Doblados pero no rotos: Rompehielos más ligeros

Representación del rompehielos polar canadiense, una de las referencias más recientes de Aker Arctic. Las herramientas FEM no lineales de la empresa permitieron utilizar acero de alta resistencia comúnmente disponible. Imagen cortesía de Aker Arctic.

Tras desarrollar la técnica hace unos cinco años, Aker Arctic ha completado la investigación necesaria para que su nueva metodología de diseño de cascos de rompehielos sea aceptada en las Reglas de Clase de Hielo Finlandesas-Suecas. El método también se ha adoptado en las reglas de Clase Polar de varias Sociedades de Clasificación (LR, ABS, DNV).

Aunque la investigación se centró en buques que suelen navegar por el mar Báltico, Aker Arctic también ha empleado la metodología en muchos de sus diseños recientes de nueva construcción, incluyendo, por ejemplo, el nuevo rompehielos canadiense, actualmente en construcción. La innovación no es específica de ninguna región ni carga de hielo en particular, sino que amplía el modelado de placas de acero y refuerzos, como las cuadernas, más allá de las propiedades elásticas que ayudan a prevenir la abolladura, para incluir también la plasticidad que garantiza que no se fracturen tras la deformación.

Normalmente, las fórmulas matemáticas o los cálculos lineales directos realizados mediante análisis de elementos finitos (MEF) solo consideran el comportamiento elástico, asumiendo que la plasticidad del acero más allá del límite elástico sigue la misma relación lineal. El comportamiento elástico es bastante lineal (a mayor presión, mayor profundidad de la abolladura), pero la plasticidad no lo es, por lo que predecir un fallo estructural con base en el análisis lineal implica realizar suposiciones. Se desconocen los márgenes de seguridad exactos.

Una imagen que representa los resultados del análisis FEM no lineal.
Imagen cortesía de Aker Arctic. "En términos sencillos, calculamos la magnitud de la abolladura tras un impacto con hielo y determinamos si podemos aceptarla", afirma Juuso Lindroos, jefe de equipo de Diseño Estructural en Aker Arctic. "Esto nos permite identificar qué necesita refuerzo y qué no. Podemos identificar las partes más débiles de la estructura y optimizar la capacidad del acero en ese punto para garantizar que una deformación permanente siga siendo segura, dentro de su límite de plasticidad".

Esto permite a los diseñadores simplificar la estructura del casco, con menos soportes y una reducción significativa de los escantillones de las estructuras primarias, lo que reduce el peso del acero del buque. Por lo tanto, los rompehielos son más sencillos de diseñar y de construir.
Aker Arctic ha descubierto que es posible reducir el peso del acero de 100 a 300 toneladas en un rompehielos típico. El barco puede transportar más combustible o carga, o bien, se puede diseñar una embarcación más pequeña con menor calado para aguas poco profundas. Y dado que la producción de acero emite grandes cantidades de CO2, también ofrece beneficios ambientales.

Lindroos afirma que el impulso para desarrollar la nueva metodología surgió tras la experiencia adquirida en la construcción de rompehielos que cumplen con los requisitos de la Clase Polar. Cuando se establecieron las normas de la Clase Polar en 2006, estas dieron lugar a elementos de carga primarios excesivamente pesados en comparación con las estructuras del casco y la cuaderna, a pesar de que los buques más antiguos construidos antes del Código contaban con un historial de seguridad comprobado.

El ingeniero estructural Ville Valtonen, de Aker Arctic, dirigió un grupo que investigaba el problema, compuesto por Rob Hindley, de Aker Arctic, y James Bond, de ABS. Publicaron su investigación en la revista científica Marine Structures en 2020. Esta documentó su nueva y robusta metodología de evaluación y sus criterios de aceptación mediante el método de elementos finitos (MEF), y demostró que un análisis no lineal proporciona una mejor comprensión del comportamiento de las estructuras del casco. Se podrían diseñar soluciones específicas para reforzar la estructura en lugar de añadir acero innecesario para cumplir con fórmulas simples y prescriptivas.

Si bien los métodos lineales FEM son sencillos y ampliamente utilizados, no pueden predecir qué sucede más allá de la fluencia, incluyendo el comportamiento posterior al pandeo y si el modo de falla será gradual o repentino. El método no lineal puede predecir con precisión este comportamiento, pero requiere más parámetros y fórmulas para el modelado de materiales.

Deformación permanente de una estructura después de que se ha aplicado y eliminado la carga de diseño.
Imagen cortesía de Aker Arctic

Es un proceso más laborioso que el análisis elástico lineal, pero el ahorro de costos y otros beneficios, como la facilidad de reparación, compensan el trabajo extra, dice Lindroos, particularmente para buques de clase alta en hielo.

Aker Arctic ha comparado los resultados de los cálculos no lineales con casos reales de daños por hielo. Las cargas de fallo calculadas y la forma en que falla una estructura coinciden estrechamente con el daño observado, lo que garantiza la precisión y fiabilidad del método. «No perdemos nada en términos de seguridad. Al tener mayor confianza en el modelado de fallos, podemos mitigar los riesgos».

Se acepta generalmente que una pequeña abolladura local en el revestimiento de la carcasa es aceptable siempre que exista un margen suficiente contra otros modos de fallo más graves, como la rotura o el pandeo de las estructuras de las placas. Una evaluación precisa de la estructura, tanto antes como después de la fluencia, permite establecer una conexión directa entre los criterios de análisis y el resultado deseado: que las deformaciones permanentes derivadas de la navegación en hielo en condiciones normales de servicio se mantengan pequeñas y que la estructura cuente con suficiente capacidad de reserva para garantizar un comportamiento seguro en situaciones de sobrecarga accidental.

El primer proyecto de buque desarrollado con la nueva metodología fue el rompehielos de escolta Aker ARC 130 S Baltic Sea para la Administración Marítima Sueca. Lloyd's Register evaluó y aprobó la metodología en este caso. El proceso de adquisición está en curso.

El rompehielos polar canadiense es una de las referencias más recientes de Aker Arctic. Las herramientas FEM no lineales de Aker Arctic permitieron utilizar acero de alta resistencia disponible comúnmente. Sin este ahorro, se habría requerido acero de alta resistencia adicional, más difícil de adquirir y soldar. Con 158 metros de eslora y 28 metros de manga, el buque Polar Clase 2 está diseñado para operar de forma autosuficiente en el alto Ártico durante todo el año. Podrá operar más al norte, en condiciones de hielo más difíciles y durante períodos más largos que cualquier otro rompehielos en Canadá hasta la fecha.

Mientras tanto, se redactó un nuevo borrador de la regla finlandesa-sueca, basado en los resultados de la investigación de Aker sobre el Ártico, y se distribuyó entre las sociedades de clasificación y el Panel de Cascos de la Asociación Internacional de Sociedades de Clasificación. Tras recibir comentarios, la regla se finalizó y se espera que se incorpore en la próxima versión de las Reglas de Clase de Hielo Finlandesas-Suecas como alternativa al método prescriptivo actual.

Con este trabajo realizado, Aker Arctic continúa su investigación. Este año, Valtonen publicó otro estudio que utiliza la metodología no lineal para examinar cómo la forma del casco influye en las cargas de hielo. La forma del casco es un factor importante para los rompehielos, ya que la fuerza máxima de rotura del hielo depende de la forma del casco en el punto de contacto. El estudio perfeccionó el diseño de las cargas de hielo para optimizar la estructura del casco, aumentar la capacidad de carga y reducir los costos. Se espera que mejore los estándares de diseño de los buques rompehielos, incluyendo las reglas de la Clase Polar y las Reglas de la Clase de Hielo Finlandés-Sueca.

Representación del nuevo diseño del rompehielos sueco para el cual Aker Arctic proporcionó un análisis FEM no lineal.
Imagen cortesía de Aker Arctic