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En los puertos modernos y en la construcción de instalaciones marinas, los postes de amarre y las ranuras de amarre son componentes clave que protegen a los buques y las estructuras de los muelles contra daños por colisión. Con la expansión del transporte marítimo global, las mejoras portuarias y la proliferación de buques de gran tonelaje, los sistemas de amortiguación ahora están sujetos a mayores demandas en términos de rendimiento, vida útil, mantenibilidad e inteligencia. El antiguo enfoque basado únicamente en la selección empírica y en márgenes de seguridad excesivos está siendo reemplazado gradualmente por nuevos métodos que combinan modelado confiable, optimización estructural, materiales sustentables y monitoreo inteligente.
En la etapa de selección de defensas, se debe seguir un conjunto de principios y estándares para garantizar que el sistema de amortiguación no sea demasiado conservador ni esté insuficientemente diseñado.
(1) En China, JTJ 297-2001 : Especificación técnica para instalaciones auxiliares de muelles es una referencia ampliamente utilizada, que establece definiciones, tipos de defensas, espacios, criterios de carga y reglas de diseño.
(2) A nivel internacional, la última guía de defensas de PIANC (por ejemplo, las Directrices de defensas WG 33 / PIANC) proporciona métodos refinados para el cálculo de la energía de atraque, la simulación del proceso de atraque y un enfoque de diseño holístico.
(3) Para defensas de caucho, las normas de la industria como HG/T 2866 y los estándares de asociación (por ejemplo, T/CANSI 31-2020) ofrecen más orientación sobre la selección e instalación.
Estas normas proporcionan criterios fundamentales (por ejemplo, absorción de energía de diseño, compresión máxima permitida, límites de fuerza de reacción, etc.) y definen restricciones de diseño (por ejemplo, presión máxima en la cara, capacidad de corte, factores de seguridad).
El núcleo de la selección es evaluar la energía de colisión efectiva que debe ser absorbida por el sistema de amortiguación durante el atraque del buque:
(1) Con base en la masa del buque, la velocidad de aproximación, el calado, la desalineación de la dirección de atraque, la rigidez estructural del muelle, etc., calcule la energía de colisión.
(2) Tener en cuenta las contribuciones ambientales: mareas, corrientes, olas, movimientos de embarcaciones inducidos por el viento que generan impactos adicionales.
(3) Incluir margen de seguridad: la capacidad de absorción total de las defensas debe exceder la energía de colisión de diseño, considerando la degradación del rendimiento durante la vida útil.
A partir de la evaluación energética, se puede determinar el tipo, las dimensiones, el número y el diseño de guardabarros apropiados.
Los tipos de guardabarros comunes incluyen:
(1) Guardabarros de goma maciza (fijos/no flotantes)
(2) Defensas de goma flotantes (por ejemplo, neumáticas, tipo relleno)
(3) Dentro de los guardabarros de goma: tipo D, tipo O, tipo W, cono, arco, tipo V, etc.
(4) Guardabarros de neumáticos/combinaciones de neumáticos , utilizados a menudo en puertos más pequeños
(5) Defensas de acero/metálicas o defensas de poliuretano/compuestas , para alta resistencia al desgaste, larga vida útil o aplicaciones especiales
Al seleccionar, se debe comparar el rendimiento general en absorción de energía / fuerza de reacción / distribución de presión / facilidad de instalación / costo de mantenimiento / vida útil..
Por ejemplo, las defensas tipo arco (o estilo 'arco') a menudo logran una mayor absorción de energía con fuerzas de reacción más bajas en comparación con configuraciones simples tipo V bajo la misma compresión nominal.
Incluso con un guardabarros correctamente seleccionado, una mala disposición puede provocar fallos en el amortiguador:
(1) Disposición vertical multicapa / zonificación por nivel del agua : en puertos con un gran rango de mareas, despliegue defensas en diferentes niveles verticales para que, a diferentes niveles del agua, sigan en contacto con el casco.
(2) Espaciado horizontal : el espacio entre las defensas adyacentes debe garantizar que cuando las defensas se someten a compresión de diseño, ninguna sección expuesta de la pared del muelle permanezca vulnerable.
(3) Distribución a lo largo del borde de ataque : los tipos de muelles (muro de muelle, muelle de pilotes, muelle de caballetes) exigen diferentes estrategias de diseño
(4) Protección de extremos/esquinas : las regiones de los extremos pueden requerir defensas más densas o reforzadas para soportar concentraciones de tensión locales.
(5) Diseños superpuestos / de respaldo : para una amplia gama de tamaños de embarcaciones, considere defensas superpuestas o de repuesto para manejar eventos de atraque extremos.
En el diseño de defensas, se debe controlar estrictamente:
(1) Presión frontal máxima permitida : la presión sobre el casco del barco no debe exceder los valores permitidos.
(2) Capacidad de corte : especialmente en atracaderos inclinados o en ángulo, la defensa debe resistir fuerzas de corte
(3) Control de la fuerza de reacción : las fuerzas de reacción no deben ser demasiado altas para evitar dañar el muelle o la estructura del buque.
(4) Factor de redundancia/seguridad : tenga en cuenta la degradación del material y las condiciones extremas para que el diseño conserve el margen.
La selección del guardabarros es sólo el primer paso. La optimización estructural es más crucial para mejorar el rendimiento, reducir costos y extender la vida útil.
Los enfoques de diseño modernos enfatizan considerar la defensa como parte de un sistema de amortiguación en lugar de tratar la defensa, la estructura de anclaje, el marco de soporte y los cimientos como elementos aislados:
(1) Las directrices PIANC (WG 33)/más recientes enfatizan que el diseño debe integrar la defensa, la estructura del muelle y el comportamiento del amarre en lugar de tratar la defensa de forma aislada.
(2) Por ejemplo, la rigidez de la estructura de anclaje, las conexiones de soporte y las piezas integradas deben coincidir con el rendimiento de amortiguación para evitar fallas por desajuste.
Con los avances en la simulación, los diseñadores pueden utilizar análisis de elementos finitos (FEA), modelos de acoplamiento dinámico, análisis de contacto-impacto, etc., para simular las interacciones complejas entre el casco del buque, las defensas y la estructura del muelle.
Por ejemplo, los investigadores han utilizado modelos de elementos finitos no lineales del sistema 'casco-defensa-muelle' para simular respuestas dinámicas a lo largo de toda la secuencia de atraque. Los hallazgos muestran a menudo que a medida que aumenta la velocidad de aproximación, la eficiencia de absorción de la defensa disminuye, lo que lleva a un límite superior de velocidad de aproximación segura (por ejemplo, 2 a 2,5 nudos en un caso determinado).
A través de dicho modelado, se puede examinar la evolución de series temporales de tensiones, deformaciones y energía absorbida a lo largo de las fases de contacto, compresión, descarga y rebote y luego optimizar el perfil de la defensa, la distribución del material y el esquema de anclaje.
Especialmente para guardabarros grandes o de alto rendimiento, se puede considerar:
(1) Optimización de la topología : Optimice la estructura interna o el soporte esquelético para reducir el peso y el material y al mismo tiempo preservar el rendimiento.
(2) Diseño modular/basado en unidades : divida los guardabarros grandes en unidades modulares para facilitar la fabricación, el transporte y el reemplazo.
(3) Optimización multiobjetivo : optimizar simultáneamente la absorción de energía, la fuerza de reacción, el costo, el peso y la vida útil
La selección de materiales y la durabilidad son fundamentales en la optimización estructural:
(1) Caucho/compuestos/materiales mejorados con polímeros de alto rendimiento : reduce el peso al tiempo que mejora la resistencia a la fatiga y el rendimiento contra el envejecimiento.
(2) Capas superficiales o revestimientos resistentes al desgaste : para mitigar el desgaste localizado
(3) Estructuras compuestas (por ejemplo, estructura metálica + revestimiento de elastómero) : para equilibrar la rigidez y la capacidad de deformación.
(4) Integración de sensores/materiales de autodiagnóstico : para proporcionar datos para su posterior seguimiento.
En el diseño, se debe tener en cuenta la degradación ambiental (exposición a los rayos UV, corrosión por sal, ciclos de temperatura, bioincrustaciones) que degradan las propiedades del material con el tiempo.
Las estructuras más allá del propio guardabarros también tienen potencial de optimización:
(1) Los métodos de anclaje (varillas de anclaje, empotramiento, uniones atornilladas, soldadura) deben equilibrar la constructibilidad y la seguridad estructural.
(2) Los conectores/marcos de soporte deben tener redundancia y facilidad de reemplazo
(3) Las piezas empotradas/cimientos deben coincidir con la capacidad de carga del muelle.
(4) Facilidad de mantenimiento/reemplazo : diseño para protección contra la corrosión, extracción rápida, reemplazo modular
En la etapa de planificación y diseño, se deben tomar disposiciones para el mantenimiento y reemplazo futuros para evitar problemas de 'guardabarros excelente pero imposible de reemplazar'.
Además de la selección y optimización estructural, en el diseño moderno de sistemas de amortiguación están surgiendo las siguientes tendencias:
Con gamas más diversas de tamaños de embarcaciones y condiciones de atraque, la defensa tradicional 'talla única' está siendo reemplazada por diseños modulares y personalizados:
(1) Los fabricantes de defensas ofrecen múltiples unidades modulares que se pueden ensamblar para adaptarse a las condiciones del atraque.
（2）Guardabarros ajustables o guardabarros con rigidez o altura regulables
（3）Algunos proveedores ahora ofrecen herramientas de selección en línea integradas con la especificación de defensa + poste de amarre (por ejemplo, las herramientas de diseño de Trelleborg)
Esta tendencia permite a los diseñadores asignar de manera flexible recursos de reserva, reducir el costo de inventario y adaptarse a futuros cambios de embarcaciones.
La inteligencia es una dirección importante en la infraestructura portuaria y los sistemas de amortiguación no son una excepción:
（1）Sensores integrados (medidores de tensión, sensores piezoeléctricos, sensores inalámbricos de presión/desplazamiento, acelerómetros) para monitorear la deformación, la tensión y el desgaste en tiempo real
(2) Uso de IoT, plataformas en la nube o tecnologías de gemelos digitales para vincular el estado de las defensas con los sistemas de operación portuaria
(3) Uso de datos de monitoreo para impulsar el mantenimiento predictivo, la estimación de vida y la alerta temprana
Según una investigación de mercado, el mercado de los guardabarros valora cada vez más la integración de sensores y las capacidades de monitoreo del estado como motor de crecimiento.
Ante las crecientes demandas ambientales y de bajas emisiones de carbono, el diseño del sistema de amortiguación está cambiando hacia direcciones más ecológicas y sostenibles:
(1) Uso de materiales duraderos, antienvejecimiento, reciclables o reutilizables.
(2) Optimización para reducir el uso de material.
(3) Procesos de fabricación respetuosos con el medio ambiente para reducir las emisiones de carbono.
(4) Considerar los costos del ciclo de vida completo (materiales, mantenimiento, reemplazo) en lugar de solo el costo inicial
El diseño de próxima generación se basa más en una simulación detallada y un análisis estadístico del comportamiento de atraque:
(1) Utilice datos AIS/VTS (Sistema de identificación automática/Servicio de tráfico de embarcaciones) para recopilar velocidades reales de aproximación al atracadero, distribuciones de tipos de embarcaciones, desalineación, ángulo de compensación, etc.
(2) Introducir el análisis de incertidumbre (Monte Carlo, análisis de sensibilidad) en el diseño.
(3) Tener en cuenta las condiciones extremas (tormenta, atraque sesgado, atraque con corrientes elevadas) y garantizar que los sistemas de amortiguación se adapten
Este diseño refinado ayuda a evitar el diseño excesivo y al mismo tiempo garantiza la seguridad en diversos escenarios.
Los sistemas de amortiguación ya no están solos: se están diseñando conjuntamente con postes de amarre, ranuras de amarre, diseños de cuerdas de amarre , etc.:
(1) Considerando la influencia de las fuerzas de las líneas de amarre en el comportamiento del amortiguador
(2) Coordinar posiciones relativas, rigidez y trayectorias de carga entre defensas y postes de amarre.
(3) Durante el atraque, las ranuras de amarre, los dispositivos guía de cables y los campos de impacto amortiguadores pueden interactuar y acoplarse.
Esta vista integrada produce un rendimiento del sistema más confiable y un mantenimiento/operación más sencillo.
A continuación se presentan dos casos ilustrativos o estudios de investigación y sus conocimientos para la selección de guardabarros y la optimización estructural.
Caso 1 : Simulación dinámica acoplada y limitación de velocidad de atraque
En un estudio titulado 'Simulación dinámica de colisión entre barco, defensa y muelle', los autores construyen un modelo de elementos finitos no lineal del sistema casco-defensa-muelle y simulan la secuencia de atraque completa. Los resultados indican que a medida que aumenta la velocidad de aproximación, la eficiencia de absorción de las defensas se degrada; En el caso estudiado, la velocidad máxima segura de atraque fue de aproximadamente 2,5 kn, con una velocidad segura recomendada de ~2,0 kn.
Implicación : Incluso si la selección de defensas es adecuada, si la velocidad de atraque real es demasiado alta, el rendimiento del buffer puede degradarse o fallar. Por tanto, el control de la velocidad debe ser parte del diseño.
Caso 2 : Tendencia del mercado en modularización e integración inteligente
Según una investigación de mercado, el mercado de los guardabarros está cambiando hacia soluciones Los fabricantes de defensas están incorporando sensores de monitoreo de condición, ofreciendo herramientas de diseño en línea y esquemas de combinación modular para satisfacer diversos requisitos portuarios. modulares, personalizables y con sensores integrados .
Implicación: en la fabricación de equipos y el diseño de sistemas, es aconsejable reservar espacio para el diseño de sensores, estándares de interfaz modular y rutas de actualización, en previsión de mejoras futuras.
Mientras avanzan desde la selección de defensas hasta la optimización estructural, los diseñadores enfrentan varios desafíos:
1. Incertidumbres sobre el comportamiento de atraque
La velocidad de aproximación, el ángulo de desalineación, la actitud y el movimiento de la embarcación son altamente aleatorios. Los diseños deben incorporar modelos estadísticos o de Monte Carlo para manejar esta incertidumbre.
2. Predicción de la degradación del material y la vida por fatiga.
Los materiales de caucho y polímeros se degradan con el tiempo debido a los rayos UV, la niebla salina, los ciclos de temperatura, la bioincrustación, la fatiga mecánica, etc. La predicción de la vida útil y el diseño de márgenes son esenciales.
3. Limitaciones de construcción e instalación
Las partes empotradas en el muelle, los cimientos de anclaje y los marcos de soporte deben obedecer las limitaciones del sitio (profundidad, estructura de pilotes, forma estructural del muelle). El diseño debe garantizar la constructibilidad.
4. Complejidad del acoplamiento del sistema
La interacción entre defensas, postes de amarre, cuerdas y ranuras puede resultar complicada. Es posible que se necesiten modelos de simulación conjunta y acoplamiento iterativo.
5. Equilibrio entre rendimiento, costo y mantenimiento
Los guardabarros de alto rendimiento con sensores inteligentes son más caros. La selección debe compensar los gastos de rendimiento, costo, mantenimiento y ciclo de vida.
6. Brechas de estándares y adaptación de la localización
Si bien existen estándares (por ejemplo, JTJ, PIANC), muchos proyectos deben adaptarse al clima, la hidrología, la combinación de embarcaciones y las limitaciones legales/regulatorias locales.
Desde la selección de defensas hasta la optimización estructural, la esencia del diseño del sistema de amortiguación del muelle. De cara al futuro, el diseño del sistema de amortiguación dependerá cada vez más de herramientas de simulación, pensamiento a nivel de sistema, innovación de materiales y monitoreo inteligente. La personalización modular, la detección de estados y el diseño sostenible son direcciones emergentes. Mientras tanto, los diseñadores deben seguir abordando las incertidumbres en el comportamiento del atraque, el envejecimiento de los materiales, las limitaciones de la capacidad de construcción, el acoplamiento del sistema y las preocupaciones sobre los costos de vida útil.
