En un miembro estructural, a la fuerza aplicada por unidad de área, se la denomina "tensión". Normalmente se expresa en libras por pulgada cuadrada (p.s.i.)o en kg/mm2. A la modificación correspondiente que sufre por unidad de longitud, se la denomina "deformación". Dentro del período elástico del acero, las tensiones son proporcionales a las deformaciones. Por ejemplo, duplicando la tensión, se duplica también la deformación. Cuando la tensión tiende a extender o alargar al material, se la denomina "tensión de tracción" y produce una "deformación por tracción". Cuando la tensión tiende a acortar o contraer al material, se la denomina "tensión de compresión" y se obtiene una "deformación por compresión".
Un buque flotando en aguas tranquilas o sobre las olas, está sometido a fuerzas que actúan hacia arriba y hacia abajo, a lo largo de su eslora. Estas fuerzas verticales se denominan "fuerzas cortantes", o simplemente "fuerzas de corte", dado que ellas tienden a cortar el buque en rebanadas verticales.
Las tensiones de tracción o compresión, en un buque en estado de flexión, varían gradualmente desde un máximo en la cubierta o en el fondo, hasta cero a la altura de, o cercano a, la mitad del puntal. La posición en el cual el esfuerzo de flexión es cero, se denomina "eje neutro".
El "momento de inercia" de la sección transversal de un buque relativo a la carga longitudinal, es la suma de los productos de cada elemento "efectivo" de área (a ambos lados del eje neutro) multiplicada por el cuadrado de la distancia de dichos elementos al eje neutro.
El "módulo resistente" para cualquier fibra longitudinal de una sección transversal de la viga buque, es igual al momento de inercia de la sección transversal total, dividido por la distancia entre la fibra considerada y el eje neutro. La tensión de flexión en esa fibra particular, es igual al momento flector del casco dividido por el correspondiente módulo resistente. Si el eje neutro de la sección transversal del buque, no pasa por la mitad de su puntal, ni los módulos resistentes, ni las tensiones de flexión en la cubierta y en el fondo, serán iguales. Para un momento flector dado, la tensión de flexión depende de la ubicación de la fibra en cuestión, tensionada, y del valor del módulo resistente correspondiente; cuanto menor sea el módulo resistente, mayor será la tensión y viceversa.
El buque puede ser comparado con una viga cajón, donde los costados del casco (ambos lados) son el alma y la cubierta y el fondo son las alas de la viga.
Cuando el buque tiene más de una cubierta, generalmente a una de ellas se la denomina cubierta resistente y se la diseña de forma tal, que se la considera como el ala superior de la viga cajón. La cubierta resistente, el fondo y los costados, conocidos también como "componentes primarios de la viga casco", constituyen lo que se denomina "envuelta resistente". La viga casco tiene además, otros miembros, que se denominan "componentes secundarios de la viga casco". Ambos componentes, primarios y secundarios, se muestran en la fig. 1.21. Debido a la naturaleza de las fuerzas que actúan normalmente en un buque, el momento flector longitudinal es mayor en la porción central de su eslora. Los valores de éste decrecen hacia los extremos del buque y es prácticamente despreciable en los mismos.
Algunas discontinuidades suaves y cuidadosamente controladas tal como sucede en las zonas de aberturas, extremos de la quilla de rolido, etc., y la presencia de concentración de tensiones, son inevitables en el diseño de un buque. Con excepción de estas circunstancias inevitables, las concentraciones de tensiones, particularmente aquellas que involucran discontinuidades bruscas o entalladuras (incluyendo cortes o bordes mellados, huecos en soldaduras, etc., debido a una fabricación de mala calidad), son peligrosas y deben ser eliminadas.
La concentración de tensiones en el lugar de una discontinuidad, comúnmente se define como la relación ''K'' de la tensión local en un punto y la tensión promedio en el material neto de la sección mínima (esta última por "ejemplo, es la tensión en la sección neta a través del agujero, ''P/2a'' en la fig. 1.25). Algunas veces, el factor de concentración de tensiones se define como la relación entre la tensión local en un punto y la tensión uniaxial predominante en un punto muy distante de la zona de aumento de la misma (esta posición se considera generalmente en el infinito). La última sería, la tensión uniforme que existiría si no hubiese aberturas u otra causa de elevación de tensiones. Este factor, se simboliza con la letra "k". Estas relaciones, ''K'' y "k", son mayores que la unidad en las cercanías de una discontinuidad y pueden llegar hasta un valor tres y aún mayor en el punto inmediato a la misma.
Una entalladura, produce un "estado de tensión triaxial" en una estructura.
Dado que virtualmente en todos los casos, una concentración de tensiones estará también presente en una entalladura, la condición de tensión aumentada resultante es particularmente grave y susceptible de producir una falla por rotura.
Estas tensiones son especialmente serias en chapas de acero gruesas, debido a su elevada temperatura de transición, más la capacidad creciente que tienen estas chapas para producir tensión triaxial. Una condición de tensión triaxial significa, que la falla ocurrirá con un poco o nada de deformación. Este tipo de lidia, llamada "fractura por fragilidad", se produce solamente por tensión de tracción y conduce a una fractura perpendicular a la superficie de la chapa, en contraste con la fractura dúctil que se desarrolla a 45° del plano de la misma.
Asimismo, la fractura por fragilidad tiene un aspecto "brilloso" y "granular" con una típica forma de espina de pescado, en oposición con el aspecto característico de la fractura dúctil, que es aterciopelado gris opaco.
Las fracturas por fragilidad, por ejemplo fisuras, están sujetas a una repentina y catastrófica iniciación y propagación. El más serio rasgo de ésta, es que este fenómeno es de una característica distinta, de la normal y supuesta característica de ductilidad del acero naval. Bajo esta característica distinta, que involucra un estado de tensión triaxial, cuando la temperatura de operación de la chapa de acero está por debajo de su temperatura de transición (como sucede en invierno), las propiedades de una falla como la fractura por fragilidad, se transforman en las de una falla por ductilidad. Bajo tales circunstancias, las fallas ocurren con una gran reducción de la tensión aplicada (y también una reducción en la deformación resultante del material), comparado con el deseado o esperado comportamiento dúctil.
La composición química de los aceros y su proceso de fabricación pueden ser graduados, para bajar la "temperatura de transición",' que para un conjunto dado de circunstancias, es la temperatura por sobre la cual no ocurrirá la fractura por fragilidad.
La "fractura por fatiga", la cual es una falla que progresa lentamente durante un largo período de tiempo, puede ser producida por tensiones de tracción o compresión, o una combinación de ambas. Esta se produce como consecuencia de aplicar tensiones variables o cíclicas, durante un largo período de tiempo, según se mencionó en párrafos anteriores. Las fracturas por fatiga, pueden ser causada~ por tensiones mucho menores que las estáticas necesarias para producir fallas repentinas y catastróficas.
Los "puntos duros", es decir, los puntos o zonas de alta rigidez en miembros estructurales muy tensionados, que en otras circunstancias se los puede considerar como relativamente blandos (o de menor rigidez), son generalmente la causa de fallas por fatiga bajo tensiones cíclicas. La unión de una escuadra rígida directamente al enchapado no rígido, de un mamparo divisorio de un tanque, es un buen ejemplo de punto duro.
Una fractura por fatiga como la que se muestra en la fig. 1.34, presenta los siguientes rasgos característicos: a) una serie de superficies suaves y pulidas, producida por el rozamiento de una contra otra y b) las líneas que indican el progreso gradual de la fisura. La fractura final, es de una textura granular y su aspecto similar a la de una fractura por fragilidad.
Como se ha mencionado anteriormente, para un buen diseño y fabricación de los detalles estructurales de un buque, se deben evitar en lo posible, las discontinuidades o las concentraciones de tensiones. A tal efecto, se deberá tener gran cuidado con los miembros estructurales primarios que componen la viga casco y con algunas zonas localizadas que serán mencionadas más adelante. Los componentes secundarios de la viga buque, también requieren una atención adecuada, en relación con el importante rol que desempeñan en la resistencia total del buque y están directamente unidos a los componentes primarios de la viga casco.
A continuación, se enumeran algunas reglas generales relativas al diseño y fabricación de detalles estructurales:
1) Evitar dentro de lo posible, las discontinuidades en regiones de tensiones elevadas de la envuelta longitudinal resistente y en regiones similares altamente tensionadas, en los miembros longitudinales unidos a la misma.
2) Se debe tener el mayor cuidado respecto al diseño y fabricación de discontinuidades inevitables, en las alas altamente tensionadas de la viga casco del buque, especialmente en el fondo y en la cubierta resistente.
3) Los extremos de la estructura longitud in al del casillaje, son discontinuidad es y también son zonas de elevada concentración de tensiones.
Esto es válido tanto para la estructura longitudinal del casillaje (en la cercanía del nivel de la cubierta), como para la estructura del casco a la cual está unida.
Cualquier discontinuidad o imperfección adicional, es especialmente peligrosa en estas zonas y deberán ser, si es posible, evitadas. Por lo general, es necesario reforzar la estructura longitudinal del casillaje y la cubierta, así como otras discontinuidades en esa zona (la palabra "casillaje" según se utiliza aquí, incluye las sobre-estructuras, donde el costado del casillaje es una prolongación del casco).
4) Cuando el buque está escorado, las esquinas de la viga cajón que forma el buque, contienen las fibras más alejadas del eje neutro. Como consecuencia, las tensiones de flexión longitudinales máximas pueden producirse en el trancanil, la traca de cinta o en el pantoque, que, son los que forman estas esquinas. Luego, deberán ser diseñados y fabricados con gran cuidado.
5) El momento flector longitudinal y las correspondientes tensiones de flexión, son mayores en la porción central del buque. En consecuencia, las reglas anteriores deben ser aplicadas cuidadosamente en esa zona.
6) Siempre que se intersecan estructuras cargadas, existe una transferencia de carga de un miembro a otro. Hay también una posibilidad de que se produzcan tensiones elevadas de corte en la intersección y en las zonas contiguas. Estas tensiones se suman a las tensiones locales de flexión (que pueden ser (elevadas o bajas) que resultan de la acción local de la viga buque. Se deberá tener entonces especial cuidado con el diseño y la fabricación de estos detalles estructurales.
7) Los valores de las tensiones de corte pueden ser significativos, aproximadamente en la zona ubicada en la mitad del puntal de la viga casco a un cuarto de la eslora desde los extremos (a esta posición se la denomina comúnmente "puntos a un cuarto"). Esta área se debe considerar cuidadosamente con respecto a los detalles estructurales.
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| Tensiones y Deformaciones en los Buques |
