Arquitectura naval

La arquitectura naval , o ingeniería naval , es una disciplina de ingeniería que incorpora elementos de ingeniería mecánica, eléctrica, electrónica, de software y de seguridad, aplicados al proceso de diseño de ingeniería , construcción naval , mantenimiento y operación de buques y estructuras marinas . ^{[ 1 ] [ 2 ]} 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 detallado, construcción , pruebas , operación y mantenimiento, botadura y dique seco son las principales actividades involucradas. Los cálculos de diseño de buques también son necesarios para los buques que se modifican (mediante conversión, reconstrucción, modernización o reparación ). La arquitectura naval también implica la formulación de reglamentos de seguridad y reglas de control de daños, así como la aprobación y certificación de diseños de buques para cumplir con los requisitos legales y no legales.

La palabra «embarcación» incluye toda descripción de naves , principalmente barcos y botes , pero también incluye naves sin desplazamiento, naves WIG e hidroaviones , utilizadas o susceptibles de ser utilizadas como medio de transporte acuático . ^{[ 3 ]} Los elementos principales de la arquitectura naval se detallan en las siguientes secciones. ^{[ 4 ]}

La hidrostática se refiere a las condiciones a las que está sometida la embarcación mientras está en reposo en el agua y a su capacidad para mantenerse 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 haberse inclinado por el viento, el mar o las condiciones de carga). ^{[ 5 ]}

• La hidrodinámica se ocupa del flujo de agua alrededor del casco , la proa y la popa del barco , y sobre cuerpos como las palas de la hélice o el timón , o a través de los túneles de los propulsores.
• La resistencia y la propulsión de un buque se refieren a la resistencia al movimiento en el agua, causada principalmente por el flujo de agua alrededor del casco. El cálculo de la potencia se realiza en función de esto.
• La propulsión se utiliza para desplazar la embarcación por el agua mediante hélices , propulsores, chorros de agua , velas , etc. Los motores son principalmente de combustión interna . Algunas embarcaciones funcionan con energía eléctrica, ya sea nuclear o solar .
• Los movimientos de un buque comprenden los movimientos de la embarcación en alta mar y sus respuestas a las olas y al viento. ^{[ 6 ]}
• La controlabilidad (maniobrabilidad) implica controlar y mantener la posición y la dirección de la embarcación.

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

• Traducción
  • Balanceo: transversal
  • Oleaje: hacia adelante y hacia atrás
  • Elevación: vertical
• Rotación
  • Guiñada: respecto a un eje vertical
  • Inclinación o ajuste: respecto a un eje transversal
  • Balanceo o inclinación: alrededor de un eje longitudinal.

La estabilidad longitudinal para inclinaciones longitudinales depende de la distancia entre el centro de gravedad y el metacentro longitudinal. En otras palabras, el centro de gravedad del buque se mantiene a una distancia igual tanto de la sección de popa como de la de proa.

Mientras un cuerpo flota sobre una superficie líquida, sigue experimentando la fuerza de la gravedad que actúa sobre él. Para mantenerse a flote y evitar hundirse, existe una fuerza opuesta que actúa sobre el cuerpo, conocida como presión hidrostática. Para que el cuerpo se mantenga en equilibrio, las fuerzas que actúan sobre él deben tener la misma magnitud y la misma dirección de movimiento. Esta descripción del equilibrio solo se da cuando un cuerpo flota libremente en agua en reposo; en otras condiciones, la magnitud de estas fuerzas cambia drásticamente, creando el movimiento oscilatorio del cuerpo. ^{[ 7 ]}

La fuerza de flotación es igual al peso del cuerpo; es decir, la masa del cuerpo es igual a la masa del agua desplazada por el cuerpo. Esto añade una fuerza ascendente al cuerpo, equivalente al producto de la superficie del cuerpo y la superficie del agua, para crear un equilibrio entre la superficie del cuerpo y la del agua.

La estabilidad de un buque en la mayoría de las condiciones le permite superar cualquier forma de restricción o resistencia que encuentre en mares agitados; sin embargo, los buques presentan características de balanceo indeseables cuando el equilibrio de las oscilaciones de balanceo es el doble que el de las oscilaciones de cabeceo, lo que provoca que el buque zozobre. ^{[ 8 ]}

El diseño estructural abarca la selección del material de construcción, el análisis estructural de la resistencia global y local del buque, la vibración de los componentes estructurales y las respuestas estructurales del buque durante los movimientos en alta mar . Según el tipo de buque, la estructura y el diseño variarán en cuanto al material a utilizar y su cantidad. Algunos buques están hechos de plásticos reforzados con fibra de vidrio, pero la gran mayoría son de acero, posiblemente con algo de aluminio en la superestructura. ^{[ 7 ]}

La estructura completa del buque está diseñada con paneles de forma rectangular, compuestos por planchas de acero apoyadas en sus cuatro bordes. Combinados en una gran superficie, los entramados conforman el casco , la cubierta y los mamparos, proporcionando a su vez soporte mutuo a las cuadernas. Si bien la estructura del buque es lo suficientemente robusta como para mantenerse unida, la principal fuerza que debe superar es la flexión longitudinal, que genera tensión en el casco. Por ello, su estructura debe diseñarse de manera que el material se distribuya lo más adelante y más atrás posible. ^{[ 7 ]}

Los elementos longitudinales principales son la cubierta, el revestimiento del casco y el fondo interior, todos ellos en forma de rejillas, con refuerzos longitudinales adicionales. Las dimensiones del buque están diseñadas para crear suficiente espacio entre los rigidizadores y evitar el pandeo. Los buques de guerra han utilizado un sistema de rigidización longitudinal que muchos buques mercantes modernos han adoptado. Este sistema se utilizó ampliamente en los primeros buques mercantes, como el SS Great Eastern , pero posteriormente se cambió a una estructura de entramado transversal, otro concepto en el diseño de cascos de buques que resultó más práctico. Este sistema se implementó más tarde en buques modernos, como los petroleros, debido a su popularidad, y entonces se denominó Sistema Isherwood . ^{[ 7 ]}

La disposición del sistema Isherwood consiste en rigidizar las cubiertas laterales e inferiores mediante elementos longitudinales, separados lo suficiente como para mantener la misma distancia entre sí que entre los marcos y las vigas. Este sistema funciona espaciando los elementos transversales que soportan los longitudinales unos 3 o 4 metros. Este amplio espaciamiento genera la resistencia transversal necesaria al distribuir la fuerza que proporcionan los mamparos. ^{[ 7 ]}

La planificación abarca el diseño conceptual , la distribución y el acceso, la protección contra incendios , la asignación de espacios, la ergonomía y la capacidad .

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 botadura . 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 planifica cuidadosamente teniendo en cuenta todos los factores como la seguridad, la resistencia de la estructura, la hidrodinámica y la disposición del buque. Cada factor considerado presenta una nueva opción de materiales a considerar, así como la orientación del buque. Cuando se considera la resistencia de la estructura, se consideran los actos de colisión de buques en la forma en que se altera la estructura de los buques. Por lo tanto, las propiedades de los materiales se consideran cuidadosamente, ya que el material aplicado al buque impactado tiene propiedades elásticas, la energía absorbida por el buque impactado se desvía en la dirección opuesta, por lo que ambos buques experimentan un proceso de rebote para evitar daños mayores. ^{[ 9 ]}

Tradicionalmente, la arquitectura naval ha sido más un arte que una ciencia. La idoneidad de la forma de un buque se juzgaba observando una maqueta o un prototipo. Las formas desgarbadas o las transiciones abruptas se consideraban defectos. Esto incluía el aparejo, la disposición de las cubiertas e incluso los accesorios. Se utilizaban descriptores subjetivos como desgarbado , robusto y fino en lugar de los términos más precisos que se usan hoy en día. Un buque se describía, y aún se describe, como de forma "aceptable". El término "aceptable" no solo denota una transición suave de proa a popa, sino también una forma "correcta". Determinar qué es "correcto" en una situación particular, en ausencia de un análisis definitivo que lo respalde, sigue siendo el arte de la arquitectura naval hasta el día de hoy.

Las modernas computadoras digitales de bajo costo y el software especializado, junto con una extensa investigación para correlacionar datos a escala real, de tanques de remolque y computacionales, han permitido a los arquitectos navales predecir con mayor precisión el rendimiento de un vehículo marino. Estas herramientas se utilizan para la estabilidad estática (intacta y dañada), la estabilidad dinámica, la resistencia, la propulsión, el desarrollo del casco, el análisis estructural , el modelado de aguas abiertas y el análisis de impactos. Los datos se comparten regularmente en conferencias internacionales patrocinadas por RINA , la Sociedad de Arquitectos Navales e Ingenieros Marinos (SNAME) y otras organizaciones. La dinámica de fluidos computacional se está aplicando para predecir la respuesta de un cuerpo flotante en un mar con condiciones aleatorias.

Debido a la complejidad inherente a la operación en un entorno marino, la arquitectura naval es un esfuerzo cooperativo entre grupos de personas con habilidades técnicas especializadas en campos específicos, a menudo coordinadas por un arquitecto naval principal. ^{[ 10 ]} Esta complejidad también implica que las herramientas analíticas disponibles están mucho menos desarrolladas que las utilizadas para el diseño de aeronaves, automóviles e incluso naves espaciales. Esto se debe principalmente a la escasez de datos sobre el entorno en el que debe operar el vehículo marino y a la complejidad de la interacción de las olas y el viento sobre una estructura marina.

Un arquitecto naval es un ingeniero responsable del diseño, clasificación, inspección, construcción y/o reparación de buques, barcos, otras embarcaciones marinas y estructuras marinas, tanto comerciales como militares, incluyendo:

• Buques mercantes : petroleros , gaseros , cargueros , graneleros , portacontenedores.
• Transbordadores de pasajeros/vehículos , cruceros
• Buques de guerra : fragatas , destructores , portaaviones , buques anfibios
• Submarinos y vehículos submarinos
• Rompehielos
• Embarcaciones de alta velocidad : aerodeslizadores , buques multicasco , embarcaciones con hidroalas.
• Embarcaciones de trabajo: barcazas , barcos de pesca , remolcadores de suministro y manejo de anclas , buques de suministro para plataformas , remolcadores , buques piloto, embarcaciones de rescate
• Yates , lanchas a motor y otras embarcaciones de recreo.
• Plataformas marinas y desarrollos submarinos

Algunas de estas embarcaciones se encuentran entre las estructuras móviles más grandes (como los superpetroleros ), más complejas (como los portaaviones ) y de mayor valor jamás construidas por la humanidad. Suelen ser 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 llevada a cabo por especialistas en sus respectivos campos y disciplinas. Los arquitectos navales integran estas actividades. Este exigente rol de liderazgo requiere cualidades de gestión y la capacidad de conciliar las demandas, a menudo contradictorias, de las diversas restricciones de diseño para producir un producto que cumpla su propósito. ^{[ 11 ]}

Además de su rol de liderazgo, un arquitecto naval también desempeña una función especializada al garantizar un diseño seguro, económico, respetuoso con el medio ambiente y apto para la navegación . Para llevar a cabo todas estas tareas, un arquitecto naval debe comprender diversas ramas de la ingeniería y estar a la vanguardia en áreas de alta tecnología. Asimismo, debe ser capaz de utilizar eficazmente los servicios de científicos, abogados, contadores y empresarios de diversa índole.

Los arquitectos navales suelen trabajar para astilleros , armadores, empresas de diseño y consultoría, fabricantes de equipos, sociedades de clasificación , organismos reguladores ( derecho marítimo ), armadas y gobiernos.

• Autodesk Inventor , incluyendo Nastran FEM
• Diseño de alojamiento con Autodesk Revit , diseño de instalaciones electromecánicas, disposición general
• Aveva - Tribon ^{[ 12 ]}
• Sistema FORAN
• NAPA
• Orca3D - complemento para Rhinoceros 3D
• Casco seguro
• Sésamo

• Ferreiro, Larrie D. (2007). Buques y ciencia: El nacimiento de la arquitectura naval en la Revolución Científica, 1600-1800 . MIT Press. ISBN 978-0-262-06259-6.
• Ferreiro, Larrie D. (2020). Uniendo los mares: El auge de la arquitectura naval en la era industrial, 1800-2000 . MIT Press. ISBN 978-0-262-53807-7.
• Paasch, H. Diccionario de términos navales, desde quilla hasta bogie . Londres: G. Philip & Son, 1908.