SISTEMAS DE CONSTRUCCIÓN
Existe en la actualidad una gran variedad, en lo que respecta al tamaño y tipo de buques: pero en cuanto a los sistemas de construcción, de sus estructuras fundamentales, responden a tres sistemas básicos de construcción, bien puros, bien mezclados: Sistema transversal, Sistema longitudinal y Sistema mixto.
SISTEMA TRANSVERSAL
Los buques o barcos de madera se construían con este sistema, porque para conseguir la estanqueidad de las costuras del forro exterior, mediante el calafateo, necesitan que el esqueleto transversal esté estrechamente unido por los tablones del forro, y estos a su vez inmovilizados por el esqueleto: y que además estos anillos transversales que forman las cuadernas, estén muy poco separados. Igualmente, el sistema transversal, era idóneo para soportar los grandes esfuerzos por "pandeo" (esfuerzo transversal disimétrico), que a aquellos barcos le producían, los grandes mástiles, con su aparejo y velamen.
Durante muchos años este sistema también se usó para los buques de acero.
Modernamente se suele usar en partes del buque, pero no como conjunto. Ya lo veremos con detalle.
En la (Fig.1), solo se mencionan los elementos que intervienen básicamente, en el sistema de resistencia transversal.
SISTEMA LONGITUDINAL
Con los barcos de acero y propulsión mecánica, disminuyen los esfuerzos por pandeo y su importancia. Con los aumentos de esloras, predominan los esfuerzos longitudinales, todo esto unido a otra serie de circunstancias, hace que se intente que la estructura básica, vaya de acuerdo con el esfuerzo principal, que ahora es el longitudinal, manteniendo una cierta resistencia transversal.
Entre los intentos iniciales, hubo uno que prosperó, que es el sistema Isherwood, que consiste en: Refuerzos longitudinales en el fondo, costados y cubierta; que se apoyan en anillos reforzados (bulárcama, bao reforzado y varenga) transversales.
Este sistema con ciertas variantes, se usa en buques tanques y graneleros (bulkcarriers). En los buques de carga seca, en el espacio de bodega, se suele usar el sistema transversal, porque las bulárcamas con sus esfuerzos y los longitudinales de costado, interfieren la estiba de la carga.
En la (Fig. 2) solo se mencionan los elementos estructurales básicos del sistema longitudinal.
SISTEMA MIXTO
El sistema de construcción del casco del buque, una vez garantizada su resistencia estructural, se hace compatible, con la utilización comercial del mismo. La utilización comercial, está unido a los costes de explotación, y estos directamente a la estancia en puerto, con lo que llegamos a la rapidez de carga y descarga, con una rápida y segura estiba de las mercancías a bordo del buque. Esta última, misión del buque, la estiba, está unida al diseño estructural de las bodegas; por lo que éstas llevan, los elementos estructurales de la forma mas conveniente, al tipo de carga que en ellas se estiban.
En la (Fig. 3) tenemos el perfil transversal de la sección maestra del casco de un buque, construido con el sistema mixto. Fondo, Tapa del doble fondo y Cubierta superior principal, con estructura longitudinal; mientras que la cubierta de entrepuente y costado, es de estructura transversal.
Los reglamentos actuales de las Compañías Clasificadoras, obligan a los buques de eslora igualo más de 120 metros, a que su cubierta superior principal, fondo y doble fondo, lleven una estructura longitudinal, como el de la (Fig. 3).
En todos los modernos buques que lo han necesitado, se les ha dotado de grandes bocas de escotilla, para facilitar las operaciones de estiba, en rapidez y seguridad. Estas bocas de escotillas han quitado una gran superficie de cubierta resistente, en la zona de bodega, que por su posición en el casco, son zonas de flexión crítica, que; traen como consecuencia, grandes esfuerzos por tracción y compresión, en los pasillos de cubierta, en la zona de escotilla. Al casco le falta rigidez transversal, por la ausencia de la cubierta, baos correspondientes y puntales de apoyo vertical (Fig. 3).
Debido a estos y otros razonamientos, aparece el nuevo sistema mixto, de la (Fig. 4), a base de baos con cartelas o cantílever , en zona de bodega y entrepuente, a frecuentes intervalos longitudinales; que dan la suficiente rigidez al marco en la zona de escotilla, por la ausencia de la cubierta, a veces en casi toda la manga, como en los buques porta-contenedores. Las brazolas longitudinales o esloras de boca de escotilla, se apoyan en los cantílever o baos con cartelas, y para acabar de reforzar la zona, la traca de planchas de la cubierta adyacente a la boca de escotilla, es de acero especial o de mayor espesor. Las brazo las transversales o baos reforzados de extremos de la boca de escotilla, hacen la consolidación suficiente en esa zona. Normalmente sobre estas brazolas, van un sistema articulado de tapas de escotilla. Cuando en vez de tapas articuladas, lleva un sistema de cierre lateral, con dos escotillas gemelas; el plano de crujía, va reforzado además, con una fuerte eslora, mamparo diafragma o medio mamparo longitudinal.
DESCRIPCION DE LA ESTRUCTURA DEL BUQUE
Una vez estudiado el casco como un todo, vamos a ver la estructura y refuerzos de cada una de sus partes, así como su ensamblaje.
FONDO Y DOBLEFONDO
Recibe el nombre de Fondo, si recordamos, la forma más o menos de prisma rectangular de la viga casco, con las aristas redondeadas y ciertos afinamientos a proa y popa; a la base del prisma, a las planchas del forro exterior, donde el buque recibe el empuje verticalmente.
Además del Fondo, en esta parte del buque tenemos que distinguir:
a) Tapa del doble fondo, que es como un segundo forro exterior en la parte inferior del casco (fondo); su misión es tanto por seguridad como por resistencia.
b) Espacio del doble fondo ó Doble fondo, es la zona comprendida entre el doble forro, o sea, entre el fondo y la tapa del doble fondo. Nos interesa su estudio, tanto desde el punto de vista, resistencia estructural, como de su división celular; para contener combustible, lastre y líquidos residuales; además de todo el servicio de tuberías, válvulas y sondas. Ver (Fig. 5).
FONDO
Sus funciones en general son:
a) Tener la estanqueidad necesaria al agua del mar. Tener la suficiente resistencia para soportar el empuje del agua, y transmitirla al resto de su estructura interna, para que resista como un todo homogéneo. Su estructura interna está formada por: Quilla vertical con sus refuerzos, longitudinales de fondo y sus contretes, vagras, varengas y tapa del doble fondo.
b) Soportar los esfuerzos longitudinales dando la rigidez necesaria.
c) Contribuye a los esfuerzos transversales.
d) La quilla plana, la quilla vertical, y la traca central de la tapa del doble fondo: forman una viga en doble "T", que constituyen algo así como la columna vertebral del buque. En la (Fig. 5) tenemos un esquema de la zona. La quilla vertical, también es una vagra que está en el plano de crujía o diametral del buque.
El fondo está formado por tracas de planchas de anchura y espesor determinado, y que se mantienen en gran parte de la longitud del casco. El espesor según el Reglamento de las Compañías Clasificadoras, es forzoso mantenerlo en los 3/5 de su eslora, con reducción progresiva hacia los extremos de proa y popa. La traca de quilla tiene una normativa distinta al resto de las tracas del fondo; en un barco normal de carga su escantillón puede ser, de un ancho de 1.425 mm. y un espesor de 20 mm. La traca de quilla se une en los extremos de proa y popa, mediante unas planchas extremas de forma apropiada con la roda y el codaste.
Las tracas adyacentes a la de quilla, se llaman de Aparadura, y se suelen numerar con letras mayúsculas del abecedario A, B, etc., hasta la del extremo superior del casco, llamada de Cinta. Otra traca, que aparte su letra de orden, se localiza por su nombre, es la de Pantoque. Traca curva, que sirve de unión del fondo con, el costado. Recordamos que esta traca, y en particular la de cinta, está sometida a grandes esfuerzos por flexión transversal (pandeo), durante los balances.
QUILLA
La quilla es el elemento central del fondo del buque, la cual contribuye sustancialmente a la resistencia longitudinal, al mismo tiempo que es un elemento básico de distribución de esfuerzos locales causados durante la construcción del buque, ya que ha de soportar prácticamente la totalidad del peso del mismo. Cuando al buque se le efectúan reparaciones en seco, será quilla el elemento de apoyo y por lo tanto de distribución de esfuerzos al resto de la estructura.
La quilla, dependiendo del tipo de buque y por lo tanto de la estructura del mismo, puede tomar varias formas, de las que son básicas las siguientes:
• Quilla horizontal.
• Quilla de barra.
Ambos tipos de quilla suelen ir acompañados de una quilla vertical.
La quilla horizontal consiste en la traca de fondo central (Fig. 6 b), la cual suele tener espesores superiores a la traca de aparadura. La quilla vertical irá soldada sobre ella directamente por ambos lados, y será continua y si n aligeramientos.
La quilla de barra o maciza Fig. 6 a), es una llanta rectangular, que se sitúa en la línea de crujía y a la que se soldarán las tracas de aparadura. Este tipo también suele ir acompañado de quilla vertical sobre ella.
La utilización de una u otra forma de quilla depende básicamente del tipo de buque y así los Pesqueros, Remolcadores, etc., suelen usar de barra, mientras que los demás, en construcción moderna, la tienen de tipo horizontal.
Aparte de estos tipos básicos, existen combinaciones entre ellos para formar quillas más resistentes y complejas en su construcción, siendo la más usada la denominada "quilla de cajón", compuesta por una quilla horizontal y dos verticales separadas equidistantemente de la línea de crujía y la traca central del forro interior o tapa del doble fondo (Fig. 7).
Este tipo de quilla es muy común en buques con doble-fondo, en los que se usa el mismo para tanques, bien de combustible o lastre, que requieren un servicio de tuberías que se alojarán en esta quilla de forma que no interrumpan los espacios de bodegas y sean al mismo tiempo fácilmente de ser visitados. En el interior de la quilla de cajón han de disponerse refuerzos transversales, los cuales darán continuación a las varengas, denominándose "varenguetas" o también "falsas varengas".
La estructura de la quilla vertical, además de las misiones de resistencia, cumple una función de compartimentación del fondo, principalmente en dobles-fondos, o de interconexión de otros elementos estructurales, como es d caso de hacer intercostales a las varengas en el centro del buque, evitando e le esta forma uniones entre trozos de varengas en forma de plancha. Por otra parte la altura de la quilla vertical define la altura de la estructura del fondo, tanto cuando es sencillo como cuando es doble fondo, teniendo en los casos de buques con Astilla Muerta una mayor altura y por lo tanto resistencia que el resto de los elementos longitudinales, y similar a estos en los casos de fondo plano. La quilla vertical puede así mismo absorber el asiento de proyecto con el fin de hacer horizontal el piso de la bodega.
Como casos especiales se pueden hacer quillas combinación de horizontal, vertical y de barra, siendo esta superpuesta sin interrupción de la horizontal (Fig. 8). Esta solución es tomada cuando se requiere de un aumento en la resistencia longitudinal y una estructura del fondo continua.
VARENGAS
Las varengas son refuerzos de plancha o perfil situados transversalmente en el fondo, formando en los buques conjuntamente con las cuadernas o bulárcamas de costado y los baos de cubierta los anillos de Resistencia Transversal del buque.
La varenga según su constitución puede ser de tres tipos:
1. Varenga llena.
2. Varenga estanca.
3. Varenga abierta.
La varenga llena (Fig. 9) es la constituida por una plancha a la que se hacen aligeramientos para reducción de peso y escotes para paso de longitudinales, en estructuras mixtas o longitudinales de fondo. Este tipo de varenga es la más usada, ya que tanto en estructuras de fondo sencillo o de doble-fondo, puede utilizarse al mismo tiempo que es fácil de construir con los medios de trabajo que actualmente tienen los astilleros.
La forma de la varenga llena dependerá de:
a) Tipo de fondo (sencillo o doble-fondo).
b) Inclinación del fondo (con Astilla Muerta o sin ella).
c) Intersección entre traca de margen y pantoque.
d) Estructura del fondo (longitudinal y transversal).
En el caso "(a)", si el fondo es sencillo (Fig. 9.a), la varenga estará formada por el alma y la tabla. En doble fondo será una plancha simple, haciendo de tabla parte del forro interior.
Si el fondo dispone de Astilla Muerta, la forma de los lados de la varenga serán triangulares, con el fin de mantener el piso de la bodega horizontal (Fig. 9.d).
La intersección entre la traca de margen y el pantoque condicionará la forma del extremo, pudiendo existir tres casos básicos: con sentina (Fig. 9.a), con traca de margen horizontal (Fig. 9. b), y con tanque de cátara (Fig. 9. c), estructura especial en buques de carga seca.
La diferencia entre una varenga en estructura mixta o longitudinal y una transversal, es en disponer o no de escotes, tal como puede observarse en las Fig. 9. b y c.
Los escotes son aberturas realizadas en el alma de la varenga para permitir el paso de elementos longitudinales de pequeño escantillón, dependiendo de la forma de los mismos la del escote. Una de las características fundamentales que ha de tener es la de sujeción máxima del elemento, pues entre las misiones específicas de las varengas está la de sujetar estructuras longitudinales a efectos de mantener su posición y de recibir los esfuerzos que trasmitan.
VAGRAS
Las vagras son elementos de soporte del fondo en sentido longitudinal, cuya estructura es similar a las varengas llenas y estancas, estando destinadas a colaborar eficazmente con la Resistencia Longitudinal del buque al mismo tiempo que reforzar las varengas contra deformaciones de pandeo repartiendo los esfuerzos que reciben.
La vagra es un elemento paralelo a la quilla vertical, pudiendo llamarse a ésta vagra central, por lo que re fuerza las misiones de resistencia de ella, pudiendo ser intercostales o continuas según estén o no interrumpidas por las varengas, siendo la forma más usual la intercostal con cualquier tipo de estructura.
Al igual que las varengas, las vagras pueden ser usadas como separación de tanques con o sin espacios vacíos (cofferdam).
El número de vagras depende de la manga del buque y de la estructura que tenga el fondo, ya que como se dijo anteriormente .al ser un elemento de resistencia longitudinal, la existencia de longitudinales de fondo reduciría el número de las mismas. Puede darse el caso de que las vagras no sean paralelas a crujía en algunas zonas del fondo, aunque esta solución complica el desarrollo de los elementos y por lo tanto no suele usarse.
LONGITUDINALES DE FONDO
Los longitudinales de fondo son perfiles de tipo comercial (laminados en T, L, o llanta de bulbo), o armados (T o L), situados en el fondo del buque y paralelos a crujía, que tienen como misiones:
a) Ser elementos eficaces para la resistencia longitudinales del casco.
b) Ser elementos de soporte del forro exterior del fondo para evitar el pandeo del mismo.
c) Ser elementos de reparto de esfuerzos a la estructura transversal del fondo y de esta al resto de la estructura.
En estructuras de doble-fondo, en el mismo plano de cada longitudinal de fondo existirá otro similar en el forro interior formando entre ambos una estructura similar a las varengas abiertas. Ambos elementos o solo el longitudinal de fondo para estructuras sencillas conjuntamente con las vagras y quilla, son los elementos básicos de la Resistencia Longitudinal del fondo en estructuras longitudinales.
La colocación de los longitudinales de fondo podrá ser intercostal o continua respecto a las varengas, adoptándose preferentemente la última; cuando son varengas llenas que dispondrán de escotes. Cuando existan varengas estancas, el longitudinal se interrumpirá o bien se acorbatará el escote, siendo preferible la primera solución, ya que el acorbatamiento presenta problemas de construcción generalmente.
Todo cruce en la estructura de elementos de distinta altura, ha de estar reforzado mediante cartabones, que cumplirán como misión básica la de trasmitir los esfuerzos de un elemento al otro y auxiliarmente el elemento de mayor canto será reforzado contra pandeo, evitando de esta manera los casquillos aislados.
Las formas más usuales de conexión entre longitudinales de fondo y varengas son los indicados en la Fig. 10, en la que se hace notar la forma triangular que generalmente se les da a las consolas con el fin de facilitar el camino a las líneas de fuerzas, teniendo en cuenta que la conexión ha de ser máxima entre los elementos y sus partes, por ejemplo con las tablas de las varengas.
Todas las soluciones constructivas dadas en la Fig. 10 son para fondos sencillos, siendo las indicadas con a) y b) para el caso de varengas del tipo lleno aligeradas, y c) y d) para varengas estancas, pudiéndose observar que incluso se deben colocar tablas a las consolas para buscar la continuidad como en el caso de perfiles tipo T.
Cuando la unión no está sujeta a esfuerzos estructurales, las consolas pueden ser rectas, debiendo ir a solape o a tope con el longitudinal según el tipo de éste.
En estructuras de doble fondo, la conexión entre las varengas y longitudinales de fondo se hace como se indicaba anteriormente conjuntamente con los longitudinales del forro interior, mediante consolas cuadradas (Fig. 11), que podrán ser de diversas formas según el tipo de perfil y de varenga.
En la Fig. 11.a, se representa la unión entre una varenga llena aligerada con longitudinales, y en la 11.b, con varenga estanca, pudiéndose adoptar otras formas para las consolas de unión, tales como redondeadas para el canto libre o con tabla o faldilla.
En cualquiera de los dos casos anteriormente indicados, fondo sencillo o doble-fondo, la interconexión con las varengas de los longitudinales suele usarse para la unión de los perfiles entre sí, ya que generalmente no son aceptados los empates de cabeza de los mismos por falta de calidad y dificultad de inspección, usándose de esta forma una unión eficaz a través de la consola.
Los longitudinales no tienen más aligeramientos que los correspondientes a las groeras para paso de soldadura y circulación de líquidos, que deberán ser con esquinas redondeadas (Fig. 12).
FORRO INTERIOR
El forro es una estructura exclusiva del sistema de doble-fondo, y está formado por tracas longitudinales, generalmente unidas al resto de los elementos de soporte estructural, tales como quilla vertical, vagras y varengas. Como misiones más importantes del forro interior son:
a) Contribuir eficazmente a las resistencias transversal y longitudinal.
b) Crear una superficie plana y resistente para la carga.
c) Delimitar el volumen de los tanques profundos que podrán tener uso independiente del de la bodega, al mismo tiempo que proteger a esta de inundaciones por rotura del forro exterior del fondo.
Como se ha indicado, las planchas tienen como elementos de soporte los mismos que el fondo, y cuando es estructura longitudinal, longitudinales similares a los del fondo que formarán estructuras que podrían denominarse "vagras abiertas" por ser similares a las varengas abiertas. De todas las tracas existentes, en cuyo escantillón pueden influir los medios de carga y descarga del buque, tiene entidad propia la que se une con el pantoque, denominada "traca de margen". Esta traca puede adoptar distintas formas, de acuerdo a la inclinación con que se una a la de pantoque, usándose generalmente tres posiciones básicas: Perpendicular al pantoque, horizontal e inclinada hacia arriba. El adoptar cualquiera de estas soluciones depende de una serie de factores, como son:
1. Condicionantes constructivos.
2. Necesidad de sentina.
3. Necesidad de tanques profundos especiales,
Según estos puntos se tiene que cuando un buque requiere por el tipo de carga un sistema de achique de líquidos constante, se ha de disponer de sentinas y se aprovecha en tal caso los costados para realizada mediante la colocación de la plancha o traca de margen perpendicular al pantoque, situando los pozos de sentina en los que colocarán las aspiraciones de las bombas de achique. Esta solución fue muy usada en los buques remachados, por facilidades de tipo constructivo y de resistencia de la unión (figura 13 .a), En la actualidad, con la soldadura, aunque sigue usándose, es más corriente la plancha horizontal, con lo que se le da forma plana al fondo de la bodega (Fig. 13. b).
Para buques tipo Granelero por necesidades de la carga y de tanques profundos grandes, se usan las planchas de margen inclinadas hacia arriba.
La importancia de la tranca de margen se basa en que es el elemento que va a servir de unión entre las estructuras del fondo y del costado, siendo soporte de las consolas de margen, que unirán cuadernas o longitudinales de costado con las varengas o longitudinales de fondo, aunque como elemento estanco deberá ser continuo y por lo tanto interrumpirá la unión. La traca de margen puede adoptar distintas formas en un buque dependiendo, por supuesto, de la zona del mismo.
Todo forro interior se encuentra sujeto a aberturas, que han de realizarse para permitir visitas al interior del doble-fondo que son los Registros.
El registro es una abertura de dimensiones tales que permitan el paso de un hombre (350 x 450 mm, como mínimo) y que ha de disponer de una tapa resistente y estanca, que se asegura generalmente mediante tornillos. La forma de la abertura será elíptica u ovalada para evitar concentraciones de esfuerzos en las esquinas.
El número de registros que dispondrá un doble-fondo, dependerá del número de tanques que tenga, y serán a razón de dos por cada uno, dispuestos de forma diametral, que permitirán el paso de un hombre de uno a otro al recorrer el tanque, así como la creación posible de una corriente de aire, natural o forzada.
Los registros pueden ser de varios tipos segÚn la carga del buque, siendo algunas de sus características las de disponer de brazolas que den resistencia al conjunto y el que los tornillos no tengan salida al interior del tanque, por efectos de estanqueidad.
Las soluciones más comúnmente usadas son las indicadas por las secciones de
las Fig. 14.a y b; la a) como sistema convencional, y la b) con tapa a ras del piso.
CONJUNTO ESTRUCTURAL DE UN FONDO SENCILLO
La estructura de fondo sencillo se puede afirmar que prácticamente está en desuso para determinadas zonas del buque, como son las bodegas, pudiendo existir en piques, cámara de máquinas, de forma parcial y en algunos buques de transporte de líquidos o con cargas paletizadas, tales como contenedores. El gran problema de un fondo sencillo es la falta de uniformidad en el mismo, requerimiento importante en bodegas, y el desaprovechamiento del espacio o volumen entre la estructura del fondo, caso que no ocurre con el transporte de líquidos.
En una estructura de fondo sencillo estará compuesta por elementos de soporte, con tabla generalmente para los de gran escantillón, y elementos simples según sea la estructura longitudinal o transversal. En algunos tipos de estructura y con el fin de construir un forro interior de madera, se suelen situar elementos sobre la estructura básica, denominados "sobrequillas", que tendrán una similitud con las tablas de las vagras, pero dispuestos independientemente de las mismas (Fig. 15).
Cuando un cruce de dos elementos de gran escantillón (vagra y varenga) se usa como apoyo por ejemplo de un puntal, la unión de las tablas es especial, formando lo que se llama una "plancha de diamante" (Fig. 16), consistente en una pieza octogonal que dispone de caras de igual anchura a las tablas, pudiéndose reforzar con consolas triangulares para soporte y transmisión de esfuerzos.
De los elementos analizados anteriormente, no podrán existir en un fondo sencillo varengas abiertas, ni por supuesto forro interior y longitudinales del forro interior, pudiendo ser, en estructuras muy sencillas de buques pequeños las varengas de dos tipos, unas de perfil comercial y otras armadas y de mayor escantillón que coincidirían con los anillos reforzados; esta solución no es muy común por necesidades estructurales, siendo por lo tanto todos los elementos de igual altura y pudiendo o no mantener una superficie horizontal respecto al plano de agua.
CONJUNTO ESTRUCTURAL DE UN DOBLE-FONDO
El doble-fondo puede disponer de estructura longitudinal, transversal y mixta, no existiendo alternativa preferencial entre ellas. Las diferencias serán en el tipo de elementos, así un doble-fondo longitudinal no podrá tener varenga s abiertas y las llenas tendrán una separación igual a las bulárcamas de los costados, mientras que tendrá longitudinales de fondo y forro interior y reducido número de vagras, solo las mínimas requeridas y si se necesitan para la separación de tanques (Fig. 17).
El doble-fondo con estructura transversal, dispondrá generalmente de varenga s abiertas, ya que son de menos peso, alternadas con llenas, mayor resistencia, con vagras intercostales (Fig. 18).
En general para ambos tipos de estructura, los aligeramientos s de los elementos como vagras y varengas, además de la función propia de reducción de peso deberán tener algunos de ellos dimensiones de "paso de hombre" , ya que tanto durante la construcción como para inspección ha de hacerse toda la estructura accesible para ser visitadas. Los pasos de hombre, como generalmente se denomina a estos aligeramientos especiales, son al menos uno en cada elemento o trozo del mismo que se encuentre en un tanque.
