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La Asociación Internacional de Sociedades de Clasificación (IACS), Reino Unido en 2014, lanzó un proyecto que investigaría las normas de diseño estructural que deben cumplir los transportistas de graneles sólidos y los petroleros.

Anteriormente, las estructuras de graneleros y petroleros solían diseñarse según las reglas de las respectivas sociedades de clasificación. Pero a lo largo de los años, se sintió la necesidad de desarrollar un conjunto uniforme de reglas estructurales que pudieran ser utilizadas por los diseñadores independientemente de la sociedad de clasificación interesada.

Por lo tanto, se desplegaron dos equipos de investigación separados para recopilar datos estadísticos que podrían ayudar a modelar los escenarios de carga en el mar, y esta información ayudaría más adelante en la formulación de métodos empíricos para estimar los parámetros estructurales seguros. Dos equipos: uno para graneleros y el otro para petroleros. Pero más tarde, la industria sugirió que era más preferible un conjunto unificado de reglas para ambos barcos, que era cuando se tomó la decisión de formular Reglas Estructurales Comunes para los Graneleros y Petroleros.

Como diseñadores, es muy importante conocer los aspectos importantes de las Normas Estructurales Comunes (CSR) de IACS, a fin de adaptarnos a los cambios que ha introducido este método. Los aspectos más importantes y notables de las Reglas Estructurales Comunes serán discutidos en este artículo.

1. Aplicación de las Reglas Estructurales Comunes de IACS:

Las Reglas Estructurales Comunes de la IACS fueron formuladas solo para graneleros y petroleros, y no para barcos de otro tipo. Para ser más precisos, son aplicables solo para petroleros de doble casco. Los buques en los que se deben aplicar estas reglas deben ser autopropulsados ​​y navegar en aguas libremente navegables sin ninguna restricción.

Además, durante la formulación de estas reglas, se ha supuesto que la nave de diseño tiene un doble fondo, y que la sala de máquinas está ubicada detrás de los tanques de carga o la región de espera.

Para las Reglas Estructurales Comunes, aunque es aplicable a los graneleros, es muy importante recordar que están destinadas a ser aplicadas a graneleros que superan una longitud de 90 metros, y pueden ser de una sola capa o de doble capa.

Los siguientes barcos, aunque están clasificados como graneleros por los diseñadores, no necesitan diseñarse de acuerdo con las Reglas Estructurales Comunes:

• Transportadores de petróleo a granel o vehículos OBO.
• Portadores combinados.
• Graneleros que transportan astillas de madera o cargas similares.
• Graneleros con instalaciones de autodescarga.
• En el caso de los transportadores de cemento, cenizas volantes y azúcar, los agarradores que se usan para cargar y descargar generalmente pesan menos de 10 toneladas debido a la baja densidad de carga. Por lo tanto, para estos barcos, el cumplimiento de CSR no es un requisito. Sin embargo, si el requisito de carga necesita agarres que pesen más de 10 toneladas, entonces el barco debe cumplir con la CSR (teniendo en cuenta la carga de impacto en la estructura superior del tanque debido a los agarres).

En los barcos mencionados anteriormente, donde no se requiere el cumplimiento de CSR, deben diseñarse según las reglas de la sociedad de clasificación autorizante.

En el caso de los petroleros, la CSR armonizada se aplica a los buques que tienen una longitud de más de 150 metros. Hay un conjunto de secciones intermedias, que varían según la disposición de los mamparos longitudinales y los tanques de carga a los que se pueden aplicar estas reglas. Las secciones están claramente ilustradas en el documento original de CSR publicado por IACS.

2. Diferentes consideraciones preliminares para la evaluación de la fuerza:

IACS CSR se ha centrado en la evaluación de la fuerza del buque en función de varios proyectos de condiciones, a diferencia de las reglas previamente seguidas por las respectivas sociedades de clasificación. Estas reglas deben verificarse para verificar su cumplimiento en las siguientes condiciones preliminares, como se detalla a continuación, junto con las razones para la inclusión de las mismas:

• Calado de espolón: En la práctica general de diseño, los escantilloncillos de un barco están diseñados para escurrir el calado del barco, que es un poco más alto que el calado de diseño del barco (generalmente cuatro por ciento más alto). Ahora, la razón detrás de mantener siempre el borrador escamoso en el lado superior está directamente relacionado con la inclusión de un factor inherente de seguridad en todo el diseño estructural. Cuanto más calado, más es la carga hidrostática en la carcasa lateral y la estructura inferior. Por lo tanto, los escantillones de barco siempre están diseñados para calado de escama, y ​​no para calado de diseño.

• Draft mínimo de lastre al mediodía: esta condición se ha incluido recientemente en la CSR, y no era una condición incluida en las reglas previas de las sociedades de clasificación. La razón detrás de la inclusión de esto es que con un calado de lastre mínimo, la región media puede estar sujeta a más cargas de jadeo.

• Calado de balasto mínimo: Esto es especialmente para los graneleros, donde se requiere una evaluación en condiciones de balasto pesado para la estructura.

• Mínimo de corrientes de aire delanteras : en condiciones mínimas de calado hacia delante, la parte delantera de la nave (aproximadamente el 25 por ciento de la longitud desde el extremo delantero) está sujeta a fuertes cargas de portazos. Estas no fueron estudiadas por las reglas anteriores, y ahora han sido incluidas por IACS CSR.

3. Escenarios de carga de diseño avanzado:

La CSR armonizada ha incluido los estudios de diversas condiciones de carga de diseño, y este es un aspecto que ha ayudado a los procesos de diseño a dar un gran salto adelante. Intentaremos entender el avance mientras discutimos los escenarios de carga a continuación:

• Escenario de carga estática: esta condición de carga se refiere a las cargas que actúan sobre el barco cuando está atracado en el puerto o puerto. También incluye las cargas en la estructura durante los procesos de prueba del tanque. Estas cargas no son variaciones de tiempo.

• Escenario de carga estática y dinámica: este es el escenario de carga típico en el que opera un barco mientras está en el mar. Los componentes estáticos incluirían la carga debida a la presión hidrostática y la carga (considerando que no hay cambio de carga). Mientras que cargas tales como las cargas de las olas son de naturaleza dinámica, como resultado de lo cual la carga total en un barco en el mar se convierte en una función del tiempo. Las reglas anteriores no estudiaron el aspecto de variante de tiempo, que se ha incluido en la CSR, por lo tanto, el análisis es más realista.

• Escenario de Impact Loads: un barco en el mar está sujeto a cargas de impacto como las de portazos, jadeos, latigazos, etc. Estas son cargas de ciclo de baja frecuencia y alta frecuencia. Años de estudios estadísticos sobre los datos recopilados por los monitores de estrés del casco de los buques han dado como resultado la formulación de métodos empíricos para predecir estas cargas y, en consecuencia, decidir los escantillones.

• Cargas de chapoteo: esta condición de carga incluye el efecto de derramarse en los tanques cuando el barco está en el mar.

• Escenario de cargas de fatiga: proporciona varios métodos para analizar la probabilidad de falla debido a la fatiga. Se basa en una combinación de la aplicación de la regla de Palmgren-Miner, las curvas SN y una curva de distribución de esfuerzos a largo plazo para desarrollar el modelo de capacidad de fatiga de la nave.

4. Uso de métodos de diseño estadístico (diseño del estrés laboral y factor de seguridad parcial):

Las reglas anteriores utilizadas por la sociedad de clasificación individual se basaron más en métodos empíricos y fórmulas derivadas. Por otro lado, las reglas en RSC se han incorporado con métodos estadísticos para evaluar la fuerza del buque.

Además, los métodos estadísticos nos permiten obtener probabilidades de falla. Entonces, de alguna manera, los diseñadores ahora pueden cuantificar la seguridad de los barcos, lo cual no fue posible con las reglas anteriores.

Los conceptos fundamentales de los dos métodos principales utilizados se discuten brevemente de la siguiente manera:

Diseño de esfuerzo laboral (WSD): en este método, usamos solo un factor de seguridad para todos los casos de carga para definir el límite de carga permisible. De hecho, esto es lo que han practicado las reglas de las sociedades de clasificación individuales hasta ahora. Y luego se realiza una verificación para asegurar que el esfuerzo o la carga de trabajo sea siempre menor que la resistencia o la resistencia de la estructura. Este método también se conoce como Diseño de Estrés Permitido (ASD).

Factor de seguridad parcial (PSF): este método se conoce mejor como Método de diseño factorizado de carga y resistencia (LRFD). Ahora, esta es una forma avanzada de modelar las cargas y la fuerza de la estructura del barco, y de hecho, es importante para los diseñadores entender el fundamental subyacente.

En LRFD, en realidad mejoramos el método WSD y lo hacemos más realista. En condiciones prácticas, la resistencia de todo el casco no es uniforme aunque el material sea el mismo. La razón es que efectos como los de las tensiones de soldadura, las concentraciones de tensión, etc. reducen la resistencia inherente del material. Y la variación en estas propiedades es incierta. Entonces, la fuerza de la nave se expresa realmente como una distribución de probabilidad.

Similar a la fuerza, todas las cargas posibles (que incluyen estática, dinámica, fatiga, impacto, accidental, etc.) tienen frecuencias de ocurrencias propias. Estas frecuencias y el efecto de cada carga en el barco son diferentes para diferentes cargas. Por lo tanto, el factor de seguridad considerado para cada carga es diferente.

Por lo tanto, en otras palabras, estamos agregando parcialmente factores para cada carga y la resistencia del barco, en lugar de asignar un único factor de seguridad a todas las cargas. Y durante el proceso de diseño, se verifica que el acumulado de todas las cargas factorizadas debe ser menor que el acumulado de la resistencia o resistencia (Resistencia estructural) del barco. 

5. Análisis detallado para varios patrones de carga:

Este es otro aspecto que no fue tratado en las reglas por las sociedades de clasificación individuales. Dado que la CSR armonizada se ha centrado en dos tipos de buques, ha dado los formuladores de reglas, el tiempo y el alcance para definir límites permisibles de carga y fórmulas para establecer el escantillón suficiente, dependiendo de cada patrón de carga posible en graneleros y petroleros de todas las configuraciones de tanques y bodegas.

Esto también incluye todas las combinaciones posibles para carga de espera alternativa en el caso de graneleros.

6. Mantener curvas de masa:

Otra de las nuevas características de la RSC armonizada de IACS son las curvas de masa de retención. Estas curvas se generan en diversas condiciones, como ‘Sea Going’ y ‘Harbor’. Las curvas de Hold Mass son útiles para cuantificar:

Los límites máximos y mínimos de carga que pueden cargarse en una bodega particular, dependiendo de las diferentes condiciones de tiro. El borrador se supone que es el del punto medio de la retención correspondiente.

La masa máxima y mínima de la carga en cualquiera de las dos bodegas de carga adyacentes, dependiendo de las diferentes condiciones de tiro. Se supone que el borrador es aquel en el punto medio de ambas presas (se debe tener especial cuidado en el caso de las presas que no son de la misma longitud).

7. Resistencia residual de la viga del casco:

La resistencia de la viga del casco se analiza para su capacidad máxima, capacidad de rendimiento y capacidad de carga máxima. Otra característica nueva en estas reglas es la estimación de la fuerza de la viga del casco en caso de daño a cualquier parte de la misma.

El principio es que el momento de flexión en la viga del casco en varias condiciones posibles de daño debe ser tal que el esfuerzo de flexión correspondiente combinado con otras cargas, no debe exceder la resistencia residual de la viga del casco.

Por lo tanto, se han tratado varios casos de daños para analizar diversas condiciones y llegar a la fuerza mínima requerida para el casco para evitar fallas en todos los casos de daños.

8. Cálculo del flujo de corte:

Cuando una viga del casco se somete a un momento de flexión longitudinal, también da lugar a tensiones de corte en cada sección del casco. El esfuerzo de flexión longitudinal actúa como parámetros decisivos para los escantillones de los miembros estructurales longitudinales, mientras que el esfuerzo cortante en cada sección decide los escantillones de los miembros rigidizadores transversales en cada sección.

En las reglas anteriores de las sociedades de clasificación individuales, la evaluación de las tensiones de corte fueron posibles. Pero la dirección del flujo de cortante no se trató con mucho detalle, lo que se ha cumplido con estas reglas.

Se puede calcular el flujo de corte a lo largo de elementos estructurales transversales individuales, y se puede agregar para obtener el diagrama de flujo neto de corte en cada sección de la nave.

9. Instrucciones detalladas para llevar a cabo el Análisis de Elementos Finitos:

Las reglas anteriores de las sociedades de clasificación individuales proporcionaron solo fragmentos de instrucciones para modelar el casco del barco para el análisis de elementos finitos. Pero dado que la industria ahora ha hecho casi obligatorio verificar la suficiencia de los escantillios calculados mediante análisis de elementos finitos, la CSR armonizada de IACS ha incluido instrucciones detalladas de los procedimientos que se deben seguir para modelar cada parte del casco.

El modelado y el correcto engrane de las conexiones finales es muy importante para obtener resultados correctos, por lo tanto, estas reglas tienen métodos definidos y condiciones de contorno que se deben mantener al modelar la viga del casco y las estructuras locales de refuerzo.

Casi todas las principales sociedades de clasificación han diseñado sus propios softwares para garantizar que el diseño cumpla con la CSR Armonizada de IACS. Los métodos de análisis del modelo de elementos finitos también se han incorporado a los procedimientos seguidos por los módulos FEA utilizados por las sociedades de clasificación.

En conclusión, se puede afirmar que la RSC armonizada de IACS es el primer paso para pasar del Diseño Estructural de Nivel I (que se siguió hasta estos años) al Diseño Estructural de Nivel II y III. Aunque estos no se han implementado en otros tipos de barcos, estas reglas ahora están bajo un proceso de retroalimentación de las condiciones de trabajo de la industria, que luego decidiría si el cambio se puede hacer en el caso de otros tipos de barcos también.

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