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ESTUDIO DE CASOS - Solicitaciones combinadas - RESISTENCIA DE MATERIALES
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Solicitación por Flexotorsión y Corte Estudio de CasosEsfuerzos dinámicos longitudinal y transversal en buques Introducción a la Mecánica del Sólido Deformable Ing. Gabriel Pujol Para la carrera de Ingeniería Mecánica de la Facultad de Ingeniería de la Universidad de Buenos Aires
El buque está sometido a ciertos esfuerzos causados por la acción de causas externas o internas y debe ser capaz de soportarlos con un cierto margen de seguridad. Esos esfuerzos son numerosos en carácter e importancia, pero pueden reunirse en dos grandes grupos: estructurales(esfuerzos del buque como estructura Integral) y locales(esfuerzos sobre partes determinadas del buque) Desde el punto de vista estructural, el buque puede ser concebido como una viga flotante, similar -desde el punto de vista de su resistencia- a una viga de la construcción terrestre aunque con la particularidad notable de que las vigas comunes se apoyan en dos o más puntos, mientras que el buque lo hace en toda su extensión soportado por el agua. Es una viga formada por todos los elementos que se extienden de proa a popa -longitudinales- de modo continuo (por ejemplo: forro del casco, cubiertas, refuerzos longitudinales del fondo y cubierta, etc.) y por los transversales que cumplen la función de conexión entre aquéllos (como es el caso de cuadernas, baos, etc.) Reflexionemos sobre los esfuerzos de flexión y corte a los que se ve sometido un buque…
El buque está sometido a ciertos esfuerzos causados por la acción de causas externas o internas y debe ser capaz de soportarlos con un cierto margen de seguridad. Esos esfuerzos son numerosos en carácter e importancia, pero pueden reunirse en dos grandes grupos: estructurales(esfuerzos del buque como estructura Integral) y locales(esfuerzos sobre partes determinadas del buque) Desde el punto de vista estructural, el buque puede ser concebido como una viga flotante, similar -desde el punto de vista de su resistencia- a una viga de la construcción terrestre aunque con la particularidad notable de que las vigas comunes se apoyan en dos o más puntos, mientras que el buque lo hace en toda su extensión soportado por el agua. Es una viga formada por todos los elementos que se extienden de proa a popa -longitudinales- de modo continuo (por ejemplo: forro del casco, cubiertas, refuerzos longitudinales del fondo y cubierta, etc.) y por los transversales que cumplen la función de conexión entre aquéllos (como es el caso de cuadernas, baos, etc.) Reflexionemos sobre los esfuerzos de flexión y corte a los que se ve sometido un buque… Peso de la estructura y maquinas Peso de la carga Empuje
El buque está sometido a ciertos esfuerzos causados por la acción de causas externas o internas y debe ser capaz de soportarlos con un cierto margen de seguridad. Esos esfuerzos son numerosos en carácter e importancia, pero pueden reunirse en dos grandes grupos: estructurales(esfuerzos del buque como estructura Integral) y locales(esfuerzos sobre partes determinadas del buque) Desde el punto de vista estructural, el buque puede ser concebido como una viga flotante, similar -desde el punto de vista de su resistencia- a una viga de la construcción terrestre aunque con la particularidad notable de que las vigas comunes se apoyan en dos o más puntos, mientras que el buque lo hace en toda su extensión soportado por el agua. Es una viga formada por todos los elementos que se extienden de proa a popa -longitudinales- de modo continuo (por ejemplo: forro del casco, cubiertas, refuerzos longitudinales del fondo y cubierta, etc.) y por los transversales que cumplen la función de conexión entre aquéllos (como es el caso de cuadernas, baos, etc.) Peso de la estructura y maquinas Peso de la carga Viga buque Empuje
Supongamos un buque, con sus bodegas cargadas y flotando en aguas tranquilas. Las fuerzas actuantes sobre cada sección serán (a): • el peso propio (compuesto por el peso del casco, superestructuras, máquinas, etc. comprendidos en la misma); • peso de la carga, combustibley aguascontenidos en dicha sección; y • el empujeque, por el principio de Arquímedes, es igual al peso del agua desalojada por la carena (volumen de buque sumergido) de dicha sección. Centremos nuestro estudio en los esfuerzos longitudinales… Como las secciones no se halla por sí solas en equilibrio -ya que no flotan libremente pues forma parte del total del buque- no habrá razón para que en ellas la suma de los pesos sea igual al empuje. Por ello existirá una resultante hacia arriba o hacia abajo actuando sobre cada sección de la viga buque. (b)
Supongamos un buque, con sus bodegas cargadas y flotando en aguas tranquilas. Las fuerzas actuantes sobre cada sección serán (a): • el peso propio (compuesto por el peso del casco, superestructuras, máquinas, etc. comprendidos en la misma); • peso de la carga, combustibley aguascontenidos en dicha sección; y • el empujeque, por el principio de Arquímedes, es igual al peso del agua desalojada por la carena (volumen de buque sumergido) de dicha sección. Centremos nuestro estudio en los esfuerzos longitudinales… Como las secciones no se halla por sí solas en equilibrio -ya que no flotan libremente pues forma parte del total del buque- no habrá razón para que en ellas la suma de los pesos sea igual al empuje. Por ello existirá una resultante hacia arriba o hacia abajo actuando sobre cada sección de la viga buque. (b) momento corte Estas fuerzas causarán tensiones internas determinables por los métodos de la resistencia de materiales. De esta forma, en los casos considerados habrá momentos flexores y esfuerzos de corte a lo largo de la viga que tratarán de deformarla como se aprecia en los casos (c) y (d)respectivamente.
…ya que cuando el buque navega en él, la superficie de éste no es horizontal, como en aguas tranquilas, sino que se ve alterada por la presencia de olas. Para los estudios teóricos suele suponerse que el perfil longitudinal de una ola, (a la que se llama ola estándar), es una trocoidel, cuya longitud es igual a la eslora del buque (por ser la longitud más desfavorable desde el punto de vista de los esfuerzos en el buque) y su altura es de 1/20 de esa longitud. Si la superficie del mar estuviera compuesta por una serie de olas estándar y el buque ataca las olas perpendicularmente a la línea de sus crestas, al navegar podrá encontrarse en infinitas posiciones con respecto a tales olas. De esas posiciones, las que interesan, por ser las más desfavorables, son las que se producen cuando el buque se encuentra con su sección media sobre la cresta o en el seno de una ola. Estas posiciones se llaman, respectivamente, quebranto y arrufo. Los esfuerzos estructurales longitudinales en el mar son singulares …
…ya que cuando el buque navega en él, la superficie de éste no es horizontal, como en aguas tranquilas, sino que se ve alterada por la presencia de olas. Para los estudios teóricos suele suponerse que el perfil longitudinal de una ola, (a la que se llama ola estándar), es una trocoidel, cuya longitud es igual a la eslora del buque (por ser la longitud más desfavorable desde el punto de vista de los esfuerzos en el buque) y su altura es de 1/20 de esa longitud. Ver video Si la superficie del mar estuviera compuesta por una serie de olas estándar y el buque ataca las olas perpendicularmente a la línea de sus crestas, al navegar podrá encontrarse en infinitas posiciones con respecto a tales olas. De esas posiciones, las que interesan, por ser las más desfavorables, son las que se producen cuando el buque se encuentra con su sección media sobre la cresta o en el seno de una ola. Estas posiciones se llaman, respectivamente, quebranto y arrufo. Los esfuerzos estructurales longitudinales en el mar son singulares …
En el caso del quebranto, el buque se encuentra con su sección media sobre la cresta de una ola, como se aprecia en la figura siguiente. Como la altura de la ola en el centro es mayor que en los extremos, los esfuerzos aumentarán en los trozos de la parte central y disminuirán en los de los extremos. La viga-buque tenderá a flexionarse en el centro produciéndose tensiones de tracción en la cubierta superior y de compresión en el fondo. compresión tracción tracción compresión Ocurre el arrufocuando el buque se encuentra en su sección media en el seno de la ola. Como la altura de la ola en los extremos es mayor que en el centro, los esfuerzos aumentarán en los extremos y disminuirán en el centro. La viga-buque tenderá a flexionarse en el centro, produciéndose tensiones de compresión en la cubierta superior y de tensión en el fondo. Los esfuerzos estructurales longitudinales en el mar son singulares …
El fallo catastrófico del buque “MOL Comfort” cuando el casco del portacontenedores de 8.000 TEU se fracturó y separó en dos partes mientras navegaba cargado de contenedores con mal tiempo es un ejemplo. Ver video Ver video El Caso “MOL Comfort”
El fallo catastrófico del buque “MOL Comfort” cuando el casco del portacontenedores de 8.000 TEU se fracturó y separó en dos partes mientras navegaba cargado de contenedores con mal tiempo es un ejemplo. …veamos los siguientes videos https://www.youtube.com/watch?v=G10KuLTQWzU https://www.youtube.com/watch?v=w0ggc0VCoL4&feature=youtu.be https://www.youtube.com/watch?v=rHlEXn37dVg&feature=youtu.be
Otro elemento de deformación de la viga-buque es la torsión que pueda sufrir un buque sobre su eje longitudinal. Sobre la banda de babor (izquierda) la altura del agua es mayor que sobre la de estribor que está en un seno. (en la Sección transversal 1) Una de las causas de este momento transversal de torsión son las olas que llegan al buque cuando el buque esté navegando con olas abiertas a 45° o 135° (en el peor de los casos) a una u otra banda de la proa, siendo la proyección de la longitud de la ola sobre el buque igual a su eslora. Sección transversal 1 Sección transversal 2 En el mismo instante, en la Sección transversal 2, sobre la banda de estribor (derecha) la altura del agua es mayor que sobre la de babor. Veamos ahora que sucede con los esfuerzos transversales Esta situación irá variando a medida que el buque avanza y el seno de la ola por la banda de babor adelantará al seno por la banda de estribor.
…generando pares antagónicos entre las distintas secciones del buque. Ver video Veamos ahora que sucede con los esfuerzos transversales +E +E -E -E Sección transversal 1 Sección transversal 2
La torsión tiene relativamente poca importancia (en comparación con los esfuerzo debidos a la flexión) en los buques de carga que podríamos llamar convencionales, pero la llegada de los portacontenedores con grandes escotillas en la cubierta resistente ha planteado la necesidad de realizar su cálculo a bordo para las diferentes propuestas de carga, ya que se ha encontrado que los momentos de torsión crecen notablemente con este tipo de buques (aunque sus solicitaciones siguen estando, normalmente, bastante por debajo de aquéllas de los esfuerzos longitudinales verticales). Portacontenedores Veamos ahora que sucede con los esfuerzos transversales Petrolero Sección transversal abierta menos resistente a la torsión Sección transversal cerrada más resistente a la torsión
Bibliografía Portacontenedores MOL CONFORT rompió por fallos de diseño: (http://tecnologia-maritima.blogspot.com.ar/2013/09/portacontenedores-mol-confort-rompio.html) Informe del evento: (http://www.nuestromar.org/noticias/categorias/20-11-14/arquitecta-naval-danesa-descubre-importantes-pistas-colapso-mol-comfort) Tensiones y Deformaciones en los Buques: (https://docs.google.com/file/d/0B7qSY6KPZGtVUFdqS0ZseElUakdUeEJLYm8zTTNOZw/edit) Esfuerzos sobre el Buque: (https://docs.google.com/file/d/0B7qSY6KPZGtVRFVnMzVCUkpWakk/edit)
