Incidencias de la Superficie Libre Sobre la Estabilidad del Buque

Las Incidencias de superficie libre sobre la estabilidad del buque es el efecto que se produce en estos, cuando un tanque a bordo se encuentra parcialmente lleno, y la superficie del líquido contenido en su interior está libre de mantener la horizontal durante el movimiento de rolido, experimentando una pérdida de estabilidad o disminución del brazo (GZ’) de la cupla adrizante.

En todas las condiciones de carga, la altura metacéntrica inicial y la curva de los brazos adrizantes deberán corregirse con el efecto de superficie libre de los líquidos en los tanques.

El efecto de superficie libre deberá tenerse en cuenta siempre que el nivel de llenado de un tanque sea inferior al 98 % del nivel de llenado total. No será necesario considerar el efecto de superficie libre cuando un tanque esté nominalmente lleno, es decir, cuando su nivel de llenado sea igual o superior al 98 %. Los efectos de superficie libre en los tanques pequeños podrán no considerarse cuando los tanques pequeños cumplan la condición dada por la fórmula siguiente, que corresponde a una inclinación de 30º:

M_fs / Δ_min < 0,01 m

donde:

M_fs = es el momento de superficie libre, en m.

Δ_min = es el desplazamiento mínimo del buque calculado en d_min, en toneladas

d_min = es el calado medio de servicio mínimo de un buque sin carga, con el 10 % de provisiones y el mínimo de agua de lastre, si es necesario, en m.

Sin embargo, los tanques de carga nominalmente llenos deberían ser objeto de una corrección para tener en cuenta los efectos de las superficies libres con un nivel de llenado del 98 %. Al hacerlo, la corrección de la altura metacéntrica inicial debería basarse en el momento de inercia de la superficie del líquido con un ángulo de escora de 5º dividido por el desplazamiento, y se sugiere que la corrección del brazo adrizante se haga teniendo en cuenta el momento de desplazamiento real de las cargas líquidas.

Los tanques que se tienen en cuenta al determinar la corrección por superficie libre quedan comprendidos en una de las dos categorías siguientes:

a.  tanques con niveles de llenado fijos (por ejemplo: cargas líquidas, lastre de agua). La corrección por superficie libre se determina con arreglo al nivel de llenado real de cada tanque; o 

b.  tanques con niveles de llenado variables (por ejemplo, líquidos consumibles, tales como fueloil, gasoil, agua dulce, y también cargas líquidas y lastre de agua durante las operaciones de trasvase de líquidos). Salvo por lo autorizado en los tanques de lastre de agua, incluidos los tanques anti-balance y los tanques adrizantes, tengan que ser llenados o descargados durante la travesía, el efecto de superficie libre se calculará de modo que se tenga en cuenta la fase más crítica relacionada con tales operaciones y  en los buques que estén realizando operaciones de trasvase de líquidos, las correcciones por superficie libre para cada fase de la operación de trasvase de líquidos podrán determinarse con arreglo al nivel de llenado de cada tanque correspondiente a tal fase de la operación de trasvase, la corrección por superficie libre es el valor máximo alcanzable entre los límites de llenado previstos para cada tanque que sea compatible con cualquier instrucción de funcionamiento.

Al calcular los efectos de superficie libre de los tanques que contengan líquidos consumibles se dará por supuesto que, para cada tipo de líquido, al menos un par de tanques transversales o un solo tanque central tienen una superficie libre, y el tanque o la combinación de tanques considerados serán aquellos en los que el efecto de superficie libre sea mayor.

Las correcciones de la altura metacéntrica inicial y de la curva de brazos adrizantes han de considerarse por separado, como sigue:

a.  Al determinar la corrección de la altura metacéntrica inicial, los momentos de inercia transversales de los tanques se calculan con un ángulo de escora de 0º, en función de las categorías arriba indicadas.

La curva de brazos adrizantes podrá corregirse siguiendo uno de los métodos indicados a continuación, a reserva del consentimiento de la Administración: 

b. corrección basada en el momento real del trasvase de líquidos para cada ángulo de escora calculado; o 

c. corrección basada en el momento de inercia, calculado con un ángulo de escora de 0º, modificada para cada ángulo de escora calculado.

Cualquiera que sea el método seleccionado para corregir la curva de brazos adrizantes, en el cuadernillo de estabilidad del buque sólo debe presentarse el método elegido. No obstante, cuando se describa otro método opcional para el cálculo manual de las condiciones de carga, procederá añadir una explicación de las diferencias que puedan surgir en los resultados, así como un ejemplo de corrección para cada variante.

No es necesario tener en cuenta, en los cálculos de correcciones, los residuos de líquidos que quedan normalmente en los tanques vacíos, siempre y cuando el total de los residuos de líquidos no produzca un efecto de superficie libre considerable.

Para estudiar este efecto supóngase una buque cuyo corte trasversal es el de la figura 1. El mismo posee una altura metacéntrica inicial (GM).Un tanque parcialmente lleno cuya superficie (ab) se encuentra horizontal.
Si el buque es apartado de su vertical, un ángulo pequeño (θ), la superficie del líquido adoptará una nueva posición (a”b”) manteniendo la horizontalidad y verificándose que la cuña de base triangular (a”a’o) y de eslora (longitud) igual a la del tanque se desplaza a una nueva situación (b”b’o).
El centro de gravedad (g) de la cuña (a”a’o) se desplaza a (g’), por lo que a los fines del análisis es como si se tratara de una traslación trasversal de pesos, por esta razón el centro de gravedad del buque también experimenta un corrimiento hacia la banda de escora representado en la figura 2 por el segmento (GG’).
Observe que este desplazamiento lateral puede visualizarse como si fuese una elevación del centro de gravedad del buque a una nueva posición (Gv), el brazo de la cupla adrizante es ahora (G’Z’) o (GvZ).
Entonces se ve claramente que acción o efecto de una superficie libre genera la elevación virtual del centro de gravedad con la consiguiente pérdida de estabilidad.

Figura 1                                 Figura 2

Puede demostrarse que el segmento (GGv) que representa la elevación virtual del centro de gravedad debido al efecto de la superficie libre está dado por:

Esta fórmula representa el valor de la pérdida de GM producida por la superficie libre en un tanque, si la misma situación se repite en varios de los tanques de un buque en forma simultánea, esto es, que varios tanques están parcialmente cargados entonces la pérdida total estará expresada por:

El efecto de superficie libre se verifica en cualquier tanque lleno con más de un 5% y hasta un 95% de su capacidad. Es obvio que si el tanque se encontrara a máxima capacidad el líquido en su interior se comportaría como un sólido y el efecto de superficie libre desaparece.



Observe que el momento de inercia de una superficie está dado entre otros parámetros por el cubo de la manga del tanque, es decir la manga elevada a la 3 por este motivo el efecto de superficie libre es mayor cuanto más ancho es el tanque.



En el caso que nos ocupa podemos asumir que la superficie libre del tanque es un rectángulo que gira respecto de un eje longitudinal que pasa por su centro.

Entonces:

·         E_t = Eslora del tanque

·         M_t = Manga del tanque

Debido al efecto de superficie libre y con el fin de disminuir la pérdida de estabilidad, se recomienda:

·         Limitar la cantidad de tanque en servicio con cargamento parcial.

·         Subdividir en el sentido de la manga los tanques de carga.

·         Completar con lastre los dobles fondos.