poseer a bordo como guía para la carga.

Manual de Carga
Es un requerimiento estatutario de la ILLC (International Load Line Convention).
Es un documento esencial para la planificación de las operaciones de carga, estiba y descarga.

Este manual describe:
• Las condiciones de carga en las cuales el diseño del buque está basado, incluyendo los límites permitidos para los esfuerzos de corte y los momentos flexores.
• La carga local permitida en la estructura
• Los límites operacionales

El manual de carga de un buque es un documento específico, los datos que en él están contenidos son solo aplicables para el buque para el cual han sido aprobados.

Instrumento de Carga
El instrumento de carga es una herramienta de cálculo invaluable que asiste al oficial encargado de la carga en:
• Planificar y controlar las operaciones de carga y lastre.
• Calcular rápidamente las fuerzas de corte y los momentos flexores.
• Identificar que los límites estructurales impuestos no sean excedidos.

Es importante notar que el instrumento de carga no es un substituto para el manual de carga cuando se planifican o controlan las operaciones de carga.

Un instrumento de carga o una computadora de carga pueden ser tanto un sistema analógico como digital. Los instrumentos de carga modernos consisten en software aprobado que se instala en la PC a bordo del buque.

El manual de operaciones es una parte esencial del instrumento de carga, por ello debe ser siempre llevado a bordo. Los oficiales de cubierta del buque deben estar familiarizados con la operación del instrumento de carga que se utiliza a bordo.

Publicaciones de la OMI relativas a la carga a granel y a los buques graneleros que deben ser llevadas a bordo.

• BC CODE: Bulk Cargoes Code, es el código de cargas a granel. Las prácticas contenidas en este código son recomendaciones a los gobiernos, operadores de buques y capitanes. Su objetivo es alcanzar un método internacional para manejar los peligros que conlleva el transporte de carga a granel.

El código destaca los peligros asociados con el transporte de ciertos tipos de cargas a granel; guía en varios procedimientos que deben ser adoptados; aconseja sobre cómo manejar estas cargas, determina las características de las propiedades de la carga, etc.

• BLU CODE: Code of Practice for the Safe Loading and Unloading of Bulk Carriers, es un código para la práctica segura de la carga y descarga de los buques graneleros. Este código les provee a los capitanes de los Bulk Carriers, a los operadores de las terminales y a otros interesados en el manejo seguro de las operaciones de carga y descarga de cargas sólidas a granel.

• GC: International Code for the Safe Carriage of Grain in Bulk, es un código para el transporte seguro de granos a granel. Este código está diseñado para prevenir que las cualidades particulares del grano amenazan la estabilidad de los buques cuando el mismo es transportado a granel.

Problemas Potenciales

• Desviación de los límites de carga dados por el manual de carga.
• Carga en condiciones de aguas poco profundas
• Altas tasas de carga

Distribución Asimétrica de la Carga y del Lastre

Se recomienda que la carga de alta densidad sea estibada uniformemente a lo largo del espacio de carga y que sea nivelada para disminuir el riesgo de daños a la estructura en condiciones adversas de navegación.
La distribución de la carga en una bodega, y la del agua de lastre, tienen una importante influencia en los esfuerzos resultantes en la estructura del casco. El doble fondo y la estructura de la cubierta están diseñados en base a un ajuste de la carga de manera simétrica en el espacio de la bodega.

Cuando una carga pesada es vertida en un espacio el final de una bodega de carga, la presión lateral de la carga actuará sobre el mamparo, resultando en grandes presiones que deberá soportar el mismo.

Distribución asimétrica de la carga en una bodega:
Cuando el mismo patrón de carga es adoptado para la bodega adyacente, la presión lateral que actúa sobre el mamparo se deberá cancelar en su mayoría. Sin embargo, en esta situación, una proporción mayor de las fuerzas verticales en el doble fondo es transferida al mamparo estanco entre las dos bodegas, lo cual podría ocasionar torsiones en la estructura del mismo.

La carga siempre deberá se estibada de manera simétrica en dirección longitudinal.
Distribución asimétrica longitudinal de la carga en dos bodegas adyacentes.
Estibar la carga de manera asimétrica sobre la línea central del buque induce cargas de torsión a la estructura, lo cual puede generar torsiones en el caso.
Distribución asimétrica transversal de la carga en una bodega:
• El agua de lastre deberá transportarse siempre de manera simétrica en los tanques de babor y estribor con niveles iguales de llenado.

• El lastre y deslastre de los tanques de ambas bandas deberá efectuarse de manera simultánea para que la cantidad de agua restante en cada tanque corresponda con la de su par opuesto.

• La distribución asimétrica del agua de lastre induce efectos de torsión, los cuales puede ocasionar torceduras en la estructura del casco.

Cálculos relativos a la estabilidad de los buques que transportan granos.

Figura 1: Movimiento volumétrico escorante.

Movimiento del centro de gravedad del buque debido al corrimiento de granos.

Compartimento lleno (full) α = 15º

Nivel más alto del grano.

Compartimiento parcialmente lleno (Slack) α = 25º

El grano no llega al nivel más alto.

ggt = dt = 2/3 m – ½ m = m/6

ggv = dv = 1/3 2h – h/2 = h/6

Peso de la cuña del grano = e*m*h*γ

GGt = p*dt/D;

GtGV = p*dv/D

dt= distancia transversal del traslado de la carga

dv= distancia vertical del traslado de la carga
m= manga de la bodega
h= mitad de la altura de la cuña de grano
p= peso de la cuña de grano
e= eslora de la bodega
δ= densidad del grano
GGt= movimiento transversal del cg del buque
GtGv= movimiento vertical del centro de gravedad del buque

Momento Volumétrico escorante:
1º volumen = e * m * h
2º Momento Volumétrico escorante = e *m* h* dt

Ángulo de reposo

Si dejamos caer verticalmente un chorro continuo de grano sobre una superficie horizontal, veremos que el grano toma la forma de un cono, con la base en la superficie considerada. Si añadimos más trigo en la vertical del vértice del cono formado, corre el trigo a lo largo de las generatrices, aumentando su base y su altura, permaneciendo constante (para una misma clase de grano o mineral) el ángulo agudo formado por la base y la generatriz recibe el nombre de ángulo de reposo (ver figura 2).

Figura 2: Ángulos de reposo

Angulo de reposo de los granos.

Trigo 23°

Avena 21°

Cebada 45° - 48°

Linaza 21°

Soya 22°

Centeno 32°

Avena 21°

Arroz 20°

Información sobre la estabilidad del buque y la carga de grano

Se facilitará al capitán un folleto impreso con información que le permita cerciorarse de que el buque cumple con lo prescrito en el presente Código cuando realice viajes internacionales con grano a granel. Dicha información incluirá la enumerada en los puntos siguientes.

Antes se debe citar A. Bonilla de la Corte (1979).

Según lo establecido en el Capítulo VI del Convenio, el buque por efecto de grano, no debe escorarse más allá de 5°, y por otra parte, experiencias efectuadas, han llevado a estimar que el ángulo de inclinación que puede tomar la superficie del grano, si se le da un valor de 12°, se trabaja con bastante margen de seguridad en el cálculo de la altura del metacéntrica;... (pág. 432)

La información que deberá ser aceptable a juicio de la Administración o de un Gobierno Contratante en nombre de la Administración, incluirá:

Las características del buque;
El desplazamiento en rosca y la distancia vertical desde la intersección de la línea base de trazado y la sección media al centro de gravedad (altura kg);
Tabla de correcciones por superficie libre de los líquidos;
Las capacidades y los centros de gravedad;
curva o tabla de ángulos de inundación, si son inferiores a 40°, para todos los desplazamientos permisibles;
curvas o tablas de las características hidrostáticas, adecuadas para la gama de calados operacionales; y
las curvas transversales de estabilidad que se precisan para cumplir con lo prescrito en prescripciones sobre estabilidad, incluidas las correspondientes a 12 ° y a 40°

La información que deberá ser aprobada por la Administración o por un Gobierno Contratante en nombre de la Administración, incluirá:

· Curvas o tablas de volúmenes, ordenadas de los centros de volumen y momentos volumétricos escorante supuestos para cada compartimiento lleno o parcialmente lleno, o combinación de éstos, incluidos los efectos de accesorios temporales;

· Tablas o curvas de los momentos escorante máximos admisibles correspondientes a distintos desplazamientos y ordenadas del centro de gravedad que permitan al capitán demostrar que se cumple con lo prescrito en a en CG; esta prescripción se aplicará únicamente a los buques cuya quilla haya sido colocada en la fecha de entrada en vigor del presente código o posteriormente;

· Detalles de los escantillones de todos los accesorios temporales y, cuando sea preciso, de las medidas necesarias para cumplir con lo prescrito en prescripciones de estabilidad, estabilidad aplicable a buques existentes y a buques sin documentación de autorización;

· Instrucciones de carga en forma de notas que resuman las prescripciones del presente código;

· un ejemplo resuelto que sirva de modelo al capitán; y

· condiciones típicas de carga de salida y de llegada y, cuando sea preciso, condiciones intermedias de servicio más desfavorables.

Prescripciones sobre estabilidad

Todo buque que transporte grano a granel cumplirá, durante todo el viaje, con los criterios mínimos de estabilidad sin avería que se indican a continuación, tras haber tenido en cuenta los momentos escorante debidos al corrimiento del grano, tal como se indica en la parte B del Código Internacional para el Transporte sin Riesgo de Grano a Granel y en la figura 2:

· el ángulo de escora debido al corrimiento de grano no excederá de 12° o, en el caso de los buques construidos el 1 de enero de 1994 o posteriormente, del ángulo de inmersión del borde de la cubierta, si éste es menor;

· en el diagrama de estabilidad estática, el área neta o residual comprendida entre la curva de brazos escorante y la de brazos adrizante hasta el ángulo de escora en que sea máxima la diferencia entre las ordenadas de ambas curvas, o un ángulo de 40° , o el ángulo de inundación (θ₁), el que de éstos sea menor, no será inferior en ninguna condición de carga a 0,075 m.rad; y

· la altura metacéntrica inicial, después de tener en cuenta los efectos de superficie libre de los líquidos contenidos en los tanques, no será inferior a 0,30 m.

Antes de cargar grano a granel el capitán deberá demostrar, si así lo exige el Gobierno Contratante del país en que se halle el puerto de carga, que el buque puede cumplir en todas las etapas del viaje los criterios de estabilidad prescritos en la presente sección.

Después de embarcar la carga, el capitán se cerciorará de que el buque está adrizado antes de hacerse a la mar.

Figura 3: Momento adrizante y momento escorante

Donde:

A₄₀ = 0,80 x λ₀;

Factor de estiba = volumen por unidad de peso de la carga de grano;

Desplazamiento = peso del buque, combustible, agua potable, pertrechos, etc., y carga.

La curva de brazos adrizante se deducirá de un número de curvas transversales de estabilidad suficiente para definirla con precisión, incluidas las correspondientes a 12° y 40°.

Escora producida al moverse el grano 12°.

Las Normas Complementarias para la aplicación del «Convenio Internacional para Seguridad de la Vida Humana en el Mar», de 1960, exigen que para cualquier disposición que se adopte en la estiba del cargamento de grano, el buque no puede adquirir una escora superior a 5° durante todo el viaje. Se calcula esta escora, corrigiendo el GM, sólo para superficies libres de líquidos. Supuesto el grano asentado en el 2 % de su volumen, y con una inclinación de 12°, veamos cómo puede calcularse la escora producida en el buque en este caso particular, de moverse el grano 12° en los alimentadores.

El ángulo de escora producido por el traslado del peso de pe de la cuña de grano, desde g_l a g₂ la distancia transversal d_t, y prescindiendo del pequeño efecto producido por la traslación d_v, será:

tanq = P_c . d_t/D . GM_c

p_e= peso de la cuña aoc de grano.

d_t = distancia transversal entre g₁ y g₂

GM_e = G_yM = la altura metacéntrica corregida por todas las superficies líquidas = GM_c = G_vM= GM- Σi.δ/D

De la figura 1 copiamos la cuña de grano y le asignamos las siguientes nomenclaturas:

Figura 4: Movimiento de grano en el alimentador

Seguidamente calculamos los valores de P_c y d_t, que entran en el numerador de la fórmula.

Vamos a suponer:

P_c = peso del grano del prisma triangular formado en el alimentador cuya sección es aoc en la figura 4.

e = longitud del prisma que es igual a la eslora del alimentador.

δ = densidad del grano.

Luego:

Obsérvese que el valor de la expresión entre paréntesis es el área del triángulo aoc (fig. 4), la cual, al multiplicar por la eslora e (del alimentador), se obtiene el volumen de la cuña de grano de 12° en el alimentador, por último, el volumen de esta expresión dentro del paréntesis, al multiplicar por la densidad, se obtiene el peso de la cuña del grano P_e:

Efectuando operaciones resulta:

P_c = 1/8 m² . e . d . tan12°

Prescindiendo de dv y sustituyendo los valore correspondientes a m/2 y asumiendo la misma

eslora para todos los alimentadores.

tanθ = e . m³/56,4 . FE . D . GM_c

Cálculos relativos a la estabilidad y calados, en los buques que transportan granos.

Un buque con un cargamento completo de grano, de FE = 47 pies³/Tm a la salida de puerto.

Tal como indican las páginas de carga, las distancias de G’ a la perpendicular de popa, y a la base proporcionan el momento longitudinal y vertical. El cargamento y sus momentos, sumados con el buque vacío y su momento, se obtiene el desplazamiento y el momento total longitudinal y vertical.

La estabilidad se halló, tal como se indica, entrando con D en las hidrostáticas, tomando en estas curvas el KM. Teniendo en cuenta la altura KG, se halla el GM correspondiente. Aplicando finalmente la corrección por líquidos y la corrección por granos se obtiene el GMc. Luego se calculan los brazos GZ, partiendo de las curvas cruzadas y corregidas de KG_c.senθ; una vez hallados se representan gráficamente en la curva de estabilidad estática.

El asiento se halló partiendo de la flotación paralela a la base cuyo desplazamiento fuese el de la condición de carga. En las hidrostáticas se halló la distancia desde C a la perpendicular de popa = 331,69 pies. Por el momento longitudinal ele los pesos se halló la distancia de G a la misma perpendicular = 331,31 pies. La diferencia da el brazo CG_L = 0,38 pies, el cual, multiplicado por el desplazamiento 36.860,00 se obtiene el momento longitudinal del par 14.007 Tm/pies. Este momento dividido por el momento unitario del asiento (aquí expresado en toneladas por pie de asiento) se obtiene el asiento = 0,27 pies.

Una vez conocido el asiento total A_i, hallaremos A_pry A_pp así:

En las hidrostáticas se halla P_ppF, o posición de F, siendo d_pp = P_ppF y d_pr = E - P_ppF, de donde:

que aplicadas al calado paralelo a la base correspondiente al desplazamiento D, se obtienen los calados finales.

Disminución de la altura metacéntrica, debido al corrimiento del grano.

Se determina la disminución de la altura metacéntrica transversal, debida al movimiento del grano (ya sea en el alimentador, en toda la superficie de la bodega o en los buques acondicionados para los transportes de grano «bull carrier»), condicionándola a estas dos circunstancias: 1ª Que el grano se ha movido 12°. 2ª Que la escora alcanzada por el buque en aquella situación es siempre menor de 5° (por haber tomado ya las precauciones precisas lastrando el buque o variando la posición de la carga para no sobrepasar dicha escora). Precisamente en esta circunstancia se diferencian los granos de los líquidos: el movimiento del líquido es igual a la escora, mientras que el movimiento del grano es 12°, Y la escora del buque es como máximo 5°. (Así lo supondremos siempre, para mayor seguridad, aunque fuese menor.)

Figura 5: Traslado del c. de g. del grano y del buque al moverse el grano en un alimentador.

Traslado del c. de g. del grano y del buque al moverse el grano en un alimentador.

La corrección en los alimentadores y ·bodegas tendrá la misma fórmula, que es aplicable a todas las superficies libres de grano.

Análogamente a las superficies liquidas, al trasladarse el peso de la cuña pe de g₁ a g₂ (véase la fig. 5), el c. de g. g del peso total del grano p_g de la bodega y alimentador se traslada a g'_t, que, para efectos de estabilidad, es lo mismo que trasladarse a g_vsiendo el ángulo del grano 12° y el ángulo en g_v= 5°.

Resultando:

gg’_t = P_c . d_t/P_g

de donde: gg’_t = gg’_v . tan 5°

Sustituyendo los valores, finalmente se obtiene la siguiente expresión:

GG_c = GG_v = e m³. d / 5 D

En función del factor de estiba FE será: