EXPERIMENTO DE INCLINACIÓN

Transcripción

1 Humboldt Marine Training EXPERIMENTO DE INCLINACIÓN Preparado por Ing. Boris L. GUERRERO B. Valparaíso, CHILE,

2 INDICE DE MATERIAS Introducción 3 Casos en que se Realiza.. 4 Condiciones que deben cumplirse.. 5 Pesos Móviles.. 8 Plomadas y Tubos U.. 10 Solución Teórica del Experimento 13 Procedimiento para Realizarlo.. 16 Ejemplo de Experimento.. 17 Problema

3 EXPERIMENTO DE INCLINACIÓN. Hemos dicho que una de las principales obligaciones del encargado de operar la estabilidad de la nave (Primer Piloto) es conocer en todo momento la ubicación del centro de gravedad G. También hemos agregado que esto se consigue mediante la resolución del cuadro de carga, el que dará el valor del desplazamiento y las tres coordenadas rectangulares de ese importante punto. Vemos que en el cuadro de carga existe un peso llamado Barco Liviano o Light Ship o Barco en Rosca, indicándose el peso correspondiente y la ubicación tridimensional de su centro de gravedad. Además se indica el valor de la constante y la ubicación tridimensional de su centro de gravedad. Para determinar el valor del Barco Liviano y la ubicación de su centro de gravedad se recurre al Experimento de Inclinación, que es una prueba práctica, sencilla en su parte teórica, aunque con bastantes dificultades al momento de realizarla, como veremos posteriormente. Teóricamente se podría calcular los valores del Barco Liviano mediante cálculos, o sea resolviendo un gran cuadro de carga en que se agreguen todos los pesos que conforman la nave con sus respectivas posiciones tridimensionales, tales como planchas, tuberías, maquinarias, equipos, etc.., pero ello no es aceptado como método habitual, ya que es una infinidad de pesos que participan y no todos se pueden determinar con exactitud, tales como planchas de acero de forma caprichosa, aislamiento térmico, cordones de soldadura, etc Recordamos que Barco Liviano (o Barco en Rosca o Light Ship) es la nave vacía, o sea sin carga, sin lastre, sin combustibles, sin lubricantes, sin víveres ni efectos de los tripulantes, sin agua de bebida, sin herramientas ni repuestos, etc Como recordarán, todos los pesos pequeños se agrupan en la constante. 3

4 OPORTUNIDADES EN QUE DEBE REALIZARSE UN EXPERIMENTO DE INCLINACIÓN: 1.- Luego de la construcción de la nave.- Estando la nave a flote, aunque no esté totalmente terminada, se puede efectuar el experimento de inclinación. El ideal es que tenga la mayor parte de los componentes que constituirán el barco liviano, pero en la realidad siempre existirán diferencias, ya que muchas veces pueden no haber recibido todos los componentes, tales como anclas, winches o maquinaria auxiliar. Además deben incorporarse líquidos en estanques, normalmente petróleo, para darle suficiente estabilidad al barco durante el experimento. Ha sucedido que naves se vuelquen al ser puestas a flote por una inadecuada preparación de su estabilidad. 2.- A la llegada de ciertas naves usadas desde el extranjero.- Muchas veces la Autoridad Marítima exige efectuar un experimento de inclinación y un estudio de estabilidad a naves que se incorporan a la bandera nacional, especialmente a pesqueros usados, los que muchas veces son modificados para aumentar su capacidad de captura. 3.- Luego de realizarse cambios o transformaciones considerables.- Es frecuente que deban realizarse alteraciones a la estructura de la nave, tales como alargamientos de ellas, agregar nuevas cubiertas, repotenciar la propulsión, etc Si la variación de pesos supera el 2% del desplazamiento, se considera que debe realizarse un experimento de inclinación y el correspondiente estudio de estabilidad. Si la transformación incluye cambios de la forma del casco sumergido deberán calcularse nuevas curvas hidrostáticas, curvas cruzadas, manual de estabilidad, nuevos planos, etc 4.- Al existir dudas acerca de la estabilidad de una nave.- A veces se detecta que una nave tiene insuficiente estabilidad, especialmente por sucesivas alteraciones o adiciones de equipos que se van realizando a través del tiempo. En general, todo estudio serio de la estabilidad debe comenzar con un experimento de inclinación. 4

5 CONDICIONES QUE DEBEN CUMPLIRSE: 1.- Deberá realizarse, en lo posible, en dique, a flote y con la compuerta cerrada, o en un sitio de aguas muy quietas. Pequeñas escoras dificultarán la medición del ángulo de inclinación que se producirá. Muchas veces es conveniente realizar el experimento en una hora temprana (6 o 7 AM) lográndose así calma de mar y de viento. 2.- La nave debe estar sin fondear el ancla y con las amarras sueltas, vale decir sin pesos que pudieran alterar la escora. 3.- Los líquidos deben estar apretados (estanques llenos o totalmente vacíos). Debe tomarse sondas con la mayor exactitud. Para conocerse cuál es el peso de los líquidos debe tomarse la densidad de los líquidos contenidos en los estanques. En el caso que algún estanque esté con superficies libres deberá corregirse el efecto de subida virtual que ella produce. Esta es una corrección teórica que se realiza en el cuadro de carga final que se resuelva, en que se agregan los pesos que faltan y los que sobran para llegar a la condición de barco liviano. En el gráfico que se adjunta se muestra que se ha sacado la tapa de un estanque para verificar que está completamente lleno o vacío. Debe considerarse que tomar sonda no siempre es confiable, ya que pueden haber piezas metálicas o roturas del tubo que falseen la lectura. Deberá disponerse de las tablas de sonda para obtener los volúmenes correspondientes, los que darán el peso, en base a la densidad que se tome del líquido. Incluso debe corregirse la sonda debido al asiento (o trim) que tenga la nave. 5

6 4.- Tomar calados con la mayor exactitud (proa, centro y popa). En este caso los calados están marcados en pies, lo cual no es frecuente. Para calcular exactamente el desplazamiento (peso) de la nave deberá medirse la densidad del agua de mar (a una profundidad igual a la mitad del calado) en 3 partes de la eslora (proa, centro y popa), por ambas bandas. También deben medirse los francobordos, por lo menos en 5 puntos entre la proa y la popa, partiendo desde la proa, luego la posición longitudinal en que están las marcas de calado de proa y terminando por la posición longitudinal en que están las marcas de calado a popa. Entre estas dos posiciones se tomarán 3 lecturas más de francobordo, de tal forma que todas sean equidistantes entre ellas. Se marcarán en la borda las posiciones elegidas. Estas lecturas se realizarán por ambas bandas. De los planos de líneas del barco se chequeará que exista correspondencia entre los calados tomados y los francobordos que correspondan a cada posición longitudinal. Es conveniente contar con un bote pequeño para ayudar a la toma de calados y de francobordos. 6

7 Las lecturas de calados y francobordos deben hacerse lo más cercanas en tiempo a las inclinaciones, como sea posible. Una vez que se tengan bien determinados los calados se podrá calcular el desplazamiento de la nave, en base al procedimiento que se indique en el Manual de Estabilidad de la nave (Ship Booklet), vale decir considerando las correcciones: a) Por lectura de calados b) Por deflexión del casco (media de las medias) c) Por asiento de la nave (corrección A ) d) Por forma de la popa (corrección B ) e) Por densidad del agua en que flota el barco. 5.- Tratar de no tener asiento (Trim). Normalmente las curvas de forma de la nave están calculadas para la condición sin asiento o cero trim (even keel). Si el barco tiene asiento, se cometerá un error al calcular la posición vertical del metacentro transversal M. Vimos que el valor de KM se obtiene de las curvas o tablas hidrostáticas. 7

8 6.- Tener el mínimo de pesos a bordo. Todos los pesos no considerados en el barco liviano deberán inventariarse, indicando el peso y sus 3 coordenadas rectangulares (distancia a popa, sobre la quilla y a crujía (center line). Esta etapa es tediosa y toma bastante tiempo y esfuerzo. Es práctico desembarcar pesos relativamente manejables para evitar esta operación (herramientas, repuestos, vajilla, etc ) 7.- Los pesos que puedan moverse deberán estar bien trincados, especialmente los tambores que puedan moverse al inclinarse el barco. La tripulación debe desembarcarse. 8.- Se proveerá un (o varios) peso movible que tenga un valor cercano al 0,5 % del desplazamiento W de la nave. Por ejemplo, si la nave desplaza TM, necesitaremos pesos movibles que sumen unas 75 TM. Indudablemente se puede probar con pesos algo menores, ya que no es fácil conseguir pesos calibrados de ese monto. Normalmente los astilleros cuentan con pesos calibrados que han sido pesados por algún organismo autorizado, como una universidad, Idiem, Cesmec u otro. 8

9 Se muestran pesos calibrados usados por ASMAR (T) en un experimento realizado en su planta industrial de Talcahuano. Debe tomarse la precaución de apoyar los pesos en zonas de la cubierta que estén adecuadamente reforzadas, para evitar su deformación. Para mover los pesos conviene usar una grúa. Si se usa una pluma o grúa de la nave, ella debe ponerse en su posición original antes de medir la escora. En la fotografía se muestra una grúa del astillero moviendo los pesos. 9

10 En el momento que se toman los calados y francobordos los pesos movibles deben encontrase es sus correspondientes posiciones a bordo. Dichas ubicaciones deben marcarse con tiza en cubierta. En todo caso, lo más importante es conseguir una escora que debe ser del orden de 1,5 a 2, en lo posible, aunque se hayan empleado pesos inferiores a lo indicado anteriormente. Deberán evitarse escoras superiores a 4º, ya que podría llegarse a un ángulo en que se mueva el metacentro M, como veremos posteriormente. 9.- Se deberá contar con una (o más) plomada de unos 3 metros de largo (no menos de 2 metros y para buques mayores es deseable llegar a unos 4 a 6 metros de longitud), una reglilla y un balde con aceite de gran viscosidad, para evitar las oscilaciones que pudiera tomar la plomada. Incluso a la plomada suelen soldársele algunas planchas delgadas para aumentar la resistencia hidrodinámica. En naves de más de 100 metros de eslora deberán usarse 2 o 3 plomadas en distintas posiciones de la eslora del barco. 10

11 En vez de plomada se puede usar un tubo U, lo que en opinión del autor es más práctico y conveniente. Debe disponerse de dos reglillas que se fijan verticalmente en la cubierta. Posteriormente se instala el tubo U, que puede ser una simple manguera 11

12 plástica de jardín, lo más transparente que sea posible. En su interior se le introduce agua, a la que se le puede agregar un colorante para hacerla más visible. Estando la nave perfectamente adrizada tomamos lectura de los niveles por medio de las reglillas, debiendo ser iguales las mediciones en ambas bandas de babor y estribor. Luego de efectuada la escora, variarán las lecturas con respecto a las reglillas, ya que las superficies líquidas mantendrán una posición horizontal. Tendremos que la tangente del ángulo de escora será la diferencia de niveles en las reglillas, dividida por la distancia entre las columnas verticales del tubo U. tg ang = Diferencia niveles Distancia entre columnas tubo 10.- Es conveniente contar con la presencia de la Autoridad Marítima, para que el Experimento sea reconocido, para lo cual deberá solicitarse su asistencia con la debida anticipación. Es apropiado pedir que el día anterior al experimento pase una revista a los elementos existentes para asegurar que no habrán inconvenientes durante la prueba. 12

13 ANÁLISIS DEL ASPECTO TEÓRICO Todo se basa en el análisis del movimiento del centro de gravedad G de la nave al trasladarse un peso dentro de él. Consideremos que se mueve un peso w desde una posición g hasta otra posición g1 ubicada en una posición lateral. Al efectuarse la citada traslación tendremos un cambio del valor de los momentos laterales. Dicho cambio será igual al producto del peso movido multiplicado por la distancia lateral movida. O sea: Cambio Mto Lateral = w x gg1 siendo w el peso trasladado gg1 la distancia recorrida por w Este cambio de momento lateral será igual al cambio lateral total que experimentará la nave. Este cambio de momento será el producto del desplazamiento de la nave multiplicada por la distancia que se ha movido el centro de gravedad de la nave, o sea: Cambio Mto Lateral = W x GG1 siendo W el desplazamiento de la nave GG1 el movimiento del centro de gravedad del barco. Igualando los momentos (momento causa con momento efecto ), tendremos: w x gg1 = W x GG1 Esta ecuación permite despejar GG1, que es el movimiento del centro de gravedad de la nave. GG1 = w x gg1 / W 13

14 G G1 W w gg1 Estas expresiones son aplicables para movimientos de pesos laterales, longitudinales y verticales, como también para movimientos oblicuos. En este último caso convendrá descomponer el movimiento oblicuo en sus componentes rectangulares (longitudinal, lateral y vertical), ya que cada una de ellas provoca un efecto diferente en la nave: - El movimiento longitudinal producirá un cambio de calado. - El movimiento lateral producirá un cambio del ángulo de escora - El movimiento vertical aumentará o disminuirá la estabilidad de la nave. Además tenemos que el ángulo de escora que se produce en una nave al moverse lateralmente su centro de gravedad G está dado por la expresión: tg Ang Escora = GG1 GoM 14

15 M Luego, Pero GG1 = GoM x tg Ang Escora GG1 = w x gg1 / W Como dos cantidades iguales a una tercera son iguales entre sí: GoM x tg Ang Escora = w x gg1 / W Es interesante analizar la expresión anterior, ya que: a) El ángulo de escora lo determinamos por observación del movimiento de la plomada (o del tubo U) b) w es el peso que traslada, de un valor conocido c) gg1 es la traslación del peso móvil, que lo medimos con una huincha. d) W es el desplazamiento de la nave, determinado por medio de la observación de los calados de la nave. Vale decir, la única incógnita es la distancia metacéntrica GoM, la que podrá ser fácilmente calculada. Como la posición del metacentro transversal M lo obtenemos de las curvas o tablas hidrostáticas podremos obtener la posición del centro de la gravedad Go de la nave, para la condición de carga existente al momento del experimento de inclinación. KGo = KM GoM 15

16 Vemos que con expresiones matemáticas muy simples más un experimento relativamente sencillo hemos llegado a calcular un dato de extraordinaria importancia para la estabilidad de la nave. Este cálculo se repetirá varias veces para diferentes movimientos de pesos, obteniéndose luego el KGo final como un promedio de los resultados obtenidos. PROCEDIMIENTO. A.- Como se vio previamente, se deberá tener: 1.- El cálculo del desplazamiento 2.- Nave adrizada con los pesos móviles a bordo 3.- Inventario de pesos que no forman parte del barco liviano. 4.- Plomada o tubos U para medir la escora B.- Estando todo listo para el primer movimiento se avisa por parlantes y intercomunicadores para que todos permanezcan atentos en sus puestos y verifiquen que las plomadas están en las posiciones cero de las reglillas. Luego se ordena el primer movimiento de peso móvil. Una vez terminado el movimiento se ordena efectuar la medición de traslación de la plomada con respecto a la reglilla. La lectura deberá ser observada y anotada por los encargados y por el representante de la Autoridad Marítima y/o de la Casa Clasificadora. Vale recordar que en muchos de los casos se deberá tener dos o tres plomadas, según el tamaño de la nave. Si se están empleando varios pesos móviles, la misma operación se repetirá con cada peso, haciéndose las respectivas anotaciones después de cada movimiento. Muchas veces se deshacen los movimientos, anotándose todos los parámetros que correspondan para realizar los cálculos ya descritos. 16

17 Los astilleros preparan formularios con la información necesaria para describir perfectamente el experimento. A continuación se muestra el formato del experimento de inclinación de un petrolero construido en Japón. Puede verse que se incluyen los siguientes datos, entre otros: Nombre Inspector de la Casa Clasificadora, fecha, temperatura y gravedad específica del agua de mar, lugar, temperatura atmosférica, condiciones del clima, ubicación de los tubos U, ubicación de la nave. En el formato que se muestra se calcula el desplazamiento de la nave en base a la lectura de los calados. 17

18 Luego se muestra el movimiento de los pesos y el GoM que se calcula en cada caso. En este experimento se usaron 2 pesos. Se iniciaron los movimientos teniendo ambos pesos en la banda de estribor, realizándose en total 4 mediciones, lo que produjo un GoM promedio de 3,60 metros. Puede apreciarse que se emplearon 2 tubos U. 18

19 Se dijo que durante el experimento la nave no tiene la condición de buque liviano, sino una relativamente cercana a ella. Mediante la solución de un cuadro de carga como el mostrado, se llegará teóricamente a la condición de barco liviano (light ship). Se indican dos grupos de pesos, los que deben restarse (weight to be deducted) y los pesos que deben agregarse (weight to be added). Realizadas las correcciones se llegó a determinar el peso de barco liviano de TM, con su correspondiente ubicación (mid G = 8,38 m, KG = 6,04m) 19

20 Problema: Una barcaza tiene las siguientes medidas: Eslora Manga Puntal Calado 67,30 m 21,20 m 8,35 m 2,38 m 20

21 Se efectúa un Experimento de Inclinación, para lo cual se traslada lateralmente un peso de 3,3 TM una distancia de 18,40 m. Se observa que la plomada de 305 cm útiles se traslada 7 cm con respecto a la reglilla. Determinar la posición vertical del Centro de Gravedad G. Respuesta W = 3.480,6 TM BM = 15,74 m KM = 16,93 m GM = 0,76 m KG = 16,17 m PROBLEMA La M.N. ANTONIA tiene calados a proa, centro y popa de 9,12 m., siendo la gravedad específica del agua de mar 1,025. Se realiza un Experimento de Inclinación, para lo que se traslada un peso de 25,33 TM una distancia lateral de 14,56 m. Se emplea una plomada de 3,67 m, la que se mueve 3,7 cm con respecto a la reglilla. Determinar la posición vertical de G luego del experimento. Respuesta W = KM = 11,88 m KB = 4,71 m 21

22 GM = 25,33 x 14,56 x 367 / ( x 3,7) = 2,48 m KG = KM GM = 11,88 m 2,48 m = = 9,40 m 22