El hierro y el acero en la construcción naval —apuntes—

22.06.2017 03:41

 

Hasta finales del siglo XVIII, la madera había sido el único material utilizado para la construcción naval en la historia de la humanidad. Desde el tronco apenas desbastado, pasando por el vaciado del mismo, las almadías, las embarcaciones de papiro o totora, las de bambú, las naves fenicias, griegas, romanas y cartaginesas, las drakkar, los juncos, los catamaranes polinesios, los praos micronesios, los dawns, las galeras, los jabeques, las cocas, las carabelas, los galeones, los bergantines, las fragatas, las bricbarcas, las goletas, etc., etc. Hasta los sofisticados y veloces clipperes de la carrera del te de finales del siglo XIX, la madera reinó sin rival si exceptuamos los currachs o curraghs irlandeses y los kayaks esquimales que utilizaban la piel como forro, pero aún estos utilizaban un armazón o esqueleto de madera.

Foto de http://loopline.com

 

A mediados del siglo XIX se inició la construcción mixta madera-hierro que permitió un considerable aumento del tamaño de los buques al mismo tiempo que los hacía más ligeros y resistentes. Un buen ejemplo de este tipo de construcción lo tenemos en el «City of Adelaide», construido en Inglaterra en 1862 para el transporte de pasaje y cargas ligeras entre Gran Bretaña y Australia. Realizó 23 viajes de ida y vuelta y en la ida de uno de ellos entre Londres y Adelaida invirtió sólo 65 días.

Foto de http://static.wixstatic.com

 

La introducción del vapor como propulsor sustitutivo del viento y la hélice como alternativa a la rueda de paletas también fue determinante en el auge de la construcción naval en hierro y posteriormente en acero.

Se tienen noticias de embarcaciones fluviales con casco de hierro a partir de 1776. Las primeras naves exclusivamente de hierro aparecieron en 1790, pero el desvio que producía en los compases de a bordo retrasó la expansion de la construcción de cascos de hierro. A partir de 1830 estos problemas se solucionaron con el empleo de las esferas Thomson, los imanes compensatorios y la barra Flinders.

El Vulcan18,60 metros de eslora, 3,35 de manga y 1,50 de calado―, botado en 1819 en Escocia, parece que fue el primer buque de pasaje cuyo casco estaba construido enteramente de hierro. Este pequeño barco navegó en el estuario de Forth, en el fiordo de Clyde y en el canal que los une durante setenta años de duro servicio.

 

En 1821 en Inglaterra se botó el primer buque a vapor con casco de hierro: el Aaron Manby.

Imagen de http://cdn.collectionsbase.org.uk

 

Construido en Tipton, Staffordshire en 1820, tenía 36,50 metros de eslora por 5,50 de manga y estaba equipado con dos maquinas de vapor de 80 CV.

Este barco se transportó desarmado hasta el Támesis, y allí se botó al agua, enviándose con un cargamento de hierro a El Havre. Remontando el Sena, llegó hasta París, donde causó enorme sensación. Después estuvo navegando en el estuario del Shannon (al WSW de Irlanda), durante treinta y cuatro años.

En 1844 el ingeniero británico Isambard Brunel diseñó el Great Britain, un innovador transatlántico con casco de hierro, el primer buque de pasajeros propulsado con una hélice, que fue en su momento el barco más grande del mundo. Terminado en 1845, el buque tenía 98 metros de eslora y una capacidad de carga de alrededor de 3.500 toneladas. Una única máquina de vapor de 2.000 CV impulsaba el barco a una velocidad de 12 nudos.

Ilustración de http://www.ssgreatbritain.org

 

El Great Britain naufragó en la costa de Irlanda, pero soportó severos vientos y marejadas durante un invierno completo, y fue reflotado más tarde casi sin daños. Este hecho eliminó una gran parte de los prejuicios conservadores contrarios al uso del hierro como material apropiado para la construcción de barcos. En 1850 las cuatro quintas partes de los barcos británicos eran aún de madera, pero una década más tarde sólo lo eran dos quintas partes.

En 1854 Brunel inició la construcción de su tercer buque transatlántico, el Great Eastern, que era mucho más grande que su predecesor.

Construcción del Great Estern. 1957

 

El Great Eastern  —210 metros de eslora por 24 de manga— estaba propulsado por un sistema mixto: una hélice y dos ruedas de paletas, conservando un aparejo vélico considerable. Diseñado para transportar a cuatro mil pasajeros, las acomodaciones de primera clase eran de un lujo desconocido hasta entonces a bordo de un buque. Desde su botadura en 1858 hasta la botadura del RMS Celtic en 1901, fue el mayor buque del mundo jamás construído.

La mayor innovación tecnológica que Brunel introdujo en el Great Eastern fue el concepto de «doble casco», un concepto que no se volvería a ver en un barco hasta un siglo después. El buque tenía dos cascos, uno dentro del otro, separados por 86 centímetros. Entre ellos habría una estructura reticular de vigas de hierro, con una clara (separación entre cuadernas) de 1,8 metros. El casco interior llegaba hasta un metro y medio por encima de la línea de flotación en condiciones de máxima carga, y estaba dividido por dos mamparos longitudinales de 107 metros de longitud y 18 de altura que, al cruzarse con los mamparos transversales, dividían el barco en 19 compartimentos estancos. Esta distribución y el doble casco convertían al Great Eastern en un barco insumergible.

Pero al igual que el «Titanic», otro gigante de los mares, estuvo perseguido por la desgracia desde sus primeros comienzos. El principal accionista de la Eastern Steam Navigation Company era el famoso banquero londinense Lord Henry Thomas Hope, propietario del no menos famoso diamante Hope. Este diamante era conocido, además de por su enorme valor y belleza, por la maldición que, según el decir popular, perseguía sus poseedores. Durante la construcción del coloso hubo que lamentar la desaparición de dos trabajadores, la muerte de otros cuatro así como la de un visitante y un ejecutivo de la compañía.

En la primera botadura, fallida, murió un trabajador y otros 4 resultaron heridos de gravedad. Al segundo intento, esta vez sin desgracias, se consiguió botarlo. A todo esto su creador tuvo que ser ingresado en un hospital por un fallo cardiaco y la compañía quebró.

Tras constituirse una nueva sociedad, la Great Ship Company, en unos 20 mese se consiguió dejar el barco listo para las pruebas de mar. Durante estas, una de las ocho calderas reventó, matando a cinco hombres e hiriendo gravemente a otros cinco. Se cree que el desastre aceleró la muerte de Brunel que murió seis días después de la explosión, sin haber navegado nunca en el barco.

Fotografía de http://4.bp.blogspot.com

 

De vez en cuando la tripulación oía extraños golpes sin poder determinar su exacta procedencia. La mayoría de los tripulantes decía que se trataba de los dos obreros desaparecidos, supuestamente encerrados en las entrañas del barco. Los rumores y descontentos desembocaron en un motín de parte de la tripulación. El capitán y los oficiales lograron dominar el mismo y algunos marineros y fogoneros fueron encarcelados.

Un tiempo después, el capitán, dos oficiales y un niño se ahogaron al zozobrar uno de los botes del Great Eastern.

Por fin, a casi dos años y medio de su botadura, realizó su viaje inaugural a Nueva York. A pesar de los rebajadísimos precios ofrecidos, únicamente se embarcaron 36 pasajeros, lo que no es extraño vistos sus antecedentes. Durante este primer viaje «sólo» sufrió tres incidentes de importancia: avería en las máquinas, un pasajero enloqueció e hirió a varios otros con un cuchillo y en la maniobra de atraque hubo algunos heridos entre la aglomeración reunida para recibirlo.

Imagen de http://maritime-connector.com

 

Al principio del tercer viaje sufrió un duro temporal que inutilizó las ruedas de paletas y averió el timón. Propulsado únicamente por la hélice y con una reparación de fortuna en el timón, consiguió refugiarse en un puerto irlandés. Despues de las oportunas reparaciones, reanudó su ruta transtlántica con algo más de fortuna.

Como barco de pasaje resultó un completo fracaso por la mala fama que, merecidamente, le precedía. El porcentaje de ocupación de las plazas disponibles raramente alcanzaba para pagar sus enormes gastos de explotación (más de 400 tripulantes). En los cuatro años de servicio como buque de pasaje, sufrió multitud de incidentes, afortunadamente menos luctuosos que lo ocurridos con anterioridad.

Después se reconvirtió en buque cablero y en 1866 tendió el primer cable telegráfico transatlántico. Terminó sus días como music hall flotante en Liverpool. Se desguazó en 1889 y al final del mismo se descubrieron dos cadáveres en el interior de un doble fondo de la sala de máquinas: Los dos remachadores desaparecidos al principio de su construcción.

Un viaje a bordo de este buque, sirvió a Julio Verne para escribir su novela «Una ciudad flotante».

Ilustración de http://blogs.grupojoly.com

 

Quien quiera saber más sobre este coloso marino, puede acudir al magnífico artículo «Great Eastern, el insumergible gigante de hierro».

Pero volvamos al hierro: la principal desventaja de este es su baja resistencia a la corrosión, por lo que no es accidental el nacimiento de varias de las principales compañías fabricantes de pinturas en paralelo al aumento de la construcción de barcos de hierro, aunqué la eficacia de las pinturas antioxidantes primerizas era bastante dudosa. En 1871, la corrosión extrema del fondo del transporte de tropas “HMS Megaera”, determinó su final en la isla de Saint Paul, en el océano Índico.

Imagen de https://en.wikipedia.org

 

Según avanzaba el siglo y debido al contínuo desarrollo de la industria siderúrgica como consecuencia de importantes logros tecnológicos, poco a poco los cascos de hierro empezaron a desplazar a los de madera.

El acero, más fuerte, resistente y elástico que el hierro fue sustituyendolo, en Francia a partir de 1873 y en el Reino Unido a partir de 1880. Este metal es una aleación de hierro y carbono más otros elementos que mejoran sus propiedades. El bajo coste, la ductilidad, la resistencia mecánica, la facilidad para trabajarlo y las buenas condiciones para unirlo mediante remaches o soldadura, hacen del acero un material sin competencia para la construcción de grandes buques. No nos olvidemos que, hasta el momento y de manera comprobada, el acero, la madera y el ferrocemento, son los únicos materiales que pueden durar más de 100 años.

Puede decirse que el desarrollo de la técnica de unir planchas de hierro o acero mediante remaches fue pareja al propio desarrollo de la construcción naval con estos metales. Después de muchas pruebas, éxitos y fracasos, se impusieron los roblones o remaches en caliente. Para hacer este tipo de uniones, las planchas que se debían unir se perforaban, reforzando los empalmes y traslapes con planchas igualmente perforadas. Muchas veces estas planchas adicionales llegaban a representar hasta el 20% del peso total de la estructura. Los roblones o remaches tienen una cabeza ya preformada en forma redondeada y se colocan precalentados a una temperatura de aproximadamente 1.200ºC, pasándolos por las perforaciones y remachando la cara opuesta hasta conformar la segunda cabeza. Al enfriarse, su caña sufre una contracción que ejerce una fuerte presión sobre los elementos que se están juntando. Este sistema de unión funciona por la enorme dilatación térmica del acero que permite que, aún elementos relativamente cortos como los roblones, se contraigan significativamente al enfriarse desde los 1.200ºC hasta la temperatura ambiente, consiguiéndose así una unión perfecta.

El remachado o roblonado se consigue golpeando el extrema del remache con un martillo ligero, (remachado a mano), golpeando con un martillo de gran peso que se apoya en el cuello a modo de troquel, (remachado estampado), o con rapidísimos golpes suaves realizados por martillos neumáticos (remachado neumático). Este método de unión requería mucha mano de obra especializada y bien formada. Generaba un ruido ensordecedor que provocaba la perdida de audición entre los trabajadores y molestias entre la población que vivía cerca de los astilleros.

 

Imagen de http://www.hiru.eus

 

Dos claros exponentes de la construcción naval con esta tecnología fueron el trasatlántico Kaiser Wilhelm der Große (el mayor barco del mundo en su momento) y el Preußen, probablemente el mayor velero puro de carga jamás construido.

Mención especial merece la mayor de las goletas construidas en acero: la Thomas W. Lawson de 7 mástiles, construida en 1902, con una capacidad de carga superior a las 5.000 toneladas y una tripulación de sólo 18 personas. Acabó sus días naufragando en las islas Sorlingas el 14 de diciembre de 1907 con la pérdida de 16 tripulantes y el práctico de las islas.

 

El primer paso para la invención de la soldadura eléctrica o por arco lo dió Sir Humphry Davy en 1808 cuando descubrió que era posible conducir electricidad en el aire entre dos electrodos, es decir descubrió el arco eléctrico. No fue hasta el año 1885, que N. Bernardos patentó el primer equipo de soldadura en Inglaterra. El ruso Slavianoff fue el creador de un electrodo metálico consumible en 1892.
El sueco Oscar Kjellberg, fue el primero en patentar un electrodo revestido en 1907.
En 1912, los señores Strohmenger y Slaughter patentaron el primer electrodo con recubrimiento grueso que pronto comenzó a desarrollarse e utilizarse industrialmente; había nacido
la soldadura por arco con electrodo metálico revestido o SMAW (sus siglas en inglés), también conocida como soldadura por arco con electrodo recubiertosoldadura de varilla, soldadura manual de arco metálico o soldadura electrógena. Durante la 1ª Guerra Mundial los constructores navales británicos empezaron a utilizar esta técnica para reemplazar el remachado en las obras muertas de los buques.

Se trata de una técnica en la cual el calor para la soldadura es generado por un arco eléctrico entre la pieza de trabajo (metal base) y un electrodo metálico consumible (metal de aporte) recubierto con materiales químicos en una composición adecuada (fundente).

Ilustración de http://www.demaquinasyherramientas.com

 

Las principales ventajas de esta técnica son:

.-Equipo simple, portátil y de bajo costo.

.-Tasas de deposición del metal relativamente altas.

.-Adecuada para aplicaciones en exteriores.

Y las mayores desventajas son:

.-Proceso discontinuo debido a la longitud limitada de los electrodos.

.-Al ser una técnica manual, se requiere una gran pericia del soldador.

.-La soldadura puede contener inclusiones de escoria.

Quien quiera información completa sobre la soldadura SMAW, que vea el artículo "¿Qué es la soldadura SMAW?".  

Los astilleros alemanes fueron los pioneros en la utilización exclusiva de la soldadura por arco con electrodo recubierto, en la unión de las planchas que conforman la estructura de un buque de acero. Un ejemplo brillante de esta nueva tecnica de construcción fue el trasatlántico «Bremen», un buque innovador en muchos aspectos, que en sus dos primeros viajes conquistó el famosos gallardete azul en ambos sentidos.

A comienzos de la década de los años 40, EE.UU. inició por primera vez, la producción en serie de barcos soldados, llamados Liberty, ante la urgente necesidad de construir buques para la guerra. Hasta entonces, si bien la técnica de unión por soldadura de planchas era de regular dominio, no ocurría lo mismo con el diseño y fabricación de las grandes estructuras soldadas y poco o nada era lo que se sabía acerca de sus características de fractura. Es así como la construcción de los primeros buques de acero soldados, después de una época de cascos remachados, trajo consigo serios problemas estructurales por la aparición de grandes grietas que colapsaban la estructura sin una explicación clara de lo ocurrido.

Foto de http://www.soldadosdigital.com

 

Las catastróficas fallas comenzaron en el invierno de 1942 y 1943. Al final de la II Guerra Mundial y después de la construcción de más de 5000 buques, el saldo negativo era de 250 buques fracturados totalmente, 20 partido en dos y 1000 con daños estructurales de variada magnitud. La mayoría de esos barcos tenían menos de 3 años de vida. 

Ilustración de http://www.themodelshipwright.com

 

Investigaciones y estudios posteriores determinaron que los principales causantes de estos fallos estructurales habían sido: El diseño inadecuado de algunas uniones, la fragilidad del acero a bajas temperaturas, los defectos en la soldadura, la geometría inadecuada de los entalles y el cálculo inadecuado de los esfuerzos en determinadas zonas. A todo esto hay que sumarle la propia calidad del acero fabricado. El incremento del porcentaje de carbono en los aceros los hacía más económicos sin reducirles la resistencia, pero como se vió posteriormente este aumento afectó la eficacia de la soldadura y redujo la tenacidad (capacidad para resistir mayor cantidad de esfuerzo sin deformarse plásticamente o romperse) del acero.

Por todo ello, en 1948 la American Bureau of Shipping, especificó los procedimientos de fabricación y pruebas de impacto, las técnicas de soldadura y el diseño de estructuras para los aceros navales. Como resultado de estas modificaciones, el número de fracturas frágiles* ocurridas en estructuras soldadas o parcialmente soldadas en la posguerra disminuyó drásticamente, aunque no desapareció completamente.

En los buques grandes se utilizan tres sistemas de construcción: transversal, longitudinal y mixta, siendo esta última la más utilizada. 

A partir de 1950 la soldadura con electrodo desplazó completamente a la reblonadura en los astilleros. La experiencia adquirida durante la II G.M. abrió nuevos horizontes para la construcción de todo tipo y tamaño de buques de acero. Las acerías contribuyeron a ello lanzando el acero naval, un acero más resistente y durable a la corrosión causada por el agua de mar. Poco a poco se extendió el prefabricado de los buques que consiste en fabricar secciones de barco en diferentes lugares, que luego se transportan a su posición en la grada y se sueldan a las otras.

 

Foto de http://www.atmosferis.com

 

Como estas secciones se fabrican en talleres, se utiliza profusamente la soldadura automática.

Hoy en día, los aceros de alta resistencia más utilizados en la construcción naval son los HTS, HY-80, HY-100 y HY-130. Todos ellos cumplen con las exigencias de las sociedades clasificadoras de buques, las encargadas de regular la construcción naval en el mundo. Sin embargo, la corrosión sigue siendo un problema, aunque cada vez menor gracias al galvanizado en frío, el revestimiento con compuestos bituminosos o plásticos, las excelentes pinturas antioxidantes actuales y la protección catódica pasiva ―con abundantes ánodos de cinc― o activa ―aplicando una microcorriente al casco―.

Es imperativo que los materiales y métodos empleados en la construcción de un barco de acero o de cualquier otro material― sean absolutamente fiables, porque la falla en alta mar de una plancha, una soldadura, una pieza forjada o fundida, puede tener graves consecuencias. La normativa es exigente en este aspecto y, en general, las inspecciones utilizan la más avanzada tecnología para la detección de defectos en las soldaduras, uniones, grietas o cualquier alteración en los materiales.

Las técnicas de soldadura evolucionan constantemente y ya se utiliza habitualmente la soldadura mixta de electrodo/gas, con plasma, MiG, TiG, etc. Las máquinas de corte y manipulación de planchas también han evolucionado grandemente. 

Todo ello permite ahora construir mejores buques a partir de sub-unidades o módulos que incorporan instalaciones y sistemas integrados. De esta manera, la conexión de los módulos es relativamente fácil de efectuar. Se trata de un proceso más rápido, menos costoso y que asegura un control de calidad más estricto. Además, este tipo de construcción se presta a la automatización y la robotización, lo cual ahorra dinero y reduce la exposición a riesgos de naturalez física y/o química. Este sistema modular se ha hecho imprescindible en la construcción de los nuevos gigantes de los mares.

Actualmente el acero se utiliza en más del 75 % de los barcos que se construyen. El restante 25 % se lo reparten los barcos construidos con fibra de vidrio y resina de poliester, los construidos con ferrocemento, los hechos de madera y los que utilizan materiales más caros como el aluminio, el acero inoxidable, la fibra de carbono u otros novedosos materiales.

A mediados del siglo pasado, los arquitectos navales empezaron a diseñar barcos relativamente pequeños de acero. La industria naval francesa fue la pionera en la construcción de veleros de este material.

En el último tercio del siglo XX, Bernard Moitessier, sus libros «Cabo de Hornos a la vela»/«El largo viaje» y su barco, el Joshua (39' de eslora en cubierta), popularizaron el velero de acero como arquetipo de fiablidad a toda prueba.

 

Foto de http://static-sailfeed.s3.amazonaws.com

 

Una década después, la construcción de barcos de acero de pequeño tamaño dió un gran salto gracias a la utilización de pantoques vivos, que permiten abaratar costes y simplificar la construcción sin merma de las cualidades marineras del barco.

Foto de http://www.ribespa.com

 

Más adelante se empezaron a utilizar las cuadernas planas, sin ángulos, lo que simplificó todavía más la construcción y eliminó zonas de dificil combate contra la oxidación.

Los pantoques vivos y a las cuadernas planas pusieron la construcción de un barco de acero al alcance del constructor amateur. Cualquier persona paciente y habilidosa puede construirse un barco en el jardín o en el garaje. Desde luego conviene aprender seriamente la técnica de la soldadura electrógena, leer un buen libro sobre la construcción de barcos de acero y comprar planos acreditados ―Van der Stad, Roberto Barros, etc.―, lo demás, con sentido común y perseverancia, se aprenderá sobre la marcha. En la red hay muchas páginas de constructores amateurs contando sus experiencias, que ayudarán a los novatos.

Antes se creía que los veleros menores de 30' resultarían demasiado pesados y lentos, pero ahora hay algunos veleros pequeños de acero navegando por el mundo, como por ejemplo el excelente velero oceánico Bruce Roberts - Tom Thumb 24 diseñado por el canadiense Graham Shannon.

Un Tom Thumb 24 aparejado de junco - Foto de http://cdn.bluewaterboats.org

 

Personalmente he navegado algunas miles de millas a bordo de un Van der Stad 44 de formas y un Daas 33' de pantoques vivos, ambos con muchos años a cuestas y afirmo que excepto por la oxidación, concentrada en la línea de flotación, regala e interior de los ángulos de dificil acceso, son barcos excelentes, marineros, robustos, que soportan varadas involuntarias sin daños graves y que son fáciles de reparar en cualquier puerto del mundo. Conviene situar numerosos ánodos de cinc en la obra viva o instalar un sistema activo de protección catódica. Tambien es necesario vigilar las masas, especialmente si a bordo hay instalada alguna emisora de onda corta y los barcos vecinos, que si son de aluminio o acero pueden actuar como cátodos, acelerando la acción galvánica.

 

Román Sánchez Morata 25-06-2017

 

*Fractura frágil es aquella que ocurre antes o durante el momento en que se presenta una deformación plástica.

 

Fuentes:

http://www.bluewaterboats.com.ar/

http://revistamarina.cl/

http://es.wikipedia.org/wiki/

https://en.wikipedia.org

http://blog.educastur.es/

http://www.elportaldelosbarcos.com.ar/

http://www.portalplanetasedna.com.ar/

http://html.rincondelvago.com/

http://www.hiru.eus

http://www.mgar.net/

http://www.edicionesespeciales.elmercurio.com/

https://es.scribd.com

http://www.arquitecturaenacero.org

http://www.cabovolo.com

http://www.ribespa.com/vds34/

http://www.buenastareas.com

http://historiaybiografias.com/barcos2/

http://nauticaonline.blogspot.mx

http://www.insht.es

https://lanavedemisterio.blogspot.mx

http://www.bbc.co.uk

https://forjartistica.jimdo.com

http://www.ehowenespanol.com

http://www.demaquinasyherramientas.com

http://catarina.udlap.mx