Unidad IV Carga de Contenedores

Disposición de los buques Portacontenedores

El nacimiento de los grandes buques porta-contenedores, entre los cuales se destacan los gigantes que rozan la barrera de los 19.700 TEU´s como es el caso del MSC Oscar y que al mismo tiempo son capaces de desarrollar velocidades de crucero de 25,5 nudos, no hay duda de que se ha entrado en una nueva era de interdependencia mundial y que no hay posibilidad de vuelta atrás.

Entre los cam,bios mas fundamentales desde el punto de vista estructural y por ende su disposición tenemos los siguientes:

1.      El aumento en la eslora ha llevado a que las acomodaciones de estos buques porta-contenedores tiendan a ser construidas hacia la proa dejando la sala de máquinas a popa en función a la capacidad de TEU’s y la visibilidad.

2.      Para los buques porta-contenedores con esloras mayores de 150 metros la estructura es longitudinal.

3.      En sus extremos de proa, popa, y de la cámara de maquinas, cuando está ubicada a popa, por lo general es del tipo mixto compuesta de elementos tanto longitudinales como transversales.

4.      Disponen mamparos transversales del tipo doble estanco, que se destinan para lastre y más innovadoramente para combustible, y otras estructuras transversales intermedias no estancas bajo brazolas de escotillas que, en ambos casos, soportan las guías de los contenedores.

5.      El espaciado de los refuerzos horizontales en la zona inferior, si los hubiese, se ubican siguiendo la posición de plataformas en línea con la parte superior del contenedor.

6.      El espaciado de los palmejares o plataformas en el doble casco debe coincidir con la altura del contenedor, esto obedece sencillez estructural.

7.      Debe considerarse que al estrecharse las formas del buque han de suprimirse paulatinamente los contenedores más bajos y laterales, debiendo aparecer plataformas horizontales  y mamparos longitudinales  que les sustituyan para servir de apoyo al contenedor o contenedores de su columna, y de ahí la conveniencia de que el puntal de la plataforma coincida con la altura del contenedor eliminado. Si la solución de plataformas supone un incremento importante del peso estructural, como mínimo deben situarse los refuerzos horizontales del doble casco a dichas alturas, para disponer de una adecuada continuidad estructural.

8.      Las tapas de escotillas normalmente son del tipo pontón y dimensionadas de manera tal que el peso de la misma pueda ser manejable por las mismas grúas de la terminal o del buque en sí.

9.      La altura de los doble fondo y doble casco, de estos buques, varían en función al tamaño del mismo, entre 1 ½  metros y 2 metros, y el ancho del doble casco es de 0,1 veces la manga (B*0,1), aunque no suelen superar los 2 ½  metros. Tanto el doble casco y sobre todo el doble fondo se habilitan para tanques de lastre y en ocasiones de combustible ellos son un elemento primordial en la estabilidad para este tipo de buques.

10.  La estructura en la zona de carga está completamente condicionada para modular los contenedores.

11.  El espaciado de las vagras en el doble fondo, corresponden exactamente con la situación longitudinal de las guías celulares, para evitar refuerzos adicionales. Esto mismo es aplicable a la situación de varengas, y por ende a la clara entre cuadernas, y a la situación transversal de las guías.

12.  Grandes  aberturas a la altura de la cubierta principal dejando un área pequeña para  las tracas de  esta cubierta las cuales son usadas para el aumento de la resistencia viga-casco del buque.

13.  Aumento del puntal del buque de un contenedor estándar en cuatro o cinco alturas, como consecuencia de la eliminación de las tapas de bodega.

Esto conlleva a una serie de variable en lo que respecta a su seguridad como lo son:

1.      Las pantocarenas y las formas del buque sobre la línea de flotación con un diseño fino a proa, muy abanicado, producen mayores ángulos de escora resultando que el buque esté más propenso a distintas frecuencias de ola. Esto genera resonancia paramétrica del buque.

2.      En estos buques los movimientos violentos generan aceleraciones que producen cargas extremas en la estructura de los contenedores y sus elementos de trinca, provocando ya sea la caída al agua o su colapso físico.

3.      En su parte alta, se presentan problemas considerables por las grandes aberturas de las bocas de escotillas, que generan poca resistencia para los momentos flectores longitudinales verticales y los momentos de torsión al paso por las crestas de las olas. Estos esfuerzos exigen un trabajo considerable en las uniones de sus elementos estructurales exponiéndolos a fatigas puntuales.  Igualmente esta está sujeta a deformaciones diagonales. Dada esta condición estos buques exigen una evaluación de las fuerzas de torsión en su etapa de diseño estructural.

4.      En lo referente a su estabilidad, el intervalo de la ola a lo largo de la eslora del buque modifica su plano de flotación induciendo en algunas oportunidades a una variación de ésta, y por lo tanto su momento de inercia transversal, y con ello la distancia del CM y su GM.

5.      En la transición de las estructuras de elementos tanto longitudinales como transversales (mixtos) ubicados en los extremos de proa, popa, y la cámara de maquinas, se presentan conflictos entre las resistencia transversal con respecto a la longitudinal generadas por la torsión y combinación de cargas en el lugar.

Arreglo General

Seccion media del buque porta contenedores.

Copia del trabajo de grado titulado: 

“Efectos de las Nuevas Tendencias en la Construcción de Buques Porta-Contenedores en la Seguridad Marítima.” (Gonzalez 2011).
Estructura de los espacios de carga en buques porta contenedores. Alvariño, Azpíroz, y Meizoso (2007). Señalan que “La estructura de la zona de carga está completamente condicionada a los  modularización de los contenedores.” (P.457)

La configuración exacta de los espacios de carga es la de un buque abierto, en forma de U. igualmente se disponen de doble fondos y doble casco, las altura de estos tanques varían dependiendo del  tamaño del buque, entre los dos metros y el metro y medio, y la anchura del doble casco es del orden de 0,1 B, aunque con regularidad no supera los dos metros y medio. Estos espacios se habilitan para lastre y en ocasiones combustible lugares de mucha importancia para la estabilidad de esta clase de buques. (Alvariño y otros, 2007).

Para el diseño y evaluación de la estructura del casco, deberán considerarse las siguientes cargas debido a los contenedores cargados: (a) Peso estático, (b) Fuerzas dinámicas debidas al cabeceo y balance del buque y (c) Fuerzas internas debido a la aceleración.

Para el diseño y evaluación de la estructura del casco, todos los contenedores se considerarán estibados en bloque en bodega y sobre cubierta. Todos los contenedores en bodega se considerarán estibados y retenidos mediante las guías de las celdas.

Las cargas debidas a la estiba de los contenedores sobre cubierta deberán aplicarse a las brazolas de las escotillas, o las estructuras de soporte que corresponda. (ABS, 2009).

BV (2009), complementa estableciendo en sus reglas para la construcción de buques de acero, que la  determinación del escantillonado requerido para las principales estructuras de soporte, como las vagras, varengas, bulárcamas y otras, las cargas nominales inducidas por las presiones externas, los tanques de lastre y la distribución de la carga deberán considerarse en la peor condición. En general se tendrán en cuenta dos casos para la determinación de los efectos de los componentes de las cargas dinámicas: (a) Máxima carga interna o presión para una bodega completamente cargada, cuando la bodega adyacente esté vacía y con mínima presión exterior, (b) Bodega de carga vacía con las bodegas adyacentes a proa y popa completamente cargadas y máxima presión externa. (BV 2009)

Estructura de las tapas de bodegas de los buques porta-contenedores. En todos los buques modernos 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. Estas son aberturas con cierres no permanentes, que se realizan en las cubiertas con el fin de permitir la carga y descarga de las bodegas, teniendo dimensiones que dependerán de las funciones del buque, llegando en algunos casos, como en los buques portacontenedores a dimensiones tales que ocupan casi la  totalidad de la cubierta. Estas discontinuidades que se presentan en las cubiertas y que por otra parte no son posibles de eliminar, originan grandes perturbaciones en la resistencia estructural de la viga-casco, por lo que han de estudiarse detenidamente con el fin de reducir al máximo los problemas, no sólo la falta de resistencia sino también de tipo constructivo. Dentro del estudio que ha de realizarse de las escotillas, se puede agrupar éste según dos conceptos: la abertura y los cierres, ya que éstos al mismo tiempo que dan estanqueidad han de proporcionar resistencia a la estructura de la cubierta que, como se ha indicado, ha sido debilitada por la abertura. Cualquier abertura que se realice en una estructura, origina una discontinuidad que se refleja especialmente en una disminución de la resistencia y una distribución no uniforme de las líneas de fuerza que la recorren, siendo el origen de concentración de esfuerzos en determinadas zonas. Si se analiza gráficamente la cubierta, la cual es recorrida por una serie de líneas de fuerza, distribuidas uniformemente, a la que se ha practicado una discontinuidad. (Eyres, 2007)

 Este efecto de aumento de esfuerzos crea otra zona en las que prácticamente no actúan esfuerzos y por lo tanto para efectos de cálculo de resistencia general del casco no debe ser considerada, la cual se sitúa entre aberturas próximas, ya que se encuentran modificadas las líneas de fuerza y la continuidad sólo es posible no circulando por esas áreas. El ángulo de entrada y salida se considera como aproximación de 30º. (BV, 2009)

Para evitar los problemas derivados de las aberturas de escotillas han de tomarse en cuenta los siguientes principios: (a) Se deberán reforzar las planchas y elementos de soporte en los laterales longitudinales de las escotillas. Con este reforzamiento se compensará en parte el acero eliminado por la abertura, al mismo tiempo que se harán más resistentes para la  mayor concentración de esfuerzos, (b) Las esquinas de la abertura se realizarán redondeadas para facilitar la continuidad de las líneas de fuerza a la vez que evitar por la misma causa, fracturas en la plancha, (c) Para compensar la pérdida de resistencia y disponer de máxima resistencia contra esfuerzos en las esquinas, se colocarán planchas de diamante o dobles en las mismas, aumentando de esta forma el espesor y el reparto de esfuerzos por lo tanto será más adecuado. Estas planchas se soldarán con las adyacentes cuidando mantener una continuidad con los sistemas apropiados, (d) Todo el reforzamiento en base a elementos de soporte se hará de tal modo que su resistencia sea máxima, basándose fundamentalmente en la colocación de esloras y baos reforzados en los laterales, tanto longitudinales como transversales de las aberturas, así como en el resto, tratando de transmitir al máximo los esfuerzos a las estructuras de costado y mamparos y al fondo a través de los puntales y (e)  Se tratará de dar resistencia a la cubierta con la colocación de elementos específicos, como son las brazolas y cierres metálicos de las escotillas. (IACS, 2005).

Siguiendo estos principios como elementos estructurales con características especiales se pueden considerar: (a) Forro de cubierta de escantillón superior en los laterales de las aberturas, (b) Esquinas redondeadas y de mayor espesor o plancha doble, (c) Elementos estructurales reforzados, esloras y baos reforzados, en el perímetro de la escotilla, así como elementos de transmisión a los costados y mamparos, (d) Puntales próximos a la abertura para transmisión de los esfuerzos al fondo del buque y (e) Brazolas que aumenten la resistencia suministrada por los refuerzos  estructurales.

Las brazolas de escotilla, que además de la misión básica de reforzamiento de abertura, cumplen funciones de seguridad contra estanqueidad en la cubierta superior o de franco-bordo, deberán su forma y construcción al tipo de cierre que disponga la escotilla. (Rawson, y Tupper, 2001b).

Antes de tratar la planificación de la carga es conveniente entender loa esfuerzos que deberán soportar así como las tensiones estáticas.

La principal causa es la presión debida al apilamiento que puede dar lugar a que la carga se desfonde o se doble.

Esta presión dependerá de la dimensión, peso, forma y altura de las unidades apiladas.
Las tensiones dinámicas se producen cuando se estiba el contenedor, durante su transporte y manipulación. Hay diferencias entre las aceleraciones, las sacudidas y las vibraciones. Las aceleraciones y sacudidas suceden durante la carga, elevación, arriado, manejo, frenadas.

En la mar el contenedor y, consecuentemente, su carga, estará sometido a continuas aceleraciones, debido a los balances, cabezadas, guiñadas, pantocazos.

Las vibraciones del buque también afectarán a la carga.

A bordo, las aceleraciones dependen de las dimensiones y forma del buque, la situación de su centro de gravedad y de flotación, su velocidad, sus movimientos lineales y rotacionales, y, por supuesto, las combinaciones de las variables anteriores. 

Tensiones sobre la carga debidas al transporte. 

Guiñadas: Supone la rotación del buque alrededor de sus ejes verticales. Ocurre debido a la imposibilidad de que la dirección del buque siga un curso absolutamente derecho. Dependiendo de las condiciones del mar y de la desviación del timón, el buque girará alrededor de su derrota. 

Oscilaciones verticales: Supone la aceleración hacia arriba y hacia abajo del buque sobre su eje vertical. Sólo con una calma absoluta, estos movimientos están en equilibrio, y así el buque flota en calma. Cuando predominan los senos, el buque se hunde (foto superior) y si predominan las crestas se eleva (foto inferior). Estas oscilaciones constantes originan notables efectos en los contenedores y sus contenidos.

Movimientos lineales a lo largo del eje longitudinal del barco, y del eje transversal del mismo: En ellos, el movimiento del buque acelera y desacelera al buque hacia proa y popa y de una banda a otra. Si la zona de proa está sobre un lado de la cresta de la ola y la de popa sobre el otro lado, el casco del buque podrá estar sujeto a importantes fuerzas de torsión. 

Balances: Es el movimiento del buque alrededor de su eje longitudinal y supone un movimiento de banda a banda.
El ángulo es medido con relación a la horizontal. Los dibujos muestran ángulos de 10º (los más usuales) y de 30º.

Cabezadas: Es el movimiento del buque alrededor de su eje transversal.

En este movimiento el buque es levantado por la proa y bajado por la popa y viceversa. Los ángulos varían con la eslora del buque: en buques pequeños oscila entre 5 y 8 grados, mientras que en buques grandes son normalmente de menos de 5º. En un porta-contenedor de 300 m de eslora con un ángulo de 3º, un contenedor estibado en un hueco cerrado de proa o popa a una distancia de 140 m del eje de cabezada, cubrirá una distancia de 29 m en un ciclo, siendo elevado 7.33 m por encima de la horizontal y descendiendo después 14.66 m para ser finalmente elevado otros 7.33 m, iniciándose de nuevo el proceso.

Aceleraciones experimentadas por el buque en su eje longitudinal y transversal en diferentes lugares geográficos.

A los valores anteriores, además de la variación dinámica anotada se deberá añadir la fuerza gravitacional estática y obtendremos valores de la magnitud de la figura que representamos.

En el “German Federal Bolletin” podemos leer estos valores de aceleración de las cargas a bordo. En el cuadro de la derecha un buque de 100 metros de eslora, navegando a 15 nudos y con una relación entre la manga del buque y su altura metacéntrica ≥13.

Ejemplo de un plano de carga de un buque porta contenedor: