Verificación del soporte del tanque de GNL para el primer buque de bunkering de GNL de España

Antecedentes del proyecto

El LNG Haugesund Knutsen, propiedad de la naviera Knutsen OAS y construido en Astilleros Armón Gijón, es el primer buque de bunkering y transporte de gas natural licuado (GNL) diseñado en España. Su misión es fomentar el desarrollo del GNL como combustible marino sostenible y garantizar un suministro fiable en los puertos, de acuerdo con la Directiva de Combustibles Alternativos de la UE.

CESAC, empresa especializada en el diseño y análisis estructural de estructuras marinas y offshore, se encargó de la verificación estructural de la bodega de carga donde se integran los tanques de GNL y sus soportes. Para garantizar la precisión, la seguridad y el cumplimiento de Normas de clase de Bureau Veritas, CESAC utilizado softwareSDC for Femap .

Figura 1. Modelo de análisis por elementos finitos (AEF) de la bodega de carga de GNL Haugesund Knutsen y de la estructura de soporte del tanque.

Descripción del buque y del sistema de carga

El buque tiene unas dimensiones principales de 91,9 m de eslora total, 16,90 m de manga y 4,25 m de calado, y está equipado con una capacidad de almacenamiento de 5.000 m³, consistente en dos tanques bilobulares de 2.500 m³ cada uno, con una capacidad de suministro de GNL de 1.000 m³/h.

La zona de carga está delimitada por un mamparo de proa en la cuaderna 120 y un mamparo de popa en la cuaderna 18. Un mamparo transversal en la cuaderna 69 divide las dos bodegas de carga, definiendo el tanque nº 1 a proa y el tanque nº 2 a popa.

Figura 2. Modelo de elementos finitos del gas natural licuado Haugesund Knutsen que muestra los tanques bilobulares y las silletas fijas y deslizantes alineadas con las cuadernas del buque.

Cada tanque es un tanque de GNL bilobular de tipo C, de 28,4 m de longitud, con un peso ligero de 240 toneladas métricas y un peso de carga de 1.140 toneladas métricas. Con una geometría cilíndrica, los tanques también están equipados con dispositivos anticolisión y antiinundación.

Los tanques se apoyan en dos sillines de madera de alta resistencia (350 mm de grosor), alineados con los bastidores #30, #57, #81 y #108. Uno de los sillines actúa como soporte fijo, restringiendo el movimiento longitudinal, mientras que el otro permite el deslizamiento, permitiendo una deformación controlada y reduciendo el riesgo de daños en el tanque. Estos sillines están diseñados para transferir las cargas del tanque a la estructura de doble fondo.

Figura 3. Modelo de AEF del GNL Haugesund Knutsen que muestra los tanques biloba integrados con la estructura de soporte en la región del doble fondo.

Metodología de análisis con SDC Verifier

Para captar el comportamiento estructural, los tanques bilobulares se modelaron explícitamente dentro del análisis de elementos finitos. Esto garantizó la representación correcta de la rigidez estructural y la transmisión precisa de las fuerzas de reacción de las cargas internas del tanque a los sillines y a la estructura de soporte circundante, incluidos los bastidores de alma, los longitudinales y los pisos del doble fondo.

Los compartimentos de carga se mallaron utilizando elementos de cáscara CQUAD4 de cuatro nodos con un tamaño de malla base de 200 × 200 mm. En las zonas de asiento, donde se concentran las tensiones, la malla se refinó a 50 × 50 mm. Este refinamiento permitió al CESAC realizar análisis locales detallados en las zonas más críticas.

Figura 4. Distribución de tensiones en la región de la silla de montar del modelo de bodega de carga de GNL Haugesund Knutsen, resaltando las zonas de mayor concentración de tensiones.

Cómo se hizo en SDC Verifier

• Modelo y selecciones. El modelo Nastran importado se organizó en SDC for Femap. El buscador de paneles reconoció automáticamente las chapas de doble fondo (pisos, longitudinales, marcos de alma). Las selecciones con nombre mapearon las zonas de ensillado en los marcos #30, #57, #81, #108 para comprobaciones focalizadas.

• Cargas y combinaciones. Utilizando el Gestor de Carga/Combinación, se agruparon y combinaron las cargas permanentes (peso propio del tanque), ambientales (presión externa del mar, aceleraciones) y del tanque según BV NR467 en conjuntos ULS y ALS, incluyendo 30° de escora y ±0,5 g de colisión longitudinal.

• Estabilidad de la placa (pandeo) y tensiones. Se realizaron comprobaciones de pandeo de placas en paneles en las proximidades del sillín y del doble fondo. Las cláusulas BV NR467 no presentes en la biblioteca se implementaron mediante el editor de reglas/fórmulas personalizadas. Los puntos calientes gobernantes se localizaron con Extremos en la malla refinada de 50 × 50 mm.

• Informando. Con el Diseñador de informes, el CESAC elaboró un paquete auditable: conjuntos y combinaciones de cargas, listas de paneles, tablas de aprobados y suspensos para tensiones y estabilidad de placas, y exportaciones de figuras (refinamiento de mallas y puntos calientes de las silletas).

• Nota de contacto. El contacto no lineal entre los tanques y el casco se resolvió en el solver FE; SDC Verifier importó estos resultados y realizó las comprobaciones BV NR467 (ULS/ALS).

Escenarios accidentales

Para la ELA, se evaluaron los siguientes escenarios: Talón de 30° y colisión longitudinal de ±0,5 g (en ambas direcciones), centrándose el caso de colisión en el sillín fijo que soporta el impacto longitudinal.

El análisis de contacto no lineal (apertura/cierre y deslizamiento en la interfaz tanque-casco) se resolvió en el solver FE. A continuación, SDC Verifier importó los campos de tensiones/resultados resueltos y realizó las comprobaciones BV NR467 (ULS/ALS), incluida la verificación de la estabilidad de la placa (pandeo) y el informe de pasa/no pasa.

Resultados y verificación

El análisis realizado con SDC Verifier confirmó que:

• Todas las tensiones en los sillines y las estructuras de soporte estaban por debajo de los valores máximos admisibles definidos por Bureau Veritas.

• Se verificó la estabilidad al pandeo de las placas, tanto en los sillines como en los elementos estructurales de doble fondo.

• En las comprobaciones de la dirección longitudinal, se incluyeron los momentos de flexión globales debidos al acaparamiento y al pandeo, garantizando una evaluación conservadora.

• El sillín fijo absorbió con éxito el impacto de colisión (0,5 g), validando su papel en escenarios accidentales.
• Se confirmó que el uso de soportes deslizantes era eficaz para absorber las deformaciones y evitar daños en el tanque.

Impacto del proyecto

Utilización de SDC para Femap para las comprobaciones de código automatizadas, la evaluación de la estabilidad de las placas, la detección de extremos y la generación de informes, CESAC creó un paquete de verificación trazable y orientado a clases que cubría condiciones normales y accidentales con un comportamiento de contacto realista. El flujo de trabajo consolidó cargas → combinaciones → comprobaciones pasa/falla → informe en un solo entorno y se alineó directamente con las expectativas de Bureau Veritas.

Como el análisis identificó puntos calientes locales cerca de los sillines, el CESAC aplicó un refuerzo/rediseño específico y reevaluó el modelo; tras la actualización, los paneles evaluados cumplieron los criterios de aceptación BV NR467 (ULS/ALS).

Este enfoque es repetible para buques de bunkering de GNL y otros proyectos marinos/marítimos con tanques de tipo C y soportes basados en sillas de montar.

Un informe técnico relacionado del CESAC sobre este tema se publicó en la Revista Ingeniería Naval (edición española).