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 Introducción

 

 Pruebas de Estabilidad

PRUEBAS QUE SOPORTAN NUESTROS KAYAKS

 Resistencia Long.

 Resitencia Friccional

 Hidrodinámica (Última actualización: 28-01-2015)
 Ensambles

Artículo de: A.Merino. Capitán de la M.M.. Naval Systems&Applications Engineer

 Resistencia Seccional

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Por su interés en el tema, reproducimos aquí el Artículo Técnico enviado por nuestro amigo.

Introducción

Al igual que para cualquier tipo de embarcación, nuestros kayaks han de pasar un determinado número de pruebas que demuestren que el modelo cumple los requisitos de seguridad que se requieren.

Algunos diseñadores “copian” las formas y las características de un kayak, dando por supuesto que el fabricante original ya ha realizado los cálculos de estabilidad y llevado a cabo el número de pruebas que garantizarían el resultado del modelo. Este error, tan frecuente en este mundo, tiene como consecuencia, un resultado desastroso para el usuario final que confía en la adquisición de un modelo de "Tipo Aprobado” del que cree tener constancia que ha pasado algún tipo de pruebas.

Para asegurarse, incrementan el grueso de material y aplican refuerzos en zonas, más producto de la "intuición" que como resultado de pruebas y así, vemos con tanta frecuencia, kayaks que pesan más de 30 kilos sin razón aparente. Pero cuando se analiza la causa, observamos que se aplicó material en exceso en zonas que no tienen porqué soportar esfuerzos, mientras que las zonas más sensibles, carecen de éstos, "curándose en salud" para dar un margen de confianza a las zonas que cree son más débiles.

Por esta y otras razones, el usuario debe reclamar de los diseñadores que justifiquen los datos de su diseño, principalmente, aquellos que deben garantizar la seguridad, la estabilidad, la resistencia estructural del kayak y algo importante, el peso.

Conscientes de ello, cada uno de nuestros diseños, se somete a todas las pruebas de estabilidad y resistencia hidrodinámicas, que han de pasar satisfactoriamente, con lo que se le proporciona el Certificado de “Tipo Aprobado”, siempre que se cumplan unas determinadas normas de construcción que se facilitan para cada tipo de kayak. Las embarcaciones de INUIT – Kayaks, son así, la consecuencia de un detenido estudio del diseño y consecuencia de las pruebas de resistencia  y del comportamiento que se espera de estas embarcaciones, todo ello junto con la experiencia acumulada en construcción de kayaks S&G.

Después de las pruebas de una embarcación, salen a la luz resultados bastante reveladores, que permiten mejorar sensiblemente las condiciones de navegabilidad, sin alterar sus formas características, lo que nos ha llevado a producir esta nueva versión S&G muy mejorada de kayak tradicional.

Durante estos años, se han ido incorporando a los cascos originales, diferentes elementos en las áreas de montaje, como tipos de escotillas, mamparos, timones, orzas, etc. que han enriqueciendo el kayak, pero que paulatinamente, han ido modificando la resistencia estructural. Nuestros modelos están diseñados específicamente como kayak de mar para travesías recreativas prolongadas, incorporando las formas de casco ya experimentadas y la experiencia de construcción de los kayaks anteriores, garantizando así una gama de kayaks cuyas especificaciones y belleza sean capaces de satisfacer las exigencias de cualquier palista. Para llegar a esto, hemos tenido que pasar por muchos diseños y pruebas, desechando muchos modelos, hasta llegar a obtener un pequeño número de kayaks de cumplan los criterios de belleza, resistencia y estabilidad de los palistas más exigentes, entre los que también, nosotros nos encontramos.

Como kayak de mar, hemos prestado mucha atención al “francobordo” para aumentar la cubierta sobre la línea de flotación, principalmente en la zona del palista, proporcionando mayor seguridad y volumen de carga. Aún así, hemos vuelto a la vivacidad que sentían que se estaba perdiendo y que demandaban los palistas  tradicionales.

Una de sus características principales de nuestros kayaks es la forma de su proa y popa. La parte alta de ambas cabezas es de tipo “Proa lanzada” para mejorar la entrada en la ola. La parte baja, es muy fina y produce a popa el efecto de orza, por lo que no necesita de la ayuda de ésta. Los extremos adelgazados de proa y popa, fácilmente visibles en la vista en planta, y el “rocker” proporcionado, garantizan un comportamiento aceptable frente a la mar, siendo kayaks predecibles y cómodos.

Todos los kayaks, pueden ser construidos incorporando un juego de escotillas de construcción en madera ó escotillas de serie. En este caso, está preparado para instalar el borde y las tapas de escotillas herméticas de goma, tipo “KayakSport” de 200 o 24 mm..

La característica principal de nuestros kayaks es el tipo de construcción empleado. Por una parte, el tipo de ensambles empleado, que le garantizan gran resistencia longitudinal y su capacidad para ser utilizado, al mismo tiempo, como kayak para grandes travesías, manteniendo las características de un kayak tipo “groenlandés”.

Igualmente, se ha prestado atención a un arrufo (rocker) que le facilite la capacidad de maniobra del kayak en aguas turbulentas, al igual que al  plano de deriva, evitando la necesidad de utilizar orza, aunque la mayoría de nuestros kayaks están preparados para llevarla.

Ni que decir tiene que cuando el proceso de pruebas está en marcha, si alguno de los modelos no cumple los requisitos predeterminados, vuelve a la mesa de diseño para ser corregido y comenzar todas las pruebas de nuevo. Pero a pesar de ello, muchos otros modelos, pasaron al “Baúl de los Recuerdos”, a pesar de nuestros esfuerzos.

Pero la prueba definitiva, se hace remando. Algunos de los diseños, fueron una revelación. El seguimiento de rumbo, la facilidad de maniobra y el asiento en el agua, dan las razones suficientes para decir que los que figuran en nuestra lista, son de los mejores kayaks que hemos diseñado.

A continuación, vamos a analizar el tipo que pruebas que realizamos a cada uno de nuestros modelos:

Pruebas de Estabilidad

Las pruebas de estabilidad de un modelo se realizan a partir del diseño original, desde el tablero de dibujo, convirtiéndolo en formato 3D y sometiéndolo a un conjunto de programas de cálculo de estabilidad.  Para ello, deben establecerse las condiciones mínimas y máximas de carga entre las que se moverá la embarcación.

Como mínimo, los cálculos se realizan para dos condiciones iniciales:

1.      Kayak con palista de 70 kilos sin carga extra.

2.      Kayak con Palista de 80 kilos con cargas extras de 20 kilos en total.

Para cada una de estas condiciones, el programa obtiene los parámetros básicos que definen la estabilidad longitudinal y transversal de la embarcación, tales como:

- Propiedades del Volumen

  • Desplazamiento                     

  • Eslora total del cuerpo sumergido  

  • Manga máxima del cuerpo sumergido  

  • Cfte. de Bloque          

  • Cfte. Prismático            

  • Cfte. Prismático Vertical    

  • Área de la superficie mojada  

  • Pos.Long. Centro de Carena   

  • Pos.Long. (%) Centro de Carena  

  • Pos.Trvl. Centro de Carena   

  • Pos.Vert. Centro de Carena 

- Propiedades de la Sección Media:

  • Área de la sección media   

  • Cfte. de la maestra  

- Propiedades de la flotación:

  • Eslora en flotación 

  • Manga en flotación

  • Área de la Flotación 

  • Cfte. de la flotación  

  • Pos.Long. Centro de la Flotación  

  • Pos.Trvl. Centro de la Flotación 

  • Semiángulo de entrada en DWL

  • Mto.Inercia Transversal      

  • Mto.Inercia Longitudinal

- Estabilidad Inicial:

  • Altura Metacéntrica Transversal   

  • Radio Metacéntrico Transversal   

  • Altura Metacéntrica Longitudinal 

  • Radio Metacéntrico Longitudinal 

- Plano lateral:

  • Área lateral                               

  • Pos.Long. del Centro de Esfuerzos       

  • Pos.Vert. del Centro de Esfuerzos 

- Características del casco sobre la flotación:

  • Área Lateral expuesta al viento      

  • Coord. Z.CdG del área expuesta al viento

  • Coord. X.CdG del área expuesta al viento

  • Z sobre DWL del CdG del área expuesta  

  • Dist. desde proa al CdG del área expuesta 

  • Francobordo mínimo sobre DWL        

  • Francobordo mínimo sobre DWL 

- Características de Estabilidad:

  • Cfte. de la prueba de estabilidad 

- Distribución de los pesos

  • Peso Bruto (Peso Total)     Coord .X        Coord.Y         Coord. Z 

- Parámetros de calado de la embarcación:

  • Diferencia de calados al medio       

  • Calado al medio                         

  • Altura Metacéntrica Transversal inicial

  • Altura Metacéntrica Longitudinal inicial

  • Ángulo de escora

  • Ángulo de trimado (ATAN(Dif. De Calados/Eslora))    - Curvas Hidrostáticas a diferentes calados.

De estas pruebas se obtiene como resultado la evaluación del calado, del trimado y la capacidad de maniobra del kayak. La aprobación de as mismas, son el "Disparo de Partida" para las siguientes.

Pruebas de Resistencia Longitudinal

La estructura de nuestros kayaks está pensada para soportar los momentos flectores y esfuerzos cortantes que sufre su casco, tanto en aguas tranquilas como en aguas turbulentas, cada sección del kayak a lo largo de su eslora.

1.1        Esfuerzos en Aguas Tranquilas

Los módulos de resistencia estructural de los diseños, han sido analizados a lo largo de la eslora para estudiar el esfuerzo soportado por cada tablero individualmente en cada punto. De esta valoración se obtendrá la resistencia que han de tener cada tablero para esa sección, de forma que el conjunto,  sea capaz de resistir los esfuerzos de flexión y tracción y repartirlos con los demás módulos, facilitando además una cierta elasticidad del casco. Esta forma de construcción,  proporciona la misma resistencia que el sistema de reforzar estructuralmente el kayak a base se elementos adicionales que incrementan el peso total de la embarcación. 

La resistencia estructural se analiza con diversos programas de estudio de comportamiento hidrodinámico del casco, en mar llana y entre olas.  Todos estos estudios tienen por objeto asegurar la flexibilidad del kayak y la resistencia longitudinal y de torsión y permitir dar el mayor afinamiento al casco, con el mínimo peso y la menor resistencia posible por rozamiento, manteniendo al mismo tiempo, el estilo de construcción de INUIT-kayaks.

La estructura resultante del kayak, ha sido estudiada para obtener los mínimos Momentos Flectores y Esfuerzos Cortantes a lo largo del casco. Los valores obtenidos, son consecuencia del estudio de la distribución de los pesos (pesos por sección) y de las formas del casco (empujes de cada sección) y no dependen  del tipo de construcción utilizado, pero los resultados son válidos para el conocimiento de las zonas que sufrirán mayores esfuerzos de estiramiento y tracción.

Normalmente, en un primer estadio, se analiza el reparto de esfuerzos y momentos en condición de “aguas tranquilas”, sin presencia de oleaje.

 

La curva amarilla, representa la Curva Resultante de sumar punto a punto, el empuje del casco (negativo) con el peso (positivo) de cada sección del kayak.

La curva blanca representa la evolución del momento flector a lo largo de la eslora en aguas tranquilas.

La curva verde, representa el resultado del Esfuerzo cortante, en el que se observa que existen dos máximos, uno a popa de la cabina y otro a proa de la misma.

Como puede observarse, existen dos secciones críticas en la estructura del kayak: Una a la espalda del palista y otra a la altura de los pies. Estas secciones soportan la mayoría del esfuerzo a lo largo de la eslora del kayak. Pero como las desgracias nunca vienen solas, veamos qué ocurre cuando se navega en situación de oleaje y en varada.

1.1        Esfuerzos en Situación de Oleaje

En una segunda etapa, se analizan los esfuerzos y momentos flectores en una situación crítica de oleaje. Para ello se somete al casco del kayak a una ola de tipo senoidal,  de  longitud de onda igual a la eslora del kayak y una amplitud de 0,5 - 1 metros.

En la figura anterior puede apreciarse que el casco queda sometido a unos esfuerzos de quebranto y arrufo extras que se suman a los calculados para aguas tranquilas.

La suma algebraica de la Curva Resultante en aguas tranquilas con la de esfuerzos  de quebranto y arrufo producidos por olas, permite detectar los puntos críticos del kayak en los que se acumularán los esfuerzos, puntos a los que habrá de aplicar el máximo de atención para garantizar su resistencia.

1.1        Esfuerzos en la varada

Como tercera etapa, se analiza el reparto de esfuerzos suponiendo el kayak varado de popa (o proa), con el palista a bordo, como en el caso de salir a navegar desde la orilla.

En ambos casos, se produce un par de fuerzas (P, -P) cuyo efecto es de quebranto. Al igual que en el caso de la ola, la suma algebraica de la Curva Resultante en aguas tranquilas con la de arrufo, permite reconocer los puntos críticos del kayak en los que se acumularán los esfuerzos.

1.1        Acciones a tomar

El mejor sistema para reforzar estos puntos, en el sistema de construcción S&G, es el uso de una combinación entre el gramaje de la tela de fibra para el exterior interior del casco y el grueso de la chapa utilizado. Con esta técnica de construcción, es posible garantizar la estructura del kayak reduciendo, al mismo tiempo, el peso de la embarcación por eliminación de elementos de refuerzo en zonas innecesarias.

 

Pruebas de Resistencia a la Fricción

Uno de los métodos para evaluar la Resistencia friccional de un kayak es mediante el Método Kaper.

El Método Kaper, fue diseñado especialmente para medir la resistencia al avance y se utiliza solo para canoas y kayaks. Fue desarrollado originalmente por John Winters, Ingeniero Naval, especializado en el diseño de canoas y kayaks.

Se basa en datos estadísticos obtenidos por las pruebas de los modelos. Su método fue posteriormente ampliado por Matt Broze para relaciones mayores  velocidad / longitud e incorporar más variables en las ecuaciones.

 Por razones de cálculo, limitado a este tipo de embarcaciones, el rango de parámetros válidos para el Método Kaper es el siguiente:

·        coeficiente prismático 0.48-0.64

·        popa sumergida relación de 0.0 a 0.04

A ninguna de las otras variables que no sea el ángulo de entrada de la línea de flotación se le permite ser igual a cero.

NOTA: El centro de flotación utilizado en el Método Kaper se mide desde la proa y se dimensión dividiendo la distancia por la longitud de la línea de flotación.

Pruebas Hidrodinámicas del Casco

El casco del kayak  se somete a programas de CFD (“Computacional Fluid Dynamics”) para optimizar los patrones de resistencia al avance, con diferentes alturas de olas y firmas de presión inferior, así como para la búsqueda de la resistencia mínima del casco.

Es evidente que el oleaje producido por las formas del casco es a costa de una pérdida de potencia y por lo tanto, una de las modificaciones a realizar es la reducción del mismo, realizando pequeñas modificaciones a las formas del casco.

Pruebas de los ensambles entre los Módulos

1.1        Ensambles en Cola de Milano

La característica principal de nuestros kayaks es su sistema de unión entre los módulos que componen un tablero. La construcción de los tableros longitudinales está realizada con un novedoso sistema de unión de seguridad entre los segmentos que componen cada tablero, del tipo “Cola de Milano”.

Los ensambles (unión entre los módulos) están diseñados para facilitar el corte con sierra manual ó mediante máquina de corte CNC y al mismo tiempo, para soportar las fuerzas de “tracción” y “Compresión” a que se verá sometido cada tablero durante la navegación. Este tipo de unión, supera con mucho el ya tradicional sistema de unión “En Bisel”.

El resultado es que se ha dotado al conjunto estructural del kayak de una gran resistencia longitudinal y como consecuencia, de una reducción de peso mucho menor que cualquier otro equivalente.

Durante las fases de diseño y creación del prototipo, los ensambles entre los módulos que componen cada tablero, se someten a diferentes pruebas que aseguran su resistencia y veracidad en varias formas:

1.1        Ensambles en CAD

Esta prueba tiene por objeto verificar que cada uno de los ensambles encaja con exactitud con su pareja correspondiente, utilizando para ello programas de CAD en alta resolución. Ello garantiza que el diseño se ha realizado con exactitud y que la construcción se ajustará correctamente.

La figura siguiente presenta los módulos de cada tablero y su ensamble.

1.1        Pruebas de Prototipo

 En estas pruebas se realizan prototipos del modelo de kayak, a escala real,  para garantizar que todo el conjunto se ensambla con exactitud. Durante esta fase, se recopilan los problemas o posibles errores del modelo para corregirlos posteriormente.

Cada uno de los ensambles entre los módulos es único en el kayak, es decir, solo puede encajar con su correspondiente, de forma que NO existe la posibilidad de error durante la operación de pegado de los ensambles.

El sistema de ensamble, está diseñado de forma que se disponga de las siguientes ventajas:

·        Las uniones en “Cola de Milano” pueden cortarse por CNC ó mediante sierra de mano.

·        La unión proporciona mayor superficie de unión entre los módulos, dando mayor superficie de sujeción que un ensamble mediante un corte recto.

·        Una vez que se han unido los módulos de un ensamble, son imposibles de separar por las diferentes presiones o contracciones que ha de sufrir el tablero.

·        Cada módulo solo puede ensamblar con su pareja correspondiente y con ningún otro, ya que la unión solo admite una única forma de ensamble.

·        Como consecuencia de lo anterior, el sistema de ensamble no permite que exista la posibilidad de desalineamiento entre los módulos, por lo que el tablero final, queda alineado con el diseño original.

·        Cada módulo puede ser entintado de acuerdo con los deseos del constructor, permitiendo dar diferentes colores de tinta con mayor o menor intensidad para visualizar y resaltar el veteado de la madera.

Cálculo del Modo de Resistencia de las Secciones

Pero las pruebas anteriores, son independientes de los materiales con los que se realiza la construcción. Es decir, la resistencia del kayak dependerá de factores que dependen del constructor, tales como grueso del tablero, tipo de tela de fibra , gramaje, número de capas, etc.. Es por tanto necesario conocer la capacidad de resistencia del conjunto madera-resina-tela de F.V. en cada punto y su comparación con los valores calculados. Para este proceso, utilizamos programas de MEF (Método de Elementos Finitos).

La aplicación de metodologías modernas en el análisis de estructuras navales, mediante el MEF , permite obtener una aproximación al cálculo del esfuerzo que puede soportar determinada estructura. Para este propósito se realiza la modelación de estructuras típicas presentes en cualquier embarcación, en este caso, el casco y la cubierta del kayak.

El análisis de elementos finitos se lleva a cabo para una condición de carga característica, en este caso, la situación de “carga máxima”.

1.1        Método de Elementos Finitos

El Método de Elementos Finitos (MEF) constituye en la actualidad una herramienta habitual para desarrollar diferentes tipos de problemas mediante programas especializados, con lo que se ha logrado estudiar eficientemente el comportamiento de una embarcación, tanto estática como dinámicamente y con esto, disponer de la capacidad de predecir concentración de tensiones, deformaciones, frecuencias naturales y modos de vibración de partes específicas de la estructura.

La literatura técnica, presenta muchas Aplicaciones del (MEF) a problemas de análisis global de embarcaciones, incluyendo el análisis de situaciones de estados de carga, esfuerzos de impacto de olas, análisis de estado de cargas de un monocasco y verificación de propiedades mecánicas de materiales compuestos y en la optimización hidrodinámica de yates de regata, por mencionar solo algunas.

En el presente trabajo se analiza la estructura tanto con cargas estáticas como dinámicas.

1.2        Cómo funciona el MEF

El método de elementos finitos es un método numérico cuya aplicación sirve para calcular comportamientos de estructuras de ingeniería. Puede emplearse para obtener desviaciones, esfuerzos, vibraciones, comportamientos de flujo, entre otros fenómenos; en los cuales la geometría de la estructura o la complejidad de las cargas aplicadas, hacen imposible obtener una solución analítica del problema.

En este método, una estructura compleja se divide en muchos y pequeños bloques simples, llamados elementos finitos, de los cuales puede describirse su conducta (de un elemento individual) con un juego relativamente simple de ecuaciones, así como también, un juego de elementos puede unirse para construir una estructura compleja, de esta forma se describe la conducta de los elementos individuales en un juego relativamente grande de ecuaciones, que representan la conducta de la estructura completa.

Es aquí donde queda de manifiesto la importancia de un programa informático, ya que estos son capaces de resolver un número considerable de ecuaciones simultáneas y entregar una solución de los elementos por separado.

Existen abundantes bibliografía que describe el Método de Elementos Finitos, a modo de introducción general el software utilizado en esta aplicación.

 

1.3        Programa utilizado

El programa que utilizamos para el estudio de la estructura del kayak es muy sencillo de usar y parecido a algunos de los programas profesionales más avanzados.

Es claro que un programa como este de cálculo necesita como “INPUT”, la mayoría de los parámetros que hemos calculado anteriormente, así como los que definen el tipo de construcción del casco, a saber:

·        Modelo del casco en 3D en formato CAD.

·        Características Técnicas del tablero utilizado (grueso, módulo de torsión, etc.).

·        Especificaciones de la Tela de Fibra interior y exterior.

·        Módulo resistente (x, y, z) para un tablero tipo enfibrado.

·        Otros parámetros.

El programa realiza el análisis estático (elástico-lineal), por el MEF, de problemas de elasticidad y problemas de campos en régimen permanente, y mediante análisis matricial, de estructuras planas articuladas o rígidas. El principal objetivo es conseguir una comprobación rápida de los resultados obtenidos con la aplicación del MEF.

Las opciones se han reducido al mínimo indispensable, con objeto de que el programa sea aplicable a la estructura de un casco construido mediante la técnica S&G y sirva de ayuda para la comprensión del MEF. Emplea un modelo definido mediante la geometría (puntos, líneas, áreas y volúmenes), los materiales, las propiedades, los elementos, los desplazamientos impuestos y las cargas. Para facilitar la modificación de los datos pueden utilizarse parámetros y expresiones matemáticas.

 

 

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