Arquitectura naval

Reconstrucción de una oficina del arquitecto naval del siglo XIX, Museo Marítimo de Aberdeen

Tahitian Princess en Tórshavn, Islas Feroe, agosto de 2009

Curso general de estudio que conduce al título de Arquitectura Naval

Arquitectura naval, o ingeniería naval, es una disciplina de ingeniería que incorpora elementos de ingeniería mecánica, eléctrica, electrónica, de software y de seguridad aplicada al proceso de diseño de ingeniería, construcción naval, mantenimiento y operación de embarcaciones y estructuras marinas. La arquitectura naval implica investigación básica y aplicada, diseño, desarrollo, evaluación del diseño (clasificación) y cálculos durante todas las etapas de la vida útil de un vehículo marino. El diseño preliminar del buque, su diseño de detalle, construcción, pruebas, operación y mantenimiento, botadura y entrada en dique seco son las principales actividades involucradas. También se requieren cálculos de diseño de barcos para los barcos que se modifican (mediante conversión, reconstrucción, modernización o reparación). La arquitectura naval también implica la formulación de normas de seguridad y reglas de control de daños y la aprobación y certificación de diseños de barcos para cumplir con los requisitos legales y no legales.

El casco de un yate de carreras que se levanta del agua para el mantenimiento

Temas principales

La palabra "buque" incluye todas las descripciones de embarcaciones, principalmente barcos y botes, pero también incluye embarcaciones sin desplazamiento, embarcaciones WIG e hidroaviones, utilizados o capaces de ser utilizados como medio de transporte en el agua. Los principales elementos de la arquitectura naval se detallan en los siguientes apartados.

Hidrostática

Plano corporal de un barco que muestra la forma de casco

La hidrostática se refiere a las condiciones a las que se somete la embarcación mientras está en reposo en el agua ya su capacidad para permanecer a flote. Esto implica calcular la flotabilidad, el desplazamiento y otras propiedades hidrostáticas como el asiento (la medida de la inclinación longitudinal de la embarcación) y la estabilidad (la capacidad de una embarcación para recuperar su posición vertical después de haber sido inclinada por el viento, el mar o la carga). condiciones).

Hidrodinámica

• La hidrodinámica se refiere al flujo de agua alrededor del casco, el arco y la popa de la nave, y sobre cuerpos como palas de hélice o timón, o a través de túneles de propulsión.
• La resistencia a los buques y la propulsión se refieren a la resistencia al movimiento en el agua causada principalmente por el flujo de agua alrededor del casco. El cálculo de potenciación se hace basado en esto.
• La propulsión se utiliza para mover el vaso a través del agua utilizando hélices, propulsores, chorros de agua, velas, etc. Los tipos de motores son principalmente combustión interna. Algunos buques tienen energía eléctrica utilizando energía nuclear o solar.
• Las mociones de la nave implican mociones del buque en fuga y sus respuestas en olas y viento.
• La control (manufactura) implica controlar y mantener la posición y dirección del buque.

Flotación y estabilidad

Mientras que sobre una superficie líquida un cuerpo flotante tiene 6 grados de libertad en sus movimientos, estos se clasifican en rotación o traslación.

• La traducción anticipada y aft se denomina cirugía.
• La traducción transversal se denomina sway.
• La traducción vertical se denomina cobertura.
• La rotación sobre un eje transversal se denomina trim o pitch.
• La rotación sobre un eje de ante y popa se denomina talón o rollo.
• La rotación sobre un eje vertical se denomina yaw.

Estabilidad longitudinal para inclinaciones longitudinales, la estabilidad depende de la distancia entre el centro de gravedad y el metacentro longitudinal. En otras palabras, la base sobre la cual el barco mantiene su centro de gravedad es la distancia que le separa de las secciones de popa y proa del barco.

Mientras un cuerpo flota sobre una superficie líquida, aún encuentra la fuerza de la gravedad empujándolo hacia abajo. Para mantenerse a flote y evitar hundirse existe una fuerza opuesta que actúa contra el cuerpo conocida como presiones hidrostáticas. Las fuerzas que actúan sobre el cuerpo deben ser de la misma magnitud y la misma línea de movimiento para mantener el cuerpo en equilibrio. Esta descripción de equilibrio solo está presente cuando un cuerpo que flota libremente está en agua tranquila, cuando están presentes otras condiciones cuya magnitud cambia drásticamente y crea el movimiento oscilante del cuerpo.

La fuerza de flotación es igual al peso del cuerpo, en otras palabras, la masa del cuerpo es igual a la masa del agua desplazada por el cuerpo. Esto agrega una fuerza ascendente al cuerpo por la cantidad de área de superficie multiplicada por el área desplazada para crear un equilibrio entre la superficie del cuerpo y la superficie del agua.

La estabilidad de un barco en la mayoría de las condiciones es capaz de superar cualquier forma o restricción o resistencia encontrada en mares agitados; sin embargo, los barcos tienen características de balanceo indeseables cuando el balance de las oscilaciones en el balanceo es dos veces el de las oscilaciones en el oleaje, lo que hace que el barco se vuelque.

Deck of an oil tanker, looking aft

Estructuras

Las estructuras implican la selección del material de construcción, el análisis estructural de la resistencia global y local de la embarcación, la vibración de los componentes estructurales y las respuestas estructurales de la embarcación durante los movimientos en la mar. Dependiendo del tipo de barco, la estructura y el diseño variarán en qué material usar y en qué cantidad. Algunos barcos están hechos de plástico reforzado con vidrio, pero la gran mayoría son de acero con posiblemente algo de aluminio en la superestructura. La estructura completa de la nave está diseñada con paneles de forma rectangular formados por planchas de acero apoyadas en cuatro aristas. Combinados en una gran área de superficie, los enrejados crean el casco del barco, la cubierta y los mamparos, al mismo tiempo que brindan apoyo mutuo a las cuadernas. Aunque la estructura del barco es lo suficientemente resistente para mantenerse unida, la principal fuerza que tiene que vencer es la flexión longitudinal que crea una tensión contra el casco, su estructura debe diseñarse de modo que el material se disponga lo más adelante y atrás posible. Los elementos longitudinales principales son la cubierta, el revestimiento del caparazón, el fondo interior, todos los cuales tienen la forma de rejillas, y los estiramientos longitudinales adicionales a estos. Las dimensiones del barco son para crear suficiente espacio entre los refuerzos para evitar el pandeo. Los buques de guerra han utilizado un sistema longitudinal de rigidez que han adoptado muchos buques comerciales modernos. Este sistema se usó ampliamente en los primeros barcos mercantes como el SS Great Eastern, pero luego se cambió a una estructura de marco transversal, otro concepto en el diseño del casco del barco que resultó más práctico. Este sistema se implementó más tarde en embarcaciones modernas como los petroleros debido a su popularidad y luego se denominó Sistema Isherwood. La disposición del sistema Isherwood consiste en rigidizar los tableros tanto laterales como inferiores mediante largueros, separados lo suficiente para que tengan la misma distancia entre ellos que los pórticos y las vigas. Este sistema funciona espaciando los miembros transversales que soportan los longitudinales en unos 3 o 4 metros, con el espaciamiento amplio esto provoca la fuerza transversal necesaria al desplazar la cantidad de fuerza que proporcionan los mamparos.

Arreglos

Los arreglos involucran diseño conceptual, diseño y acceso, protección contra incendios, asignación de espacios, ergonomía y capacidad.

Construcción

La construcción depende del material utilizado. Cuando se utiliza acero o aluminio, esto implica la soldadura de las placas y perfiles después del laminado, marcado, corte y doblado según los planos o modelos de diseño estructural, seguido del montaje y lanzamiento. Se utilizan otras técnicas de unión para otros materiales como el plástico reforzado con fibra y el plástico reforzado con vidrio. El proceso de construcción se piensa con cautela al considerar todos los factores como la seguridad, la resistencia de la estructura, la hidrodinámica y la disposición del barco. Cada factor considerado presenta una nueva opción de materiales a considerar, así como la orientación del barco. Cuando se considera la resistencia de la estructura, los actos de abordaje del buque se consideran en la forma en que se altera la estructura del buque. Por lo tanto, las propiedades de los materiales se consideran cuidadosamente ya que el material aplicado en el barco golpeado tiene propiedades elásticas, la energía absorbida por el barco golpeado se desvía en la dirección opuesta, por lo que ambos barcos pasan por el proceso de rebote para evitar daños mayores.

El portaaviones USS Kitty Hawk (CV-63) en Naval Station Pearl Harbor

Ciencia y artesanía

Tradicionalmente, la arquitectura naval ha sido más un oficio que una ciencia. La idoneidad de la forma de una embarcación se juzgó observando la mitad del modelo de una embarcación o un prototipo. Las formas desgarbadas o las transiciones abruptas estaban mal vistas como defectuosas. Esto incluía aparejos, arreglos de cubierta e incluso accesorios. Se utilizaron descriptores subjetivos como desgarbado, completo y bien como sustituto de los términos más precisos que se utilizan en la actualidad. Un recipiente fue, y todavía se describe, con una forma "justa". El término "justo" pretende denotar no solo una transición suave de proa a popa, sino también una forma que era "correcta". Determinar qué es "correcto" en una situación particular en ausencia de un análisis de apoyo definitivo abarca el arte de la navegación naval. arquitectura hasta nuestros días.

Las modernas computadoras digitales de bajo costo y el software dedicado, combinados con una extensa investigación para correlacionar los datos computacionales y del tanque de remolque a gran escala, han permitido a los arquitectos navales predecir con mayor precisión el rendimiento de un vehículo marino. Estas herramientas se utilizan para la estabilidad estática (intactas y dañadas), la estabilidad dinámica, la resistencia, la potencia, el desarrollo del casco, el análisis estructural, el modelado de agua verde y el análisis de impacto. Los datos se comparten regularmente en conferencias internacionales patrocinadas por RINA, la Sociedad de Arquitectos Navales e Ingenieros Marinos (SNAME) y otros. La dinámica de fluidos computacional se está aplicando para predecir la respuesta de un cuerpo flotante en un mar aleatorio.

La arquitecta naval

Arquitecto naval en el trabajo

Debido a la complejidad asociada con operar en un entorno marino, la arquitectura naval es un esfuerzo cooperativo entre grupos de personas técnicamente capacitadas que son especialistas en campos particulares, a menudo coordinados por un arquitecto naval líder. Esta complejidad inherente también significa que las herramientas analíticas disponibles están mucho menos evolucionadas que las utilizadas para diseñar aeronaves, automóviles e incluso naves espaciales. Esto se debe principalmente a la escasez de datos sobre el entorno en el que debe trabajar el vehículo marino y la complejidad de la interacción de las olas y el viento en una estructura marina.

Un arquitecto naval es un ingeniero responsable del diseño, la clasificación, el estudio, la construcción o la reparación de barcos, lanchas, otras embarcaciones marinas y estructuras en alta mar, tanto comerciales como militares, que incluyen:

• Naves mercantes – tanques de petróleo, tanques de gas, buques de carga, transportistas a granel, buques de contenedores
• Ferries de pasajeros/vehículo, cruceros
• Armarios – fragatas, destructores, portaaviones, barcos anfibios
• Vehículos submarinos y submarinos
• Icebreakers
• Artesanía de alta velocidad – aerogeneradores, naves de varios cascos, nave hidrofoil
• Barcos de trabajo – barcazas, barcos de pesca, anclaje buques de suministro de tug, buques de suministro de plataforma, barcos de tug, embarcaciones piloto, salvamento
• Yates, botes eléctricos y otras embarcaciones recreativas
• Plataformas terrestres y desarrollos de submarinas

Modelo de escala 1/100 de Veteran Class MT46 Tanker. Florida

Algunos de estos buques se encuentran entre los más grandes (como los superpetroleros), los más complejos (como los portaaviones) y las estructuras móviles de gran valor producidas por la humanidad. Por lo general, son el método más eficiente para transportar las materias primas y los productos del mundo. La ingeniería moderna a esta escala es esencialmente una actividad de equipo realizada por especialistas en sus respectivos campos y disciplinas. Los arquitectos navales integran estas actividades. Este papel de liderazgo exigente requiere cualidades gerenciales y la capacidad de reunir las demandas a menudo conflictivas de las diversas restricciones de diseño para producir un producto que sea adecuado para el propósito.

Además de este papel de liderazgo, un arquitecto naval también tiene una función de especialista para garantizar que se produzca un diseño seguro, económico, ambientalmente racional y marinero. Para llevar a cabo todas estas tareas, un arquitecto naval debe tener conocimientos de muchas ramas de la ingeniería y debe estar a la vanguardia de las áreas de alta tecnología. Él o ella debe poder utilizar de manera efectiva los servicios proporcionados por científicos, abogados, contadores y empresarios de muchos tipos.

Los arquitectos navales suelen trabajar para astilleros, armadores, firmas de diseño y consultorías, fabricantes de equipos, sociedades de clasificación, organismos reguladores (ley del Almirantazgo), marinas y gobiernos.