Diseño Conceptual de una Embarcación con
Autopropulsión destinada al Transporte de Carbón en el
sector bajo del Rı́o Magdalena
Oscar D. Acosta Lopera
Código: T00018922
Universidad Tecnológica de Boĺıvar
Facultad de Ingenieŕıa
Departamento de Ingenieŕıa Mecánica & Mecatrónica
Cartagena, D.T. y C.
Julio 4 de 2014
Diseño Conceptual de una Embarcación con
Autopropulsión destinada al Transporte de Carbón en el
sector bajo del Rı́o Magdalena
Oscar D. Acosta Lopera
Código: T00018922
Trabajo de grado requisito para optar el t́ıtulo de
Ingeniero Mecánico
Director
Jairo H. Cabrera Tovar, Ph.D.
Doctor en Ingenieŕıa Naval y Oceánica
Universidad Tecnológica de Boĺıvar
Facultad de Ingenieŕıa
Departamento de Ingenieŕıa Mecánica & Mecatrónica
Cartagena, D.T. y C.
Julio 4 de 2014
T́ıtulo en español
Diseño Conceptual de una Embarcación con Autopropulsión destinada al Transporte de
Carbón en el sector bajo del Ŕıo Magdalena
Title in English
Conceptual Design of an Inland Water Ship Self-Propelled for Coal Transportation to
Navigability of the Magdalena River Low Section
Resumen: Se desarrolla el diseño conceptual de una barcaza autopropulsada para el
transporte de carbón en el ŕıo Magdalena entre los puertos de la ciudad de Barranquilla y
el puerto de Capulco ubicados en el sector bajo del afluente. En el diseño se considera las
restricciones f́ısicas del ŕıo y de carga en los respectivos terminales y su correspondiente
ruta además de seleccionar las ĺıneas y formas del casco más apropiadas desde el punto
de vista al desempeño, al avance y a la propulsión.
Abstract: Conceptual design of an inland-water self-propelled ship for coal transporta-
tion appropriate to the Magdalena river low section, between the ports of Barranquilla
and Capulco. The design is considering physical and loading constraints of the river,
defining hull lines and optimizing powering aspects.
Palabras clave: Barcaza Autopropusada, Transporte de Carbón, Ŕıo Magdalena,
Resistencia al Avance, Potencia.
Keywords: Inland-Water Ship, Coal Transportation, Magdalena River, Hull Lines, Po-
wering Aspects.
Nota de aceptación
Trabajo de tesis
Aprobado
Jurado
Andrés Marrugo, Ph.D.
Jurado
Vladimir Quiróz, M.Sc.
Director
Jairo H. Cabrera Tovar, Ph.D.
Cartagena, D.T. y C., Julio 3 de 2014
Nota al lector
Las directivas de la Universidad Tecnológica de Boĺıvar, los jurados
calificadores y el cuerpo docente no son responsables por los criterios e
ideas expuestas en el presente documento. Estos corresponden
únicamente al autor.
El autor ha puesto el máximo empeño en asegurarse de que las
direcciones de las páginas web a las que hace referencia en este trabajo
sean correctas y estén activas en el momento de la publicación. No
obstante, no es responsable del contenido de dichas páginas web y no
puede garantizar que una página permanezca activa o que su contenido
siga siendo relevante, ético u oportuno.
Planilla para formato de tesis creada por Ph.D Edwin Camilo Cubides
Garzón. Disponible en el Departamento de Estad́ıstica adscrita a la
Facultad de Ciencias de la Universidad Nacional de Colombia sede
Bogotá. Escrito y editado en LATEX por Oscar D. Acosta Lopera.
8 de mayo de 2014
Cesión de derechos patrimoniales
Cordial Saludo:
Manifiesto en este documento mi voluntad de ceder a la Universidad Tecnológica
de Boĺıvar los derechos patrimoniales, consagrados en el art́ıculo 72 de la Ley 23
de 1982 sobre Derechos de Autor, del trabajo final denominado Diseño Concep-
tual de una Embarcación con Autopropulsión destinada al Transporte de Carbón
en el sector bajo del Rı́o Magdalena, producto de mi actividad académica para
optar el t́ıtulo de Ingeniero Mecánico de la misma institución.
La Universidad Tecnológica de Boĺıvar, entidad académica sin ánimo de lucro,
queda por lo tanto facultada para ejercer plenamente los derechos anteriormente
cedidos en su actividad ordinaria de investigación, docencia y extensión. La
cesión otorgada se ajusta a lo que establece la mencionada ley. Con todo, en mi
condición de autor me reservo los derechos morales de la obra antes citada con
arreglo al art́ıculo 30 de la misma ley. En concordancia, suscribo este documento
que hace parte integral del trabajo antes mencionado y entrego al Sistema de
Bibliotecas de la Universidad Tecnológica de Boĺıvar.
Atentamente,
Oscar D. Acosta Lopera
8 de mayo de 2014
Señores
Universidad Tecnológica de Boĺıvar
Facultad de Ingenieŕıa
Departamento de Ingenieŕıa Mecánica & Mecatrónica
Comité evaluador de trabajos de grado
Cordial saludo:
Por medio de la presente, permito someter a su consideración el trabajo de grado
titulado Diseño Conceptual de una Embarcación con Autopropulsión destinada
al Transporte de Carbón en el sector bajo del Rı́o Magdalena, requisito para
optar el t́ıtulo de Ingeniero Mecánico.
Atentamente,
Oscar D. Acosta Lopera
8 de mayo de 2014
Señores
Universidad Tecnológica de Boĺıvar
Facultad de Ingenieŕıa
Departamento de Ingenieŕıa Mecánica & Mecatrónica
Comité evaluador de trabajos de grado
Apreciados señores:
Por medio de la presente, permito informarles que el trabajo de grado titulado
Diseño Conceptual de una Embarcación con Autopropulsión destinada al Trans-
porte de Carbón en el sector bajo del Rı́o Magdalena ha sido desarrollado de
acuerdo a los objetivos.
Como director del proyecto considero que el trabajo es satisfactorio y amerita
ser presentado para su evaluación.
Atentamente,
Jairo H. Cabrera Tovar, Ph.D.
Dedicado a
Gina S. Corredor Hernández
Agradecimientos
Expreso mis agradecimientos a las personas que de una u otra forma han colaborado,
contribuido y/o aportado durante el desarrollo de este trabajo, ya sea de forma interesada
o no.
A Dios y a la virgen de Guadalupe por lograr este sueño y seguir alcanzando metas
para llegar al éxito.
A Ph.D. Jairo H. Cabrera Tovar, por todos sus conocimientos que me ha impartido
durante el pregrado, su confianza, consejos como profesor y amigo, y la motivación para
el desarrollo de este proyecto. Sin él, no hubiera sido posible.
A los organizadores y jurados de INGENIAR 2013 de la Universidad Pontificia
Bolivariana sede Medelĺın, por aceptar y dejar exponer mi avance durante el proyecto,
demostrando tiempo y sacrificio para estar ah́ı.
A mis t́ıos paternos Rosario Acosta y Alcides Jiménez, principales padres que me
aceptaron, me criaron, me han apoyado en todo y me formaron con bases en principios y
valores. Mis primas paternas, Monica y Luisa; mis padres biológicos, Gustavo y Gladis;
mi hermano, Mauricio; mis t́ıos maternos, Pablo León, Luz Piedad y Elizabeth;
mis primas maternas, Maŕıa Fernanda, Sara, Ana y Paula Andrea. A mi abuelo
Leónidas. A los que no están en nuestro mundo, mis abuelos Gilma, Severo y en especial
a Ramona Cortina, mi segunda madre. Y a los demás familiares paternos y maternos.
Por último, este trabajo se lo dedico a Gina S. Corredor Hernández que, aunque
lejos y cerca, estuvo presente en mis mejores momentos. Gracias a ella recib́ı su apoyo
incondicional, ánimos para seguir logrando mis metas y me ha demostrado que las cosas
llegan cuando menos lo esperas.
Seguiremos adelante.
Para meditar
“Se debe hacer todo tan sencillo como sea posible, pero no más sencillo” Albert
Einstein
“Triste época la nuestra, en que es más dif́ıcil quebrantar un prejuicio que quebrantar un
átomo” Albert Einstein
“Debemos comprender que los progresos del conocimiento no pueden ser identificados con
la eliminación de la ignorancia. Deben unirnos a un progreso de la ignorancia” Edgar
Morin
“La pasión es un ingrediente clave para el estudio y la práctica de las leyes y de la vida”
Elle Woods en Legally Blonde
“La primera impresión no siempre es la correcta. Siempre tienen que tener fe en la
gente, y lo más importante... siempre tengan fe en ustedes mismos” Elle Woods en
Legally Blonde
“Considero la gramática como la primera parte del arte de pensar” Étienne Bonnot de
Condillac
“La verdadera elocuencia consiste en decir todo lo que es preciso y en decir apenas lo que
es preciso” François de La Rochefoucauld
“Cuando uno se aburre escribiendo, el lector se aburre leyendo” Gabriel Garćıa
Márquez
“El escritor escribe su libro para explicarse a śı mismo lo que no se puede explicar”
Gabriel Garćıa Márquez
“Si uno no se queda corrigiendo el libro por el resto de su vida es porque el mismo rigor
de fierro que hace falta para empezarlo se impone para terminarlo” Gabriel Garćıa
Márquez
“Be not inhospitable to strangers lest they be angels in disguise” George Whitman
escrito en las paredes de la libreŕıa Shakespeare & Company en Paŕıs, Francia.
“Cualquiera que sea la cosa que queramos decir, sólo hay una palabra para expresarla, un
verbo para animarla y un adjetivo para calificarla” Guy de Maupassant
“Hay verdaderamente dos cosas diferentes: saber y creer que sabe. La ciencia consiste en
saber, en creer que se sabe reside la ignorancia” Hipócrates
“El secreto de un buen hablar es saber escuchar” Ismael Cala
PARA MEDITAR I
“Es mucho más fácil reconocer el error que encontrar la verdad; aquel está en la
superficie, de manera que se deja erradicar fácilmente; esta reposa en el fondo, de
manera que su búsqueda no es asunto para cualquiera” Johann Wolfgang von Goethe
“No es lo que el páıs pueda hacer por ti, sino lo que tú puedas hacer por tu páıs” John
F. Kennedy
“Son vanas y están plagadas de errores las ciencias que no han nacido del experimento,
madre de toda certidumbre” Leonardo Da Vinci
“¿Para qué sirve un libro sin imágenes ni diálogos?” Lewis Carroll
“El genio se compone del dos por ciento de talento y del noventa y ocho por ciento de
perseverante aplicación” Ludwig van Beethoven
“Ni un paso atrás, siempre adelante” Luis Carlos Galán
“Cada quien llama claras las ideas que están en el mismo grado de confusión que las
suyas” Marcel Proust
“Habla todo lo que sabes y nada en lo absoluto de lo que ignoras” Nicolas Léonard
Sadi Carnot
“No es lo que seas en tu interior, son tus actos los que te definen” Rachel Dawes en
Batman Begins
“El viejo preceptor de un colegio le dice a uno de sus alumnos: ‘Relea lo que ha escrito y
en donde se tope con una frase que le parezca particularmente brillante, bórrela’.”
Samuel Johnson, según James Boswell
“Los atrasos tienen consecuencias funestas” William Shakespeare
“Un relato honesto resulta mejor si se lo hace sin rodeos” William Shakespeare
Índice general
Índice general II
Índice de tablas IV
Índice de figuras V
Convenciones VI
Lista de śımbolos VII
Introducción IX
1. El carbón en Colombia 1
1.1. Propiedades del carbón . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2. Clasificación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.3. Carbón a nivel mundial . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.4. Carbón en Colombia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
2. Descripción del área de navegabilidad 8
2.1. Antecedentes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.2. Proyectos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2.3. Ruta seleccionada . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
3. Transporte fluvial 13
3.1. Caracteŕısticas básicas de las v́ıas fluviales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
3.2. Transporte fluvial a nivel mundial . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
3.3. Transporte fluvial en Colombia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
4. Metodoloǵıa 20
II
ÍNDICE GENERAL III
4.1. Restricciones f́ısicas del ŕıo y modelo del casco . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
4.2. Análisis paramétrico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
4.3. Selección de la embarcación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
4.4. Validación de resultados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
5. Resultados 32
5.1. Resumen de resultados en FREE!ship . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
5.2. Resumen de resultados en AVEVA Marine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
Glosario 42
Referencias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
Índice de tablas
1. Clasificación del carbón según ASTM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
2. Páıses productores de carbón (estimado en 2012) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
3. Reservas probadas del carbón en el mundo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
4. Páıses exportadores e importadores de carbón (estimado en 2012) . . . . . . . 5
5. Reservas de carbón en la mineŕıa colombiana . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
6. Comparación entre los diferentes modos de transporte para 7,200 t a 500 km 16
7. Nomenclatura del convoy de carga . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
8. Dimensiones y conformación t́ıpica de los convoy más grandes que operan
actualmente en el ŕıo Magdalena . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
9. Longitud mı́nima de radio de curvatura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
10. Modelos de las embarcaciones fluviales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
11. Caracteŕısticas de los modelos de las barcazas preseleccionadas . . . . . . . . . 24
12. Valores para el coeficiente de forma . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
13. Valores aproximados para el factor de resistencia al apéndice . . . . . . . . . . . 26
14. Resultados de la resistencia al avance y potencia de las tres embarcaciones . 34
15. Resultados posteriores de la resistencia al avance y potencia de la embar-
cación 3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
16. Cálculos finales de resistencia al avance y potencia según Holtrop para la
embarcación 3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
IV
Índice de figuras
1. Importantes yacimientos del carbón en el mundo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
2. Cadena del carbón en Colombia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
3. Ingresos de exportación de la mineŕıa en Colombia . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
4. Mapa del ŕıo Magdalena . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
5. Puerto de Capulco . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
6. Puerto de Barranquilla . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
7. Canal Ámsterdam-Rin en Los Páıses Bajos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
8. Participación del movimiento de carga nacional por modo de transporte
durante el año 2006 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
9. Rutas para el transporte de carbón en Colombia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
10. Nivel del ŕıo Magdalena a la altura del municipio de Gamarra . . . . . . . . . . 19
11. Metodoloǵıa RESMAG . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
12. Radio de curvatura en función del angulo del timón y la profundidad del agua 21
13. Vista transversal de los cascos preseleccionados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
14. Diagrama del método de selección de la embarcación . . . . . . . . . . . . . . . . 29
15. Diagrama de los componentes del método de selección de la embarcación . . 30
16. Análisis comparativo de la resistencia al avance de las barcazas . . . . . . . . . 33
17. Análisis comparativo de la potencia de las barcazas . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
18. Análisis posterior de la resistencia al avance de la barcaza 3 . . . . . . . . . . . 34
19. Análisis posterior de la potencia de la barcaza 3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
20. Vista isométrica de la embarcación seleccionada . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
21. Planos de ĺıneas y formas de la embarcación seleccionada . . . . . . . . . . . . . 37
V
Convenciones
Unidad Nombre Definición
BTU Unidades Térmicas Inglesas ISO 80000-5
cm2 Cent́ımetro cuadrado -
cm3 Cent́ımetro cubico -
COP$ Peso colombiano ISO 4217 (No. 170)
ft Pie ISO 80000-3
g Gramo ISO 80000-1
ha Hectárea NIST
hp Caballos de fuerza NIST
kg Kilogramo ISO 80000-1
km Kilómetro ISO 80000-1
kN Kilo-Newton ISO 80000-4
kW Kilo-Watt ISO 80000-4
kn Nudo ISO 80000-3
lb Libra ISO 80000-3
m Metro ISO 80000-4
m3 Metro cubico -
Mg Mega-gramo ISO 80000-1
mi Milla NIST
MJ Mega Joule ISO 80000-4
s Segundo ISO 80000-3
s2 Segundo al cuadrado -
t Tonelada NIST
USD$ Dólar estadounidense ISO 4217 (No. 840)
VI
Lista de śımbolos
Śımbolos con letras latinas
Śımbolo Término Unidad SI
1 + k1 Factor de forma -
1 + k2 Factor de resistencia al apéndice -
ABT Área transversal debido a la presencia del bulbo m
2
AT Área de la popa sumergida m
2
AWP Área de la ĺınea de agua m
2
Ax Área máxima de la sección transversal del casco m
2
B Manga m
c1 Constante -
c2 Constante -
c3 Constante -
c4 Constante -
c5 Constante -
c6 Constante -
c7 Constante -
c14 Constante -
c15 Constante -
c16 Constante -
c17 Constante -
CA Coeficiente de correlación -
CB Coeficiente de bloque -
CBTO Coeficiente debido a la presencia de hélice en la proa -
CF Coeficiente friccional -
CM Coeficiente de la sección media del casco -
Cmax Calado máximo m
CP Coeficiente prismático -
Cstern Coeficiente de forma del casco en la popa -
CWP Coeficiente de la ĺınea de agua -
d Constante -
dt Diámetro del túnel m
Fn Número de Froude -
Fni Número de Froude basado en la inmersión -
FnT Número de Froude basado en la inmersión de la popa -
VII
LISTA DE SÍMBOLOS VIII
Śımbolo Término Unidad SI
Fr Fricción -
g Gravedad m/s2
hB Altura del bulbo m
iE Semiángulo de entrada de flotación -
L Eslora m
lcb Posición longitudinal del centro de carena -
LR Parámetro que refleja la eslora m
LWL Eslora al nivel de la ĺınea de agua m
m1 Constante -
m3 Constante -
m4 Constante -
P Potencia kW
PB Medida para la salida de la popa -
Pe Potencia efectiva kW
pm Profundidad mı́nima m
RA Resistencia en relación modelo−escala real de la embarcación kN
RAPP Resistencia al apéndice kN
RB Resistencia adicional debido a la presencia de bulbo en la kN
proa
RF Resistencia friccional kN
Rn Número de Reynolds -
RR Resistencia residual kN
RTe Resistencia total efectiva kN
Rtotal Resistencia total kN
RTR Resistencia adicional debido a la popa sumergida kN
RW Resistencia de olas kN
RW−A0.4 Resistencia de olas con número de Froude inferior a 0.4 kN
RW−B0.55 Resistencia de olas con número de Froude superior a 0.55 kN
S Área mojada del casco m2
SAPP Área mojada del apéndice m
2
T Calado m
TF Distancia vertical desde la ĺınea de quilla hasta la sección m
central del bulbo
V Velocidad de la embarcación m/s
v Viscosidad cinemática m2/s
Śımbolos con letras griegas
Śımbolo Término Unidad SI
∇ Volumen del cuerpo sumergido m3
λ Constante -
ρ Densidad kg/m3
Introducción
Colombia es el páıs con las mayores reservas de carbón en América Latina con re-
cursos potenciales de 17 millones de t aproximadamente (UPME, 2005). En función a
la existencia de una creciente demanda internacional de este producto, se hace necesario
definir alternativas de transporte entre sus yacimientos y los principales puertos de ex-
portación. Una de ellas es la utilización del recurso h́ıdrico para el transporte de carbón
como es el ŕıo Magdalena, la cual es la principal arteria fluvial que conecta los puertos
ubicados en el norte del páıs con los principales campos de producción de este mineral.
A pesar de ser la alternativa fluvial más viable para el transporte de volúmenes de carga,
predominan en el páıs para el transporte de carbón los sistemas terrestre y ferroviario.
Además, la mı́nima utilización que se hace a través del ŕıo se realiza por medio del sistema
convoy [barcaza(s)-empujador] (Hernández, Herrera, Villalba, y Gómez, 2007) con pocas
eficiencias operacionales comparado al sistema de embarcaciones con propulsión propia.
En este trabajo de investigación se explora el diseño conceptual de una barcaza auto-
propulsada para el transporte de carbón en el ŕıo Magdalena entre los puertos ubicados
en la ciudad de Barranquilla y el puerto de Capulco localizado próximo al municipio de
Gamarra en el departamento del Cesar. Las dimensiones principales de la embarcación se
determinan considerando las condiciones f́ısicas del ŕıo y restricciones de carga en calados
permitidos.
El diseño conceptual se fundamenta en el análisis teórico de resistencia al avance y
potencia. Para lo anterior se desarrolla la herramienta de cálculo RESMAG que permite
la selección de la embarcación apropiada a las caracteŕısticas f́ısicas del ŕıo Magdalena.
Los resultados son validados con programas especializados en el campo de la ingenieŕıa
naval.
En el caṕıtulo 1 se habla del carbón y sus propiedades, clasificación y el manejo del
material sólido tanto a nivel mundial como en Colombia. En el caṕıtulo 2 se describe el
área de navegabilidad, en ella explicaremos sus antecedentes, proyectos y ruta seleccio-
nada. En el caṕıtulo 3 hablaremos de las caracteŕısticas básicas de las v́ıas fluviales, del
transporte fluvial en el mundo y en Colombia. En el caṕıtulo 4 se explica la metodoloǵıa
propuesta para la selección de la embarcación. En el caṕıtulo 5 se describe los resultados
y su validación. Finalmente concluimos el trabajo con el análisis del caṕıtulo anterior y
proponemos recomendaciones para mejorar el proyecto.
IX
INTRODUCCIÓN X
Planteamiento y formulación del problema
Las condiciones del relieve colombiano, las temporadas invernales y otros factores afec-
ta el transporte de carga, en su gran mayoŕıa por v́ıa terrestre. Por lo anterior, hace que
el proceso sea muy costoso e ineficiente. En el caso espećıfico del transporte de carbón,
9.43 por ciento de los yacimientos del material sólido es localizado en el interior del páıs1
(UPME, s.f.), por lo que resulta potencialmente viable el uso del transporte fluvial apro-
vechando la presencia del principal recurso h́ıdrico del páıs, el ŕıo Magdalena.
En Colombia, el transporte de carga puede reemplazarse por modos más eficientes y
económicos. Esto reduce el costo de fletes internos y de exportación, ya que aporta al
desarrollo de la economı́a nacional. Igualmente cuenta con la principal arteria fluvial que
comunica las empresas productoras de este mineral ubicadas al interior del páıs con la
costa norte donde se encuentran los principales puertos nacionales y de exportación.
Pocos avances e innovaciones se han realizado en la últimas décadas en relación a las
embarcaciones fluviales que transportan este producto. Su geometŕıa, ĺıneas y formas son
principalmente rectangulares de capacidades limitadas y que además necesitan desplazarse
en grupos o convoy con la ayuda de empujadores.
¿Es posible diseñar una embarcación fluvial, que lleve en consideración el tipo de
barcaza para transportar carbón y, además, que sea autopropulsable para las limitaciones
f́ısicas del ŕıo Magdalena?
Objetivos
General
Desarrollar una herramienta de cálculo que seleccione la embarcación apropiada a las
condiciones del ŕıo Magdalena.
Espećıficos
• Investigar y establecer a través de la caracterización del ŕıo sus restricciones f́ısicas
relacionado con la navegabilidad.
• Realizar el análisis paramétrico de las ĺıneas y la geometŕıa del casco a partir de una
base de datos de embarcaciones fluviales tipo barcaza.
• Revisar y evaluar el potencial carbońıfero en Colombia y sus medios de transporte.
• Evaluar el empleo de embarcaciones fluviales al transporte de carbón y definir una
base de modelos para este tipo de embarcaciones.
• Validar los resultados con programas desarrollados en el área de ingenieŕıa naval.
1Reservas medidas del carbón en la mineŕıa colombiana correspondiente a los departamentos de Antio-
quia, Boyacá, Cundinamarca, Norte de Santander y Santander.
INTRODUCCIÓN XI
Justificación
• El proyecto es relevante, ya que el ŕıo Magdalena posee un potencial muy alto como
alternativa de transporte. El afluente ofrece una v́ıa natural que podŕıa conectar
los principales yacimientos del interior del páıs con los puertos de exportación e
importación localizados en la costa norte colombiana.
• Actualmente, de acuerdo a las poĺıticas del gobierno central, se proyectan grandes
obras de dragado y encauzamiento. De acuerdo con Hernández y cols. (2007), com-
parando con los diferentes modos de transporte en Colombia, el menor costo para
transportar 7,200 t de carga recorriendo 500 km seŕıa el modo fluvial con 64 t/km
frente al modo más utilizado como es el modo terrestre con 92 t/km y al modo
ferroviario con 78 t/km representando mayores costos. Por lo tanto, lo convierte la
principal hidrov́ıa del páıs que presentaŕıa mayores ventajas económicas.
• En comparación con las barcazas que necesitan ser empujadas por remolcadores, en
el proyecto se diseña conceptualmente una barcaza autopropulsable con volúmenes
de carga mayores y mejor maniobrabilidad.
• Para el proyecto de ampliación del ŕıo Magdalena el páıs recibirá bonos de carbono,
ya que se favorecerá en el programa de beneficios del Protocolo de Kioto. Por esta
razón representa ventajas ambientales (Chacón, 2013).
• De acuerdo a especialistas y al mercado internacional, el carbón colombiano posee
propiedades f́ısicas únicas que lo hace altamente competitivo y con reconocida de-
manda a nivel mundial, generando grandes beneficios económicos para el desarrollo
del páıs.
CAPÍTULO 1
El carbón en Colombia
Iniciamos en este caṕıtulo con las propiedades del carbón en general, sus usos y clasifi-
cación. También se hablará de la obtención de este mineral tanto en Colombia como a nivel
mundial. Para el caso de nuestro páıs mencionaremos las etapas del material sólido, las
reservas por departamentos, cifras y como afecta la mineŕıa de carbón al medio ambiente.
1.1. Propiedades del carbón
El carbón es un combustible sólido de origen vegetal, generalmente de color negro o
marrón, con grandes cantidades de carbono y otros elementos como azufre, hidrógeno,
nitrógeno y ox́ıgeno, que quedan como cenizas al quemarlo. Para James Morton Schopf2
define el carbón como “un material que contiene más de 50 por ciento en peso (70 por
ciento en volumen), materia carbonosa producida por la compactación y la induración de
restos de plantas alteradas o, en estos casos, depósitos de turba” (Encyclopædia Britannica,
2012c).
Las diferencias de densidad hacen lo posible para mejorar la calidad del carbón. Por
ejemplo, vaŕıa entre 1.1 y 1.5 Mg/m3 o g/cm3. Además es ligeramente más denso que
el agua (1.0 g/cm3) y menos denso que la mayoŕıa de roca y material mineral. Una de
las razones de la variación de su densidad se debe a la presencia de poros, ya que puede
contener metano que se libera durante las operaciones mineras y forman mezclas explosivas
con el aire. “La presencia de espacio de los poros es importante en la producción de coque,
licuefacción, y la generación de área superficial alta de carbono para la purificación de
agua y gases” (Encyclopædia Britannica, 2012c).
Otras propiedades pueden afectar la forma que se utiliza el carbón, tales como la dureza
y la temperatura de fusión de cenizas. También, una muy importante para las propiedades
del material solido es su reflectividad o reflectancia. Para los geólogos, su utilización es
notable para anticipar el potencial en busca de hidrocarburos sólidos o ĺıquidos que se
exploran para el petróleo. Las propiedades del carbón vaŕıan según las localidades mineras
(Encyclopædia Britannica, 2012c).
2Geólogo estadounidense (†1911-1978)
1
CAPÍTULO 1. EL CARBÓN EN COLOMBIA 2
Su uso es muy fundamental. Los más significativos están en la generación de electri-
cidad, producción de acero, fabricación de cemento y combustible ĺıquido (World Coal
Association, s.f.).
1.2. Clasificación
El carbón se clasifica de diferentes maneras. Una de ellas, según su contenido de carbono
fijo, como la turba, con bajo contenido y alto ı́ndice de humedad; el lignito, de contenido
alto es considerado el carbón de peor calidad; el carbón bituminoso, su poder caloŕıfico
es superior debido a su alto contenido; y la antracita, mayor contenido y máximo poder
caloŕıfico (Mircrosoft Encarta, 2009). También se clasifica el mineral según ASTM3 (tabla
1).
Tabla 1. Clasificación del carbón según ASTM
Porcentaje de Porcentaje de Valor caloŕıfico∗
• CaracteŕısticasRango y grupo carbón fijo material volátil• BTU/lb MJ/kg de aglomeración
Igual o Inferior Superior Igual o Igual o Inferior Igual o Inferior
superior a a inferior superior a superior a
a a a a
Antracitico
Meta-antracita 98 - - 2 - - - -
Sin aglomerar
Antracita 92 98 2 8 - - - -
Semiantracita† 86 92 8 14 - - - -
Bituminoso
Volatilidad baja 78 86 14 22 - - - -
Volatilidad media 69 78 22 31 - - - -
Comúnmente
Volatilidad alta A - 69 31 - 14,000‡ - 32.6 - aglomerado§
Volatilidad alta B - - - - 13,000‡ 14,000 30.2 32.6
Volatilidad alta C - - - - 11,500 13,000 26.7 30.2
10,500 11,500 24.4 26.7 Aglomerado
Sub bituminoso
Tipo A - - - - 10,500 11,500 24.4 26.7
Tipo B - - - - 9,500 10,500 22.1 24.4
Tipo C - - - - 8,500 9,500 19.3 21.1 Sin aglomerar
Lignito
Tipo A - - - - 6,300 8,300 14.7 19.3
Tipo B - - - - - 6,300 - 14.7
•Seco, base mineral libre de materias. ∗Húmedo, base mineral libre de materias. El carbón húmedo contiene humedad natural,
pero no incluye agua visible en la superficie. †Si aglomera, clasifica en el grupo de baja volatilidad de la base bituminosa. ‡El
carbón contenido en 69 % o más de carbón fijo en seco, base mineral libre de materias son clasificados, independiente del valor
caloŕıfico. §Hay muchas variedades sin aglomerar en estos grupos de base bituminoso; estos también son excepciones notables en
el grupo bituminoso de volatilidad alta C.
Fuente: Encyclopædia Britannica, 2012c
1.3. Carbón a nivel mundial
Actualmente los depósitos de gran importancia para la comercialización del carbón
se encuentran en Europa, Asia, Australia, Sudáfrica y América del Norte. En la figura 1
muestra los yacimientos de este material en el mundo. Las cifras para evaluar las reservas
mundiales y los recursos son dif́ıciles, ya que radica en la falta de datos precisos para cada
páıs. Debido a esto, existen dos problemas fundamentales, la primera se refiere a las can-
tidades que sean recuperables, en este caso, reservas probadas; la segunda, las cantidades
que no sean recuperables, o recursos geológicos (Encyclopædia Britannica, 2012c).
El primer problema, un lecho de carbón debe tener un espesor mı́nimo de 0.6 m y
ser enterrado a cierta profundidad máxima de 2,000 m aproximadamente. Estos valores
no son fijos, ya que cambian con la calidad, demanda y facilidad de extraer el material
sólido, ya sea en la superficie o subterránea. El segundo problema, es más importante el
3American Society for Testing and Materials
CAPÍTULO 1. EL CARBÓN EN COLOMBIA 3
Figura 1. Importantes yacimientos del carbón en el mundo
Fuente: Encyclopædia Britannica, 2012c
número de años que el carbón estará disponible que la cantidad de recursos del componente
sólido, lo cual significa que las reservas mundiales deben durar entre 300 y 500 años. Estos
recursos son dif́ıciles de estimar (Encyclopædia Britannica, 2012c). En la tabla 2 presenta
los 10 páıses productores de carbón en el mundo según lo estimado en el año 2012 y en la
tabla 3 muestra la cantidad total de las reservas probadas del carbón conforme a los datos
registrado hasta el año 2005.
Tabla 2. Páıses productores de carbón (estimado en 2012)
Páıs Mt Páıs Mt Páıs Mt Páıs Mt
Productores Productores de carbón térmico
China 3,549 Rusia 359 China 3,039 Rusia 201
EE.UU. 935 Sudáfrica 259 EE.UU. 782 Australia 200
India 595 Alemania 197 India 504 Kazajistán 108
Indonesia 443 Polonia 144 Indonesia 440 Colombia 85
Australia 421 Kazajistán 126 Sudáfrica 258 Polonia 68
Productores de carbón coquizable Productores de lignito
China 510 Canadá 31 Alemania 185 Polonia 64
Australia 147 Mongolia 21 Rusia 78 Grecia 62
EE.UU. 81 Ucrania 18 Australia 73 República Checa 43
Rusia 75 Kazajistán 13 EE.UU. 72 India 43
India 47 Polonia 12 Turqúıa 66 Serbia 38
Mt = Millones de t
Fuente: World Coal Association, 2013
CAPÍTULO 1. EL CARBÓN EN COLOMBIA 4
Tabla 3. Reservas probadas del carbón en el mundo
Millones de t
Páıs/Región Antracita y Sub-bituminoso Total Total a nivel
Bituminoso y Lignito mundial ( %)
Canadá 3,471 3,107 6,578 0.70
Estados Unidos 11,338 135,305 246,643 27.10
México 860 351 1,211 0.10
Total América del Norte 115,669 138,763 254,432 28.00
Brasil - 10,113 10,113 1.10
Colombia 6,230 381 6,611 0.70
Otros páıses del Sur y Centroamérica 1,471 1,698 3,169 0.30
Total Sur y Centroamérica 7,701 12,192 19,893 2.20
Alemania 183 6,556 6,739 0.70
Bulgaria 4 2,183 2,187 0.20
Grecia - 3,900 3,900 0.40
Hungŕıa 198 3,159 3,357 0.40
Kazajistán 28,151 3,128 31,279 3.40
Polonia 14,000 - 14,000 1.50
Reino Unido 220 - 220 <0.05
República Checa 2,094 3,458 5,552 0.60
Rumańıa 22 472 494 0.10
Rusia 49,088 107,922 157,010 17.30
Turqúıa 278 3,908 4,186 0.50
Ucrania 16,274 17,879 34,153 3.80
Otros páıses europeos y euroasiáticos 1,744 22,274 24,018 2.60
Total Europa y Eurasia 112,256 174,839 287,095 31.60
Sudáfrica 48,750 - 48,750 5.40
Otros páıses africanos 910 174 1,084 0.10
Total África y Medio Oriente 51,502 174 1,084 0.10
Australia 38,600 39,900 78,500 8.60
China 62,200 52,300 114,500 12.60
India 90,085 2,360 92,445 10.20
Indonesia 740 4,228 4,968 0.50
Pakistán - 3,050 3,050 0.30
Vietnam 150 - 150 <0.05
Otros páıses de Asia y del Paćıfico 97 215 312 <0.05
Total Asia y Paćıfico 193,256 105,243 298,499 32.80
Total Mundo 478,771 430,293 909,064 100.00
Fuente: Encyclopædia Britannica, 2012c
Para el transporte de carbón, las distancias cortas se llevan a cabo de manera terrestre.
En cambio, para trayectos largos se usan trenes y barcos. En la parte maŕıtima, el carbón se
comercializa de dos tipos: térmica, que ha aumentado en promedio 7 por ciento cada año;
y coque, que se ha incrementado en un 1.6 por ciento al año (World Coal Association,
2012a). En la tabla 4 muestra los páıses exportadores e importadores de este material
sólido.
1.4. Carbón en Colombia
En los últimos años se ha aumentado las exportaciones de este material solido debido a
la creciente demanda mundial, ya que el contenido que tiene el carbón colombiano es bajo
en cenizas y en azufre pero alto en volatilidad y poder caloŕıfico (Boada Sáenz Ingenieros,
2008).
CAPÍTULO 1. EL CARBÓN EN COLOMBIA 5
Tabla 4. Páıses exportadores e importadores de carbón (estimado en 2012)
Páıs Total (Mt) Térmico (Mt) Coquizable (Mt)
Exportadores
Indonesia 383 380 3
Australia 301 159 142
Rusia 134 116 18
Estados Unidos 114 51 63
Colombia 82 82 0
Sudáfrica 74 74 0
Canadá 35 4 31
Importadores
China 289 218 71
Japón 184 132 52
India 160 123 37
Corea del Sur 125 94 31
China Taipéi (Taiwán) 64 56 8
Alemania 45 36 9
Reino Unido 45 40 5
Mt = Millones de t
Fuente: World Coal Association, 2013
La cadena de carbón en Colombia muestra por etapas de la siguiente manera (figura
2) (UPME, 2005):
• Explotación - reservas y calidades
• Explotación - desarrollo y montaje, preparación y producción
• Beneficio - clasificación y lavado del carbón
• Transformación en la producción de coque y otros procesos
• Transporte desde la mina hasta el sitio de beneficio y los patios de acopio
• Transporte, comercialización, distribución y usos
Las mayores reservas medidas se ubican en los departamentos de La Guajira, Cesar y
Córdoba con el 84 por ciento del total de las reservas del páıs, seguido de Cundinamarca
y Boyacá con el 6 por ciento, y por último Santander, Antioquia, Valle del Cauca y Cauca
con el 3 por ciento (tabla 5). Boyacá cuenta con el 26 por ciento del total de las reservas
indicadas, seguido de Cesar y Cundinamarca. Se estima que el 68 por ciento es de tipo
térmico y el 32 por ciento es Coquizable (UPME, s.f.).
Colombia se ubica entre los 10 páıses productores de carbón en el mundo con una carga
74 millones de t. La mineŕıa de carbón juega un papel muy importante en la economı́a
colombiana. Según cifras, durante el año 2009 el páıs ganó más de USD$5 billones en
ingresos de exportación de carbón (figura 3) (World Coal Association, 2012b).
Durante el año 2013 la producción de carbón alcanzó hasta 85.5 millones de t. En
el último trimestre creció el 18 por ciento (3.8 millones de t) en comparación al año
CAPÍTULO 1. EL CARBÓN EN COLOMBIA 6
Figura 2. Cadena del carbón en Colombia
Fuente: UPME, 2005
Tabla 5. Reservas de carbón en la mineŕıa colombiana
Zonas carbońıferas Recursos y reservas (Mt) Tipo de carbón
Medidas Indicadas
Antioquia 90.0 225.0 Térmico
Boyacá 170.4 682.7 Térmico y Coquizable
Cauca 16.4 66.8 Térmico
Cesar 1,933.0 589.0 Térmico
Córdoba 381.0 257.0 Térmico
Cundinamarca 241.9 538.7 Térmico y Coquizable
La Guajira 3,670.0 - Térmico
Norte de Santander 68.0 101.0 Térmico y Coquizable
Santander 57.1 114.0 Térmico y Coquizable
Valle del Cauca 20.1 22.4 Térmico
Total del páıs 6,647.9 2,596.6
Mt = Millones de t
Fuente: UPME, s.f.
anterior. Boyacá, con 2.7 millones de t y Cundinamarca, con 2.4 millones de t son los
departamentos que presentaron la mayor producción. Según cifras, el 94.3 por ciento se
CAPÍTULO 1. EL CARBÓN EN COLOMBIA 7
Figura 3. Ingresos de exportación de la mineŕıa en Colombia
6,000
5,416
5,043
5,000
4,000
3,495
3,000
2,000 1,680 1,537
1,000 864 891726 713
435 386 322
126 154 88
0
Carbon Niquel Otros minerales Oro Esmeralda
2007 2008 2009
Fuente: World Coal Association, 2012b
destinó a la exportación; el resto se destinó al consumo interno (Agencia Nacional de
Mineŕıa, 2014).
En la mineŕıa en Colombia existen ventajas económicas, ya que los proyectos que
se ejecutan son de gran escala, atrayendo inversiones y costosos beneficios tributarios.
Por otra parte, sus desventajas son aún mayores, debido a la explotación minera ilegal,
modelo de poĺıtica para su extracción y conflictos armados por grupos al margen de la ley.
Como consecuencia a estos problemas generan aspectos negativos ambientales, sociales y
económicos. La explotación a cielo abierto causa destrucción ambiental a pesar de que en
nuestro páıs es uno de los más biodiversos del mundo. Para Julio Fierro4, esta problemática
no tiene comparación con otros páıses como Chile, ya que su biodiversidad es baja y en
ese páıs es seco. Sin embargo, en Costa Rica, por poseer riqueza natural, la ex-presidenta
de ese páıs, Laura Chinchilla, prohibió la mineŕıa a cielo abierto en toda la nación. Según
el investigador comenta “la mineŕıa en Colombia no produce riquezas, sino que, por el
contrario, los estudios demuestran que los grandes sectores mineros generan más pobreza
y desempleo en el páıs”. En el caso del carbón, gran parte de la mineŕıa ilegal se realiza en
los departamentos de Cundinamarca, Boyacá y Santander. Lo más grave es que no cuenta
con licencia ambiental y particularmente se ubican en los páramos (Agencia de Noticias
UN, 2014).
4Experto de la Universidad Nacional de Colombia, geólogo del grupo de investigación Terrae y docente
del Instituto de Estudios Ambientales (IDEA)
Ingresos (millones de USD$)
CAPÍTULO 2
Descripción del área de navegabilidad
El ŕıo Magdalena fluye desde el sur hacia el norte del páıs. Su longitud es de 930 mi
(1,497 km) (Encyclopædia Britannica, 2012e). Nace en el páramo de las Papas, localizado
en el sector de la cordillera de los Andes comprendido en el departamento de Huila. Recorre
los departamentos de Tolima, Cundinamarca, Boyacá, Caldas, Antioquia, Santander, Ce-
sar, Boĺıvar, Magdalena y Atlántico. Además recibe los ŕıos San Jorge, Cesar y Cauca en la
llanura de inundación de las tierras bajas pantanosas del norte. Su desembocadura finaliza
en el mar Caribe por dos puntos: en Bocas de Ceniza, cerca de la ciudad de Barranquilla;
y en el canal de Dique, próximo a la ciudad de Cartagena (figura 4) (CORMAGDALENA,
2013c).
El ŕıo está divido en tres sectores: alto, medio y bajo. El primer sector recorre algunos
municipios cercanos al macizo colombiano y otros como San Agust́ın e Isnos, Timaná,
Neiva, Villavieja, Girardot y Ambalema; el segundo sector fluye por los municipios de
Marquita, Honda, Puerto Nare, Puerto Berŕıo, Barrancabermeja y Puerto Wilches; el
último sector termina por los municipios de Gamarra, El Banco, San Mart́ın de Loba,
Mompox, Magangué y Barranquilla (ICANH, 2010). “En la cuenca del ŕıo Magdalena
habita el 80 por ciento de la población colombiana, con 128 municipios ribereños y seis
departamentos, donde se realiza el 85 por ciento de la actividad económica, que genera el
80 por ciento del PIB5 del páıs” (Chacón, 2013).
La navegabilidad del ŕıo es considerada como una v́ıa limitada a pesar de su longi-
tud, extensión y potencial capacidad de comunicar las mineŕıas que están ubicadas en el
interior del páıs con los principales puertos de la zona norte colombiana. Esto es debido
a que no existe infraestructura apropiada para el desarrollo de la navegación. Los dos
últimos sectores son navegables comercialmente con longitud de 908 km (Revista Sema-
na, 2013), a menor escala desde Puerto Berŕıo hasta Barrancabermeja, y a mayor escala
hasta Bocas de Ceniza. Lo anterior significa que los recorridos que tienen acceso a los
puertos más importantes del páıs están ubicados en Cartagena y Barranquilla. Hoy en d́ıa
la demanda de carga anual para el transporte fluvial es de 2.48 millones de t (2004), en el
caso de cargas en general, incluyendo carbón, es de aproximadamente 0.90 millones de t
(CORMAGDALENA, 2013c).
5Producto Interno Bruto
8
CAPÍTULO 2. DESCRIPCIÓN DEL ÁREA DE NAVEGABILIDAD 9
Figura 4. Mapa del ŕıo Magdalena
Fuente: CORMAGDALENA, 2013b
2.1. Antecedentes
Anteriormente los puertos que están ubicados cerca del ŕıo presentaron falta de ac-
tividades de carga de manera fluvial. Además, la inversión pública para este medio de
transporte ha sido escasa e insuficiente.
Para el transporte de contenedores no existe flota actual para este tipo aunque esté poco
desarrollado (CORMAGDALENA, 2013c). Las dificultades de navegabilidad del ŕıo se
deben al aumento de la erosión por cambios de uso del suelo, causando el exceso de
sedimento. También, como la deforestación por actividades humanas, ya que corresponde
a la tercera parte del transporte de sedimentos en el Magdalena (Colorado, 2012). A
pesar de que se han anunciado planes para la recuperación del afluente en las dos últimas
décadas, ningún proyecto prosperó (Revista Semana, 2013).
Sin embargo, se han realizado proyectos que hasta el momento están en funcionamiento
en el ŕıo. Uno de ellos es la construcción del primer remolcador para el transporte de
carga en el páıs llamado HUMBERTO MUÑOZ. Esta embarcación es considerada la más
moderna y con mayor capacidad. Sus dimensiones principales son de 40 m de eslora, 12 m
de manga, 10 m de calado para un puntal de 12 m, y 3 motores eléctricos con capacidad
de hasta 2,325 hp (1,733.75 kW). Fue construido por Naviera Fluvial Colombiana S.A.
CAPÍTULO 2. DESCRIPCIÓN DEL ÁREA DE NAVEGABILIDAD 10
que es la única empresa de transporte fluvial que cuenta con un astillero y fue diseñado
por la empresa CT Marine Inc. (Revista Dinero, 2010).
2.2. Proyectos
Los proyectos de mediano y largo plazo se realizarán para la recuperación de la nave-
gabilidad que incluyen la construcción de puertos, sistemas de navegación satelital, obras
de encauzamiento y mantenimiento del canal navegable.
Durante el acuerdo para la prosperidad número 64, el Ministerio de Transporte con-
tratará los diseños para el nuevo puente Pumarejo con el fin de mejorar la navegabilidad
del ŕıo, ya que la altura entre el lecho del caudal y la parte baja del puente actual no
permite el paso de embarcaciones de mayor tamaño (Ministerio de Transporte, 2012). Pa-
ra el proyecto de ampliación del ŕıo, las obras se iniciarán a mediados del año 2014. Los
consorcios deben garantizar las condiciones mı́nimas de navegabilidad durante los próxi-
mos 13 años, con 2.18 m de profundidad, 52 m de ancho de canal y 900 m de curvatura
(Chacón, 2013). Para la demanda futura de carga se espera que sea 8.3 millones de t al
año, en el caso del carbón se estima que el producto alcance con un total de 1.8 millones
de t (CORMAGDALENA, 2013c).
La ruta para recuperar la navegabilidad del ŕıo Magdalena está entre los municipios
de Puerto Salgar/La Dorada y la ciudad de Barranquilla. Tiene una longitud de 908 km y
doble v́ıa para 150 km. Se realizarán obras de encauzamiento y mantenimiento del canal
navegable. Para las obras de encauzamiento se ejecutarán desde Puerto Salgar/La Dora-
da hasta Barrancabermeja por dos sectores: el primero, desde Puerto Salgar/La Dorada
hasta Puerto Berŕıo; el segundo, hasta Barrancabermeja. Además, cuenta con 15 tramos
y 156 intervenciones, todo con un tiempo estimado de 4 años y un costo de inversión por
COP$800 mil millones. Para el mantenimiento del canal navegable se debe garantizar las
profundidades del ŕıo para 7 ft (2.13 m) desde Puerto Salgar/La Dorada hasta Barranqui-
lla, y 37.5 ft (11.43 m) en Barranquilla y Bocas de Ceniza. Lo anterior, los tipos de obras
son por remoción mecánica de sedimentos y dragado hidráulico. Las embarcaciones para
el proyecto estarán conformado por un remolcador y tres barcazas para las dimensiones
de 240 m de eslora, 25 m de manga y 1.8 m de calado para transportar 7,200 t de carga
(Molina, 2013).
Se tiene en cuenta planes ambientales en estos proyectos. Uno de ellos es la recuperación
de la cantidad y la calidad del agua y manejo de los caudales del ŕıo, garantizando el
potencial de enerǵıa, la potabilización, el riego y los recursos naturales e hidrobiológicos
(CORMAGDALENA, 2013c). Juan Daŕıo Restrepo6 comenta “mientras la cuenca del
Magdalena no sea tratada integralmente no tendremos nunca soluciones. Hay que impulsar
una poĺıtica unificada para que todas las corporaciones regionales del ŕıo Magdalena tengan
reglas de control de calidad del agua, una poĺıtica integrada” (Correa, 2013). Además, el
proyecto será inscrito en el programa de beneficios del Protocolo de Kioto, permitiendo a
Colombia recibir bonos de carbono (Chacón, 2013).
Actualmente la empresa Impala apoya las operaciones fluviales en cuanto al transporte
multimodal por el ŕıo Magdalena y el canal de Dique. Cuenta con una flota actual de 34
barcazas para carga seca, 19 para el manejo de ĺıquidos y 11 remolcadores. Una de sus
6Profesor de la Universidad de EAFIT, biólogo marino, doctor en Oceanograf́ıa y uno de los expertos
que más ha estudiado en el páıs la cuenca del ŕıo Magdalena
CAPÍTULO 2. DESCRIPCIÓN DEL ÁREA DE NAVEGABILIDAD 11
mayores apuestas es la construcción del Puerto de Barrancabermeja, además, su flota
está proyectada para su primera fase con 150 barcazas y 23 remolcadores. Se espera que el
nuevo puerto demande inversiones por USD$300 millones para una capacidad de carga de
1.5 millones de t al año que incluye carbón, graneles sólidos, hidrocarburos, contenedores
y carga en general (Figueroa, 2013).
2.3. Ruta seleccionada
La Sociedad Portuaria de Caribe S.A. desarrolla dos nuevos puertos especializado en
carbón y graneles sólidos, desde Capulco, ubicado en el departamento del Cesar, hasta
Barranquilla con una distancia de 500 km. Según su visión, para el 2018 será “el puerto
público con mayor eficiencia en el movimiento de graneles sólidos en Colombia, sirviendo
de enlace loǵıstico y alternativa portuaria al desarrollo carbońıfero del páıs, soportado en
el transporte fluvial de grandes volúmenes de carga a través del ŕıo Magdalena” (Sociedad
Portuaria del Caribe, s.f.).
El puerto de Capulco cuenta con un área de 16 ha, un muelle para barcazas, destinado
solamente para el cargue de carbón de exportación y descargue de granos y mineral. Para
su primera fase alcanzará la carga de 1 millón de t anuales (figura 5) (Sociedad Portuaria
del Caribe, s.f.).
Figura 5. Puerto de Capulco
Fuente: Sociedad Portuaria del Caribe, s.f.
CAPÍTULO 2. DESCRIPCIÓN DEL ÁREA DE NAVEGABILIDAD 12
El puerto SP Caribe en Barranquilla está ubicado en la desembocadura del ŕıo (Bocas
de Ceniza) que ofrece condiciones optimas en cuanto al calado, que es de 40 ft (12.19
m). Tiene muchas ventajas como su ubicación, las condiciones naturales, transporte más
eficiente en términos de grandes volúmenes de carga y costos y la loǵıstica fluvial. Cuenta
con un área de 354 ha y dos muelles. El primero, destinados para el cargue de carbón de
exportación y el descargue de granos y mineral. El segundo, para el descargue y almace-
namiento del carbón en las barcazas y para el cargue de barcazas de granos y minerales.
Para su primera fase alcanzará la carga de 3 millones de t anuales (figura 6) (Sociedad
Portuaria del Caribe, s.f.).
Figura 6. Puerto de Barranquilla
Fuente: Sociedad Portuaria del Caribe, s.f.
Por todo lo anterior, el presente estudio se centrará en el diseño conceptual del casco
de una embarcación con propulsión propia para el sector bajo del ŕıo Magdalena entre los
puertos de Barranquilla y Capulco. Se pueda ofrecer toda una potencialidad frente a las
condiciones de navegabilidad proyectada para el afluente.
CAPÍTULO 3
Transporte fluvial
Conforme al caṕıtulo anterior, se vienen desarrollando proyectos para la construcción
de dos nuevos puertos especializados en carbón y sólidos a granel. De igual manera se
espera que en el puerto de Capulco entre en la primera fase para alcanzar la carga de
1 millón de t anuales, mientras que en el puerto de Barranquilla se espera que la carga
aumente hasta 3 millones de t (Sociedad Portuaria del Caribe, s.f.).
En este caṕıtulo se presenta una visión general del transporte fluvial tanto a nivel
mundial como en Colombia. Caracteŕısticas básicas de las v́ıas fluviales, comparación de los
modos de transporte, tipos de embarcaciones, clasificación de la carga fluvial, dimensiones
y conformación t́ıpica de los convoy de carga y datos del nivel del ŕıo Magdalena a la
altura del municipio de Gamarra serán también incluidos.
El transporte por las v́ıas fluviales pueden ser de tres formas: ŕıos navegables; aquellas
que están hechas para navegar por canalización (dragado y protección de las orillas); y v́ıas
artificiales o canales. Muchas de estas tienen usos múltiples además de la navegación, como
el drenaje, riego para el abastecimiento de agua y la generación de enerǵıa hidroeléctrica.
Para que los ŕıos sean plenamente navegables se debe analizar su topograf́ıa y los cambios
en los niveles de agua (Encyclopædia Britannica, 2012b).
3.1. Caracteŕısticas básicas de las v́ıas fluviales
Las v́ıas fluviales se clasifican en tres categoŕıas: ŕıos navegables, ŕıos canalizados y
canales artificiales.
El primero está sujeta a interrupciones estacionales que conducen a los movimientos de
los canales y para la formación de bancos de arena. Hay que reducir al mı́nimo los riesgos
naturales para obtener un canal de sección transversal uniforme que sigue el valle natural
(Encyclopædia Britannica, 2012b).
El segundo se lleva a cabo la construcción de esclusas que crean una serie de pasos,
cuya longitud depende de la pendiente natural de valle y en aumento de cada cerradura.
Requieren protección de las orillas contra la erosión y, en algunos casos, la protección del
cauce contra las pérdidas por filtración (Encyclopædia Britannica, 2012b).
13
CAPÍTULO 3. TRANSPORTE FLUVIAL 14
El tercero las v́ıas fluviales en algunos puntos se apartan de los valles fluviales naturales
y pasan a través de colinas y cuencas hidrográficas a lo largo de un canal artificial. Se
necesita protección contra la erosión y la filtración. La selección de la ruta de un canal
artificial proporciona un desplazamiento más rápido (Encyclopædia Britannica, 2012b).
3.2. Transporte fluvial a nivel mundial
Los páıses que usan las v́ıas fluviales desempeñan un papel económico cada vez más
importante. Para productos básicos, en particular productos a granel como granos, carbón
y mineral, el transporte fluvial sigue siendo el más económico que cualquier otro tipo de
transporte (Encyclopædia Britannica, 2012b).
En Estados Unidos, el ŕıo Mississippi es la principal arteria fluvial para el transporte
de carbón que conecta a otros afluentes como Ohio, Missouri, entre otros. El material
sólido es usado en su mayor porcentaje para el sector eléctrico, y otro para exportación en
los puertos de Nueva Orleans. El modo de transporte más usado es el ferroviario, seguido
de terrestre, barcazas y otros medios (U.S. Energy Information Administration, 2012).
El ŕıo es navegable aproximadamente 1,800 km desde Minneapolis hasta Nueva Orleans.
Además de tener un canal profundo y 700 km sin ninguna esclusa, un remolcador de
empuje puede llevar 40,000 t de carga con un montaje de 40 barcazas y una potencia de
empuje de 9,000 hp (6,711.30 kW). En el ŕıo Ohio, para evitar doble esclusas las cámaras
originales de bloqueo se alargaron de 600 ft (182.88 m) a 1,200 ft (365.76 m). En las
costa oeste de ese páıs se están desarrollando proyectos para la navegabilidad, uno de ellos
es el ŕıo Columbia que será navegable a 500 km desde el Paćıfico hasta Lewiston, Idaho
(Encyclopædia Britannica, 2012b).
En Europa el transporte fluvial no solo transporta mercanćıas, también pasajeros. La
red de v́ıas navegables de Francia son aproximadamente 5,000 mi (8,046.72 km) basados
principalmente en sus ŕıos pero muchos de los canales son de baja capacidad con un
estándar de hasta 1,350 t (Encyclopædia Britannica, 2012b). Durante el año 2011 se han
realizado 7.9 mil millones de t/km, se han producido 58.7 millones de t (con exclusión del
transporte en el ŕıo Rin). En comparación con el año 2010 ha disminuido -2.4 por ciento
en t/km y -3 por ciento. Sin embargo, el transporte fluvial sigue siendo generalmente
superior frente a otros medios, con +38,4 por ciento en t/km en los últimos 15 años (Voies
Navigable de France, 2012).
Los Páıses Bajos son pioneros en la flota del transporte fluvial a diferencia de los páıses
europeos. El sistema de canales están basados en los grandes ŕıos naturales (Encyclopædia
Britannica, 2012b). Su flota es considerada la más grande y moderna del continente, ya
que cuenta con una amplia gama de tipos de embarcaciones con capacidad total de carga
hasta 7.4 millones de t. Alrededor del 50 por ciento de toda la flota de Europa Occidental
está bajo la bandera holandesa. La red de v́ıas navegables de Europa representa cerca
de 24,709 km de los cuales 6,000 km son holandesas, puesto que más de 500 km son
rutas principales. Una barcaza de mayor tamaño puede transportar hasta 16,000 t, lo que
equivale a 660 camiones a la vez. En cambio, la más pequeña puede llevar hasta 362 t (14
camiones) (Bureau Voorlichting Binnevaart, 2011). En la figura 7 muestra un ejemplo de
transporte fluvial en el canal Ámsterdam-Rin.
CAPÍTULO 3. TRANSPORTE FLUVIAL 15
Figura 7. Canal Ámsterdam-Rin en Los Páıses Bajos
Fuente: Encyclopædia Britannica, 2012a
CAPÍTULO 3. TRANSPORTE FLUVIAL 16
3.3. Transporte fluvial en Colombia
Una de las caracteŕısticas del transporte de carga fluvial es que requiere ser movilizadas
en gran volumen y distancias considerables. Existe la comparación entre los diferentes
modos de transporte para transportar 7,200 t a 500 km (tabla 6). Los medios más usados
son el transporte terrestre y el transporte fluvial, pero ambos tienen una gran diferencia
en todos sus aspectos, incluyendo el costo total (Hernández y cols., 2007).
Tabla 6. Comparación entre los diferentes modos de transporte para 7,200 t a 500 km
Modo t por uni- Equipo Costo Velocidad Total (COP$
dad (unidades) (t/km) (km/s) millones)
Aéreo 12 600 1,552 625 5,269
Terrestre 35 206 92 50 310
Ferroviario 35 por vagón 204 vagones 78 25 263
Fluvial 1,200 por bote 6 botes 64 14 216
Fuente: Hernández y cols., 2007
Un ejemplo seŕıa la carga fluvial que tuvo participación en el año 2006 con un 4 por
ciento de la carga nacional, seguido de la carga terrestre que hasta el momento tiene mayor
participación corresponde el 66 por ciento, el férreo con el 30 por ciento, mientras que los
modos aéreo y cabotaje no alcanzaron el 1 por ciento (figura 8). En la figura 9 muestra
las rutas para el transporte de carbón en el páıs (Hernández y cols., 2007).
Figura 8. Participación del movimiento de carga nacional por modo de transporte durante el año
2006
Ferrocarril
30 %
Fluvial
4 %
0 % 0 % Aereo y cabotaje
66 %
Carretera
Fuente: Hernández y cols., 2007
Los tipos de embarcaciones que se encuentran en los ŕıos de Colombia son: remolcador
o propulsor, bote, lancha, bote motor, canoa, motor canoa, fuera de borda, embarcaciones
especiales y convoy o flotillas (Hernández y cols., 2007).
La carga fluvial se clasifica de la siguiente forma: carga seca al granel almacenado
en contenedores y/o empacadoras; carga ĺıquida, al granel y/o envasada; carga gaseosa,
almacenada en tanques y/o en cilindros; y semovientes, en corrales. Además, se clasifica
CAPÍTULO 3. TRANSPORTE FLUVIAL 17
Figura 9. Rutas para el transporte de carbón en Colombia
Fuente: UPME, s.f.
de acuerdo a su capacidad transportadora: menores de 25 t y mayores o iguales de 25 t.
En el caso de las capacidades mayores se clasifican aśı: de 25 a 100 t, de 101 a 700 t, de
701 a 2,000 t, de 2,001 a 3,500 t, de 3,501 t en adelante (Hernández y cols., 2007).
Para las barcazas, que transporta cargas mayores, son empujadas por remolcadores
y están en forma de “Convoy” que vaŕıa según su capacidad y conformada en serie y/o
paralelo (tabla 7). El más largo alcanza una longitud de 254 m, con anchura de 26 m.
En la tabla 8 muestran las caracteŕısticas de los convoy que operan actualmente en el ŕıo
CAPÍTULO 3. TRANSPORTE FLUVIAL 18
Magdalena, incluyendo las dimensiones y configuraciones t́ıpicas de los convoy que operan
en el ŕıo (Hernández y cols., 2007).
Tabla 7. Nomenclatura del convoy de carga
Configuración Nomenclatura Forma del convoy
Remolcador + una barcaza R-B
Remolcador + dos barcazas en
R-2B
paralelo
Remolcador + dos barcazas en
R-B–B
serie
Remolcador + cuatro barcazas
R-2B -2B
en dos filas y dos columnas
Remolcador + seis barcazas en
R-2B-2B-2B
dos filas y tres columnas
Remolcador + seis barcazas en
R-3B-3B
tres filas y dos columnas
Fuente: Aguilera, 2011
Tabla 8. Dimensiones y conformación t́ıpica de los convoy más grandes que operan actualmente
en el ŕıo Magdalena
Caracteŕısticas del convoy La Dorada P. Berŕıo B/meja - Tamalameque
- P. Berŕıo - B/meja Costa Norte - Costa Norte
Eslora (m) 22.0 32.0 36.0 34.0
Remolcador Manga (m) 4.8 6.3 11.0 10.0
Potencia (hp) 800.0 1,440.0 2,100.0 1,920.0
Eslora (m) 45.0 53.0 60.0 60.0
Barcaza
Manga (m) 10.5 11.2 12.7 15.0
Contra corriente 112.0 138.0 216.0 254.0
Longitud total (m)
Con la corriente 67.0 138.0 156.0 144.0
Contra corriente 10.5 22.5 38.1 39.0
Ancho total (m)
Con la corriente 21.0 22.5 38.1 39.0
Capacidad trans- Contra corriente 750.0 2,650.0 5,500.0 6,000.0
portadora (t) Con la corriente - - 6,600.0 7,200.0
Contra corriente R-B-B R-2B-2B R-2B-2B-2B R-2B-2B-2B
Composición t́ıpica
Con la corriente R-2B R-2B-2B R-3B-3B R-3B-3B
Fuente: Hernández y cols., 2007
Existen restricciones en la navegación para el tránsito de las embarcaciones. Esto de-
penden del calado, tipo de nav́ıo que transitan por el ŕıo, morfoloǵıa del sector y el tiempo
hidrológico en que se está navegando (Aguilera, 2011).
Esta propuesta busca dar respuesta a un sistema eficiente de transporte en función de
las mejoŕıas proyectadas para el ŕıo Magdalena en vista de convertirlo en una hidrov́ıa. El
sistema es basado en embarcaciones con propulsión propia que presenta mayores ventajas
en maniobrabilidad y velocidad vs. capacidad de carga frente al sistema convoy utilizado
actualmente. Las principales restricciones son el mı́nimo calado del trayecto en estudio
que varia en función de la época de lluvia; y radios de curvaturas y giro. En la figura 10
muestra el nivel del ŕıo Magdalena en el municipio de Gamarra cerca de Capulco en el
departamento del Cesar, con fechas de diciembre 9 de 2011 hasta junio 18 de 2014.
CAPÍTULO 3. TRANSPORTE FLUVIAL 19
2014-09-04
2014-07-16
2014-05-27
2014-04-07
2014-02-16
2013-12-28
2013-11-08
2013-09-19
2013-07-31
2013-06-11
2013-04-22
2013-03-03
2013-01-12
2012-11-23
2012-10-04
2012-08-15
2012-06-26
2012-05-07
2012-03-18
2012-01-28
2011-12-09
2011-10-20
8 7 6 5 4 3 2
Profundidad (m)
Figura 10. Nivel del ŕıo Magdalena a la altura del municipio de Gamarra
Fuente: CORMAGDALENA, 2013a
CAPÍTULO 4
Metodoloǵıa
La metodoloǵıa propuesta objetiva la selección apropiada del concepto del casco de una
embarcación fluvial para las restricciones f́ısicas del ŕıo Magdalena en su fase preliminar.
Para tal fin se desarrolló una herramienta de cálculo que llamaremos RESMAG (Diseño
Conceptual basado en la RESistencia al Avance para las Caracteŕısticas propias del Ŕıo
MAGdalena). Consiste inicialmente de un análisis paramétrico a partir de barcazas en
operación y de diferentes formas y oŕıgenes. Se tiene en cuenta las restricciones como
profundidad, ancho de canal y curvatura del medio navegable. Luego de preseleccionar
hasta tres configuraciones se realiza un análisis de resistencia al avance y de potencia,
permitiendo escoger el casco con las mejores condiciones de desempeño. La validación de
los resultados se realiza a través de reconocidas herramientas computacionales del área
de diseño naval (anexo A) completando la metodoloǵıa de selección del casco propuesta y
detallada en la figura 11.
Figura 11. Metodoloǵıa RESMAG
4.1. Restricciones f́ısicas del ŕıo y modelo del casco
Los modelos de casco corresponden a una base de datos de embarcaciones fluviales
con diferentes coeficientes de forma y ĺıneas de casco. Las restricciones f́ısicas de ŕıo,
calado, radios de curvaturas, presencia de puentes, canales, etc. deben ser consideradas
como datos necesarios para el análisis paramétrico que resultará en la preselección de tres
embarcaciones con sus ĺıneas y formas.
Para el sector de estudio, se presenta la profundidad mı́nima en Capulco hallada de la
siguiente manera (Aguilera, 2011)
pm = 1.35× Cmax, (1)
20
CAPÍTULO 4. METODOLOGÍA 21
donde Cmax es el calado máximo de la embarcación t́ıpico de diseño, definiendo el ĺımite
para estas embarcaciones a un calado no superior a 3 m.
En cuanto al radio de curvatura, se obtiene a partir de recomendaciones de PIANC7.
Para embarcaciones con un solo timón y hélice, se basan en gráficos que indican los radios
de giro en función de la relación entre el calado y la profundidad (MTC, 2007). Un giro
brusco puede realizar un buque que tenga maniobrabilidad con un radio de aproximada-
mente 2.0 a 3.0 veces la eslora en aguas profundas, aumentando hasta 5 veces o mas la
longitud de la embarcación a una relación entre el calado y la profundidad de 1.10, como
se muestra en la figura 12 (PIANC, IALA, IAPH, y IMPA, 1997). La longitud mı́nima
de radio de curvatura está en función de ángulo de giro (tabla 9). Cabe notar que los
radios de curvatura recomendados en el ŕıo Magdalena son dif́ıciles de cumplir debido a
la morfoloǵıa del lecho y no a los parámetros geométricos (Aguilera, 2011). Tanto la tabla
para la longitud mı́nima como la grafica del radio de curvatura no se tienen en cuenta
para la metodoloǵıa.
Figura 12. Radio de curvatura en función del angulo del timón y la profundidad del agua
Fuente: PIANC y cols., 1997
7Permanent International Association of Navigation Congresses (más conocida como World Association
for Waterborne Transport Infrastructure)
CAPÍTULO 4. METODOLOGÍA 22
Tabla 9. Longitud mı́nima de radio de curvatura
Ángulo de giro (grados) Longitud mı́nima
<25 3 veces la eslora de la embarcación de diseño
25-35 5 veces la eslora de la embarcación de diseño
>35 10 veces la eslora de la embarcación de diseño
Fuente: Aguilera, 2011
4.2. Análisis paramétrico
La descripción paramétrica de una embarcación nos permite trabajar con representa-
ciones simples de componentes, esto significa que el diseñador puede manipular fácilmente
soluciones para encontrar configuraciones que satisfacen las requisitos funcionales (Tvedt,
2012).
El análisis paramétrico aborda la preselección de 3 embarcaciones fluviales t́ıpicas a
partir de una base de datos predefinidas. En la tabla 10 presenta un ejemplo correspon-
diente a 10 de estas naves identificadas con número IMO8 o ENI9, donde el valor del
desplazamiento indica solamente la carga que se necesita para transportar. El análisis pa-
ramétrico inicia a partir de relaciones de forma y considerando las restriciones f́ısicas del
ŕıo como la longitud mı́nima de curvatura y, para el tramo de estudio, no supere los 3
m de calado, conforme como se muestra la tabla 11. Las relaciones eslora/calado y man-
ga/calado permite mantener sus escalas en los ejes longitudinal, transversal y vertical. En
el caso de la embarcación 1 no se realizaron las relaciones de forma, debido a que sus
dimensiones en los ejes longitudinal y transversal no son suficientes para la ejecución del
análisis paramétrico. Si fuese en caso contrario sus dimensiones seŕıan: 35 m de eslora,
15 m de manga y 3 m de calado con porcentaje de 250 por ciento en cada uno de sus
escalas. Cabe notar que el valor del desplazamiento indica la carga que se necesita para
su transporte incluyendo el peso del casco.
Tabla 10. Modelos de las embarcaciones fluviales
Nombre Caracteŕısticas
Apollo (ENI: 6000497) 80.00 m de eslora,
9.50 m de manga,
2.72 m de calado y
1,380 t de desplaza-
miento.
Caron (ENI: 02330817) 135.00 m de eslora,
11.45 m de manga,
3.76 m de calado y
4,217 t de desplaza-
miento.
Continuar en la siguiente página
8International Maritime Organization
9European Number of Identification
CAPÍTULO 4. METODOLOGÍA 23
Tabla 10 – Continuación de la página anterior
Nombre Caracteŕısticas
Janus (IMO: 2323046) 40.05 m de eslora,
6.75 m de manga,
2.10 m de calado y
222 t de desplaza-
miento.
Main (ENI: 04503460) 105.10 m de eslora,
10.99 m de manga,
3.02 m de calado y
2,078 t de desplaza-
miento.
Miranda (ENI: 02306327) 61.55 m de eslora,
7.02 m de manga,
2.80 m de calado y
703 t de desplaza-
miento.
Surcouf (ENI: 02306327) 86.00 m de eslora,
9.50 m de manga,
2.70 m de calado y
1,506 t de desplaza-
miento.
Tabeë 2 (IMO: 2306125) 66.94 m de eslora,
8.16 m de manga,
2.52 m de calado y
930 t de desplaza-
miento.
Victorie (ENI: 02318592) 80.08 m de eslora,
8.22 m de manga,
2.83 m de calado y
1,254 t de desplaza-
miento.
Westeind (ENI: 02314043) 86.00 m de eslora,
10.00 m de manga,
2.97 m de calado y
1,704 t de desplaza-
miento.
Zwartemeer (IMO: 2007729) 34.57 m de eslora,
6.57 m de manga,
1.70 m de calado y
149 t de desplaza-
miento.
Fuente: Binnenvaartlog, s.f.
CAPÍTULO 4. METODOLOGÍA 24
Tabla 11. Caracteŕısticas de los modelos de las barcazas preseleccionadas
Embarcación Dimensiones Relaciónes de forma %
Originales Deseadas Eslora/Calado Manga/Calado
Eslora (m) 14.00 159.60 - - 1,140
Manga (m) 6.00 24.00 - - 400
1
Calado (m) 1.20 3.00 - - 250
Desplazamiento (t) 83.34 9,500.50 - - -
Eslora (m) 128.25 160.31
Manga (m) 17.05 21.31
2 53.44 7.10 125
Calado (m) 2.40 3.00
Desplazamiento (t) 4,485.00 8,760.30
Eslora (m) 100.00 150.00
Manga (m) 16.50 24.75
3 50.00 8.25 150
Calado (m) 2.00 3.00
Desplazamiento (t) 2,650.00 8,943.60
Las barcazas preseleccionadas basadas en su forma geométrica del casco son: Janus
(embarcación 1), Victorie (embarcación 2) y Miranda (embarcación 3), cuya vista trans-
versal se muestra en la figura 13.
Figura 13. Vista transversal de los cascos preseleccionados
Embarcación 1 Embarcación 2 Embarcación 3
4.3. Selección de la embarcación
La selección del casco está fundamentada en la evaluación de la resistencia al avance
de las embarcaciones preseleccionadas. De acuerdo con Holtrop (1982; 1984), el cálculo de
la resistencia representa la sumatoria de los componentes descritos de la siguiente manera
Rtotal = RF (1 + k1) +RAPP +RW +RB +RTR +RA, (2)
donde RF es es la resistencia friccional, 1 + k1 es el factor de forma del casco, RAPP es
resistencia al apéndice, RW es la resistencia de olas, RB es la resistencia adicional debido a
la presencia de bulbo en la proa, RTR es la resistencia adicional debido a la popa sumergida
y RA es la resistencia en relación modelo-escala real de la embarcación (figura 14).
La resistencia friccional establecida por ITTC-195710 se representa por la ecuación del
coeficiente friccional aśı
RF 0, 075
CF = 1 = , (3)ρSV 2 (log(Rn)− 2)22
10International Towing Tank Conference
CAPÍTULO 4. METODOLOGÍA 25
donde CF es el coeficiente de la resistencia friccional de la embarcación, ρ es la densidad
del ŕıo, S es el área mojada del casco, V es la velocidad de la embarcación y Rn es el
número de Reynolds (figura 15a) (Chalfant y Chryssostomidis, 2009).
El área mojada del cas√co est(á compuesto por B
S = L (2T +B) CM 0.453 + 0.4425CB − 0.2862CM −)0.003467T (4)
ABT
+ 0.3696CWP + 2.38 ,
CB
donde L es la eslora, T es el calado, B es la manga, CM es el coeficiente de la sección
media del casco, CB es el coeficiente de bloque, CWP es el coeficiente de la ĺınea de agua
y ABT es el área transversal debido a la presencia de bulbo.
Para CB tenemos
∇
CB = , (5)
L ·B · T
donde ∇ es el volumen del cuerpo sumergido, en la cual, las unidades en el sistema inter-
nacional para el desplazamiento en t es exactamente igual al volumen en m3 si se analiza
en aguas dulces. En cambio en aguas saladas, el desplazamiento es equivalente al 2.5 por
ciento (Benford, 1991).
CM esta comformado por
Ax
CM = , (6)
B · T
donde Ax es el área máxima de la sección transversal del casco bajo el agua.
CWP se define como
AWP
CWP = , (7)
L ·B
donde AWP es el área de la ĺınea de agua.
El número de Reynolds es una cantidad adimensional que determina el movimiento de
los fluidos. Si el flujo es absolutamente constante, su estado es laminar y su valor es menor
a 2,000. En cambio, si el flujo presenta fluctuaciones inestables, su estado es turbulento
y su valor es mayor a 2,000. No hay un valor espećıfico de la transición entre el flujo
laminar y el turbulento, pero su intervalo equivale entre 1,000 y 2,000 y se extiende hacia
arriba entre 3,000 y 5,000 (Encyclopædia Britannica, 2012f). Para el presente estudio se
representa de la siguiente forma:
L× V
Rn = , (8)
v
donde v es la viscosidad cinemática.
El factor de forma viene rep(rese)ntado de ac1.06806( )uerdo conB T 0.46106( )L 0.121563( )3 0.36486L
1 + k1 = 0.93 + 0.487118c14
L L LR ∇ (9)
(1− C )0.604247P ,
CAPÍTULO 4. METODOLOGÍA 26
donde c14 es el coeficiente para la forma de la popa y LR es el parámetro que refleja la
eslora (figura 15b) definiendo como ( )
− 0.06CP lcbLR = L 1 CP + , (10)
4CP − 1
donde lcb es la posición longitudinal del centro de carena y CP es el coeficiente prismático
describiendo aśı:
∇
CP = , (11)
L ·Ax
c14 depende de Cstern que es el coeficiente de forma del casco en la popa. Cada perfil
se describe en la tabla 12 y está compuesta por
c14 = 1 + 0.011Cstern, (12)
Tabla 12. Valores para el coeficiente de forma
Forma Cstern
Pram with gondola -25
Sección en forma de V -10
Sección de forma normal 0
Sección en forma de U 10
Fuente: Holtrop, 1984
El cálculo de la resistencia en función del apéndice es descrito de la siguiente forma:
1
RAPP = ρV
2SAPP (1 + k2)eqCF , (13)
2
donde SAPP es el área mojada del apéndice y 1 + k2 es el factor de resistencia al apéndice
(figura 15c).
En la tabla 13 muestran los valores de 1 + k2 corresponden a apéndices orientados al
flujo simplificados.
Tabla 13. Valores aproximados para el factor de resistencia al apéndice
Timón detrás del skeg 1.5-2.0
Timón detrás de la popa 1.3-1.5
Timones de balance de doble tornillo 2.8
Eje con soporte 3.0
Skegs 1.5-2.0
Struts bossing 3.0
Hull bossings 2.0
Eje 2.0-4.0
Aletas estabilizadoras 2.8
Dome 2.7
Quillas de pantoque 1.4
Fuente: Holtrop y Mennen, 1982
CAPÍTULO 4. METODOLOGÍA 27
Para el valor equivalente del factor de r∑esistencia al apéndice es determinado aśı:
(1∑+ k2)SAPP(1 + k2)eq = . (14)
SAPP
En caso de presentar hélice en la proa, la resistencia al apéndice se suma acorde a
R 2 2APP + ρV πdtCBTO, (15)
donde dt es el diámetro del túnel y CBTO es el coeficiente debido a la presencia de hélice
en la proa en la cual tiene un rango de valores entre 0.003 y 0.012.
La resistencia debido a olas se representa por tres ecuaciones que dependen del número
de Froude. Este número es una unidad adimensional que indica la influencia de la gravedad
en el movimiento de un fluido (Encyclopædia Britannica, 2012d). Se expresa como
√ VFn = , (16)
gLWL
donde g es la gravedad y LWL es la eslora al nivel de la ĺınea de agua (Newman, 1977).
La primera ecuación de resistencia de olas con valor de Fn mayor a 0.55 (figura 15d)
se expresa de la siguiente forma: ( )
R d −2W−B = c17c2c5∇ρg exp m3Fn +m4 cos(λFn ) , (17)
donde ( )
∇ 2.00977
( )
L 1.20692
c = 6919.3C−1.334617 M − 2 ; (18)L3 B
√
c2 = exp (−1.89 c3) ; (19)
( 0.56A1.5c3 = √ BT ) ; (20)
BT 0.31 ABT + TF − hB
− ATc5 =(1 )0.8 ; (21)BTCM
B 0.326869
( )
− T
0.605375
m3 = 7.2035 ; (22)
L B
d = −( 0.9; ) (23)
m4 = c150.4 exp −0.034F−3.29n ; (24)
L3
c15 =(−1.69385 cu)ando < 512; (25)∇
L/∇1/3 − 8
− L
3
c15 = 1.69385 + cuando 512 < < 1726.91; (26)
2.36 ∇
L3
c15 = 0 cuando > 1726.91; (27)∇
L L
λ = 1.446CP − 0.03 cuando < 12; (28)
B B
CAPÍTULO 4. METODOLOGÍA 28
L
λ = 1.446CP − 0.36 cuando > 12. (29)
B
TF es la distancia vertical desde la ĺınea de quilla hasta la sección central del bulbo, hB
es la altura del bulbo y AT es el área de la popa sumergida.
La segunda ecuación de resistencia de ol(as con valor de Fn meno)r a 0.4 (figura 15e) sedetermina aśı:
RW−A = c1c2c5∇ρg exp m1F dn +m4 cos(λF−2n ) , (30)
donde ( )
T 1.07961
c1 = 2223105c
3.78163 (90− i )−1.375657 ( ) E ; (31)B
B 0.33333 B
c7 = 0.229577 cuando < 0.11; (32)
L L
B B
c7 = cuando 0.11 < < 0.25; (33)
L L
B B
c7 = 0.5− 0.0625 cuando > 0.25; (34)
L L
L − ∇
1/3 B
m1 = 0.0140407 1.75254 − 4.79323 − c16; (35)
T L L
c16 = 8.07981CP − 13.8673C2P + 6.984388C3P cuando CP < 0.8; (36)
c16 = 1.73014− 0.7067CP cuando CP > 0.8. (37)
iE es el semiángulo de entrada de flotación. Si su valor es desconocido, se usa de la siguiente
forma: ( ( )
L 0.80856
i = 1 + 89 exp − (1− C )0.30484 0.6367E WP
B ( )(1CP − 0.0225lcb) (38)
L 0.34574
( )0.16302)
R ∇
100 .
B L3
La tercera ecuación de resistencia de olas con valor de 0.40 < Fn < 0.55 (figura 15f) se
calcula aśı:
(10Fn − 4) (RW−B0.55 −RW−A )RW = RW−A0.4 + 0.4 , (39)1.5
donde RW−A0.4 es la resistencia de olas para Fn = 0.4 y RW−B0.55 es la resistencia de olas
para Fn = 0.55 (Holtrop, 1984).
La resistencia adicional debido a la presencia de bulbo en la proa se determina de la
siguiente forma: ( ) F 3 A1,5
R = 0.11 exp −3P−2 ni BT
ρg
B B 1 + F 2
, (40)
ni
donde el coeficiente PB es una medida para la salida de la popa y Fni es el número de
Froude basado en la inmersión (figura 15g). Ambas se definen aśı:
√
ABT
PB = 0.56 , (41)
TF − 1.5hB
CAPÍTULO 4. METODOLOGÍA 29
Fni = √ ( V √ ) . (42)
g T 2F − hB − 0.25 ABT + 0.15V
La resistencia adicional debido a la popa sumergida (figura 15h) se representa por
RTR = 0.5ρV
2AT c6, (43)
donde c6 esta compuesto por
c6 = 0.2 (1− 0.2FnT ) cuando FnT < 5; (44)
c6 = 0 cuando FnT ≥ 5. (45)
FnT es el número de Froude basado en la inmersión de la popa definido por
V
FnT = √ . (46)
2gAT / (B +BCWP )
Para la resistencia en función de la relación modelo-escala real de la embarcación (figura
15i) se expresa como
1
RA = ρV
2SCA, (47)
2
donde CA es el coeficiente de correlación calculando de√la siguiente forma:
C = 0.006(L+ 100)−0.16 − LA 0.00205 + 0.003 C4Bc2(0.04− c4), (48)7.5
con
TF TF
c4 = cuando ≤ 0.04; (49)
L L
TF
c4 = 0.04 cuando > 0.04. (50)
L
La potencia necesaria para alcanzar la velocidad de acuerdo a los requerimientos de
diseño propuestos inicialmente está determinado por (Benford, 1991)
P = Rtotal × V. (51)
Figura 14. Diagrama del método de selección de la embarcación
R 1k R R RAPP R R RF 1 total W B TR A
El método Holtrop fue desarrollado a través de pruebas experimentales tanto a escala
que se realiza un canal de ensayos hidrodinámicos oceaográfico, y pruebas reales en em-
barcaciones maŕıtimas. Los datos obtenidos en los ensayos se realiza un análisis estad́ıstico
(Holtrop, 1977).
CAPÍTULO 4. METODOLOGÍA 30
Figura 15. Diagrama de los componentes del método de selección de la embarcación
R V  T L lcb
Cstern
n 1 k  
C 2 eq
B p L
V
R c14
CF RF S  1 k S R1 APP CAPP F
(a) Resistencia friccio-
nal (b) Factor de forma (c) Resistencia del apéndice
F Fnn
m m4
 4 iE
c15
L c 17 c c c15 16 7 c 1
A LT m
m A 1
C 3 TM RWB C cM 5 RWA
C cP 5 CP
B B 
T  T
A cBT 3 c 2 A c cBT 3 2
TF g T g
d F
h  dh B B
(d) Resistencia de olas con Fn > 0.55 (e) Resistencia de olas con Fn < 0.4
RWA Fn ABT TF hB V  g
R RWB RW P F BB ni
(f) Resistencia de olas
con 0.40 < Fn < (g) Resistencia debido a la presen-
0.55 cia del bulbo
B C gWP
S 
A FT nT V RA
 c R C6 TR A V
(h) Resistencia debido a (i) Resistencia en relación
la popa sumergida modelo-escala real
CAPÍTULO 4. METODOLOGÍA 31
4.4. Validación de resultados
Los resultados son validados para la evaluación de resistencia aplicando el software
FREE!ship (v Engeland, 2006). Además, son presentados, comparando para las tres con-
figuraciones preseleccionadas, los valores tanto de resistencia al avance como de potencia.
Por último, al modelo de embarcación seleccionado por RESMAG se efectúa un nuevo
análisis de resistencia usando el software AVEVA Marine (AVEVA Group plc, s.f.). Las
herramientas computacionales mencionadas utilizan entre otros el método Holtrop (1982;
1984).
CAPÍTULO 5
Resultados
En el caṕıtulo anterior se presentó la metodoloǵıa RESMAG para la selección del mo-
delo de la embarcación basado en el cálculo de la resistencia al avance y la potencia de
embarcaciones fluviales. Además se describieron las variables que conforman el método,
tales como la resistencia friccional, factor de forma del casco, resistencia al apéndice, resis-
tencia de olas, resistencia adicional debido a la presencia del bulbo en la proa, resistencia
adicional debido a la popa sumergida y resistencia en relación modelo-escala real de la
embarcación.
En este caṕıtulo se presenta los resultados tanto de resistencia al avance como de
potencia de las embarcaciones preseleccionadas. Posteriormente se muestra los resultados
de análisis para el casco seleccionado usando el software AVEVA Marine. Por último se
resumen los resultados de los software ya mencionados y se detalla los planos de ĺıneas y
formas de la barcaza seleccionada.
En la figura 16 se muestra el comportamiento de la resistencia al avance de las embar-
caciones preseleccionadas al aumentar su velocidad entre 4 y 7 kn. La barcaza 1 presenta
la mayor resistencia total entre todas las embarcaciones; mientras que las barcazas 2 y 3
sus valores de resistencia son inferiores a 80 kN a 7 kn. La barcaza 3 presenta la menor
resistencia y seŕıa la mejor selección para el diseño, ya que su valor equivale a aproxima-
damente 62 kN a esa misma velocidad. Si tuviéramos en cuenta la velocidad promedio (5.5
kn) la resistencia para barcaza 3 seŕıa de 39.16 kN. Cabe notar que en la metodoloǵıa no
se tuvieron en cuenta la resistencia al apéndice ni la resistencia debido a la popa sumergi-
da, ya que no existen elementos adicionales en los tres cascos y además, ninguna de ellas
presentan hundimiento en su popa.
En el análisis de potencia de las barcazas, sus valores de referencia son para el diseño
de la hélice propulsora. Para el cálculo de la potencia del motor propulsor se deberá adi-
cionar dicha potencia las perdidas por el (los) eje(s) de transmisión y demás componentes
presentes en este sistema. La embarcación 3 es la que presenta menor potencia, ya que
se requiere empujar 223.86 kW a 7 kn mientras que las demás embarcaciones sus valores
superan los 260.00 kW. Los resultados son observados en la figura 17 y en la tabla 14.
Para los análisis posteriores de la embarcación 3, en las figuras 18 y 19 se observan que
el comportamiento de las variables cumple con el método RESMAG. En ellas se oberva que
las diferencias de cada uno de los valores tanto la resistencia al avance como la potencia
32
CAPÍTULO 5. RESULTADOS 33
Figura 16. Análisis comparativo de la resistencia al avance de las barcazas
Embarcación 1 FREE!ship
Embarcación 1 RESMAG
80 Embarcación 2 FREE!ship
Embarcación 2 RESMAG
Embarcación 3 FREE!ship
60 Embarcación 3 RESMAG
40
20
4 4.5 5 5.5 6 6.5 7
Velocidad (kn)
Figura 17. Análisis comparativo de la potencia de las barcazas
Embarcación 1 FREE!ship
Embarcación 1 RESMAG
300
Embarcación 2 FREE!ship
Embarcación 2 RESMAG
Embarcación 3 FREE!ship
200 Embarcación 3 RESMAG
100
4 4.5 5 5.5 6 6.5 7
Velocidad (kn)
son menores. Para más detalles, ver la tabla 18. En la figura 20 muestra la vista isométrica
de la embarcación seleccionada y la figura 21 se detalla los planos de ĺıneas y formas.
5.1. Resumen de resultados en FREE!ship
En la tabla 16 muestra los resultados finales de la resistencia al avance y la potencia
según Holtrop para la barcaza 3. En ella se analiza otras variables donde Fr es la fricción,
RF es la resistencia friccional, RR es la resistencia residual, RTe es la resistencia total
efectiva y Pe es la potencia efectiva.
Potencia (kW) Resistencia al avance (kN)
CAPÍTULO 5. RESULTADOS 34
Tabla 14. Resultados de la resistencia al avance y potencia de las tres embarcaciones
V RTotal (kN) P (kW)
kn m/s FREE!ship RESMAG Diferencia FREE!ship RESMAG Diferencia
Embarcación 1
4.00 2.06 27.80 21.55 6.25 57.49 44.34 13.15
4.50 2.31 34.91 26.94 7.97 81.72 62.37 19.36
5.00 2.57 42.82 33.01 9.81 111.47 84.90 26.56
5.50 2.83 51.30 39.98 11.32 145.20 113.12 32.08
6.00 3.09 62.37 48.36 14.01 193.87 149.27 44.60
6.50 3.34 75.80 59.07 16.73 255.47 197.27 57.93
7.00 3.60 91.60 73.60 18.00 330.00 265.05 64.95
Embarcación 2
4.00 2.06 22.92 21.48 1.43 47.48 44.21 3.27
4.50 2.31 28.75 26.88 1.87 67.35 62.23 5.12
5.00 2.57 35.13 33.00 2.13 91.41 84.87 6.54
5.50 2.83 41.90 40.10 1.80 118.50 113.45 5.05
6.00 3.09 49.77 48.71 1.06 154.57 150.35 4.22
6.50 3.34 58.27 59.71 1.44 196.00 199.66 3.66
7.00 3.60 67.40 74.39 6.99 242.80 267.89 25.09
Embarcación 3
4.00 2.06 23.95 21.46 2.49 49.61 44.16 5.45
4.50 2.31 30.04 26.80 3.24 70.38 62.04 8.34
5.00 2.57 36.67 32.70 3.97 95.40 84.11 11.29
5.50 2.83 43.70 39.16 4.54 123.50 110.81 12.69
6.00 3.09 51.70 46.20 5.50 160.57 142.61 17.96
6.50 3.34 60.23 53.85 6.38 202.63 180.06 22.57
7.00 3.60 69.30 62.16 7.14 249.70 223.86 25.84
Figura 18. Análisis posterior de la resistencia al avance de la barcaza 3
80
FREE!ship
RESMAG
AVEVA Marine
60
40
20
4 4.5 5 5.5 6 6.5 7
Velocidad (kn)
5.2. Resumen de resultados en AVEVA Marine
En la página 37 muestra el resumen de resultados de AVEVA Marine para la embar-
cación 3.
Resistencia al avance (kN)
CAPÍTULO 5. RESULTADOS 35
Figura 19. Análisis posterior de la potencia de la barcaza 3
FREE!ship
250 RESMAG
AVEVA Marine
200
150
100
50
4 4.5 5 5.5 6 6.5 7
Velocidad (kn)
Tabla 15. Resultados posteriores de la resistencia al avance y potencia de la embarcación 3
V RTotal (kN) P (kW)
kn m/s FREE!ship RESMAG AVEVA FREE!Ship RESMAG AVEVA
Marine Marine
4.00 2.06 23.95 21.46 25.76 49.61 44.16 53.00
4.50 2.31 30.04 26.80 33.48 70.38 62.04 77.50
5.00 2.57 36.67 32.70 39.65 95.40 84.11 102.00
5.50 2.83 43.70 39.16 48.60 123.50 110.81 137.50
6.00 3.09 51.70 46.20 56.05 160.57 142.61 173.00
6.50 3.34 60.23 53.85 66.39 202.63 180.06 222.00
7.00 3.60 69.30 62.16 75.26 249.70 223.86 271.00
Tabla 16. Cálculos finales de resistencia al avance y potencia según Holtrop para la embarcación
3
V Fr RF RR RT P RTe Pe
kn m/s - kN kN kN kW kN kW
0.00 0.00 0.000 0.0 - - - - -
0.79 0.40 0.011 0.9 - - - - -
1.57 0.81 0.021 3.4 - - - - -
2.36 1.21 0.032 7.2 - - - - -
3.14 1.62 0.042 12.4 - - - - -
3.93 2.02 0.053 18.7 4.4 23.1 46.7 23.1 46.7
4.71 2.43 0.063 26.3 6.3 32.6 79.1 32.6 79.1
5.50 2.83 0.074 35.1 8.5 43.7 123.5 43.7 123.5
6.25 3.22 0.084 44.6 11.1 55.7 179.1 55.7 179.1
7.00 3.60 0.094 55.1 14.2 69.3 249.7 69.3 249.7
Potencia (kW)
CAPÍTULO 5. RESULTADOS 36
Figura 20. Vista isométrica de la embarcación seleccionada
CAPÍTULO 5. RESULTADOS 37
Figura 21. Planos de ĺıneas y formas de la embarcación seleccionada
Barcaza UTB Powering Calculation Powering_barge
Data Summary
Physical Constants
Grav. accel (g) 9.81000 metres/sec^2
Water temperature 15.00000 deg.C
Water density 1.02500 tonnes/cu.m
Water viscosity 0.00000 metres^2/sec
Main Dimensions
Length b.p. 150.000 metres
Breadth mld. 24.000 metres
Design draught 3.000 metres
Afterbody form   10 (-10 = V-form -> +10 = U-form)
Forebody form  -10 (-10 = V-form -> +10 = U-form)
Appendages
No appendages
Given propeller particulars
Wageningen B-Series propeller      
Fixed Pitch      
Non-noise Reduced      
Efficiency factor 1.000  
Shaft height 2.000 metres
Cavitation SF 0.200  
Design speed 12.000 knots
Diameter 2.000 metres
Number of blades    4  
Min. Effective BAR 0.400  
Number of screws    1  
Reynolds number correction using ITTC method      
11-Dec-2013 16:59:36  1 Hydrostatics & Hydrodynamics B
Barcaza UTB Powering Calculation Powering_barge
Resistances
Data: Condition 1
Draught aft 3.000 metres  
Draught fwd 3.000 metres  
Mean draught 3.000 metres  
Length aft of AP 0.000 metres  
Length fwd of FP 0.000 metres  
Transom area 0.000 sq.metres (0.000 % midship area)
Bulb area 0.000 sq.metres (0.000 % midship area)
Height of Centroid 0.000 metres  
Displacement 9109 tonnes  
Long. centre buoy. -3.195 metres (-2.130 % LPP fwd midships)
Wetted surface 4131 sq.metres  
Half entrance angle 15.721 degrees  
Chine length (Lp) 0.000 metres  
Mean beam over chines 0.000 metres  
Deadrise at 50% Lp 20.000 degrees  
Demi-hull breadth 3.000 metres  
Angle of transom wedge 12.000 degrees  
Viscous resistance form factor 0.400   
Deadrise Angle 15.000 degrees  
Block coeff. (Cb) 0.823 Lpp/B 6.250
Midship area (Cm) 1.030 B/T 8.000
Prismatic (Cp) 0.799 CircM 7.242
Waterplane (Cwp) 0.898 CircS 9.628
Resistance estimated according to Holtrop and Mennen
Propulsion factors estimated according to Holtrop and Mennen
Wake correction method ITTC 1978 (including Form Factor Correction)
Service allowance    0 %
Hull roughness  120 microns
Transmission efficiency 1.00  
Form factor, k 0.293  
Resistance Results - Condition 1
Speed   Fn   Rn   Cf Cf x k   Cr   Ca   Ct CircC
 kts     /10^9 *10^3 *10^3 *10^3 *10^3 *10^3     
1.000 0.013 0.065 2.220 0.651 0.000 0.553 3.424 1.312
2.000 0.027 0.130 2.007 0.588 0.000 0.553 3.148 1.206
3.000 0.040 0.195 1.896 0.556 0.000 0.553 3.005 1.151
4.000 0.054 0.260 1.823 0.534 0.000 0.553 2.910 1.115
5.000 0.067 0.325 1.769 0.519 0.000 0.553 2.841 1.088
6.000 0.080 0.390 1.727 0.506 0.002 0.553 2.788 1.068
7.000 0.094 0.455 1.692 0.496 0.008 0.553 2.750 1.053
8.000 0.107 0.520 1.663 0.487 0.026 0.553 2.730 1.046
9.000 0.121 0.584 1.638 0.480 0.062 0.553 2.733 1.047
10.000 0.134 0.649 1.616 0.474 0.122 0.553 2.765 1.059
11.000 0.148 0.714 1.597 0.468 0.211 0.553 2.829 1.084
12.000 0.161 0.779 1.579 0.463 0.330 0.553 2.926 1.121
11-Dec-2013 16:59:56  3 Hydrostatics & Hydrodynamics B
Conclusiones
Se desarrolló la metodoloǵıa RESMAG, que es una herramienta de cálculo que inicia
con un análisis paramétrico de las embarcaciones y a partir de una base de modelos
de cascos, llevando en consideración las restricciones f́ısicas del ŕıo como profundidad,
ancho de canal y curvatura. De la preselección de hasta 3 modelos sigue una análisis de
la resistencia al avance y potencia que nos orientará finalmente a la selección del casco
apropiado. La validación de la escogencia del casco en el calculo de resistencia al avance
fue realizada a partir de herramientas computacionales tradicionales de diseño naval.
Cabe resaltar que de acuerdo a los resultados de evaluaciones de resistencia hubo cohe-
rencias comparado con el método tradicional de Holtrop y que este último no considera las
correcciones debido a los efectos de aguas poco profundas. Los resultados serán validados
en una fase posterior a través de ensayos de un canal de pruebas en los laboratorios de la
Universidad Tecnológica de Boĺıvar (Toncel y Cabrera, 2013).
40
Trabajo futuro
El presente estudio de diseño de una embarcación se centró en su fase conceptual con el
desarrollo de la herramienta de análisis RESMAG. Corresponde para trabajos futuros con-
tinuar con las otras disciplinas importantes del ciclo de diseño y de las fases consecuentes,
el diseño preliminar e ingenieŕıa básica.
Cabe resaltar que no se consideraron en este estudio los efectos hidrodinámicos debido
a aguas someras en las evaluaciones de resistencia al avance, tema de principal importancia
para continuar con esta investigación y como trabajo futuro para su inclusión en una nueva
versión de RESMAG.
Aspectos a desarrollar:
• Realizar el análsis de estabilidad estática y dinámica.
• Realizar el análsis estructural.
• Realizar el análsis para el diseño preliminar de los propulsores necesarios para el
sistema de autopropulsión.
• Realizar ensayos a través de canal de pruebas.
• Realizar la simulación aplicando mecánica de fluidos computacional (CFD11).
• Mejorar el método que permite evaluar tanto para la resistencia al avance como
la potencia solo para embarcaciones fluviales en aguas poco profundas, ya que se
requiere la aplicación de probabilidad y estad́ıstica.
11Computational Fluid Dynamics
41
Glosario
Definiciones tomadas de Diccionario Esencial de la Lengua Española por la Real Aca-
demia Española, Encyclopædia Britannica Ultimate Reference Suite por Encyclopædia
Britannica Inc., Merriam-Webster’s Dictionary and Thesaurus por Merriam Webster Inc.,
Naval Architecture for Non-Naval Architects por Harry Benford y Ship Design for Effi-
ciency & Economy por Volker Bertram and Herbert Schneekluth.
A APÉNDICE: Parte de un buque que se extiende más allá del esquema principal del
casco, incluyendo elementos tales como timón, ejes, struts, bosings y quillas de balance.
ASTILLERO: Establecimiento donde se construyen y reparan buques.
B BABOR: Lado o costado izquierdo de la embarcación mirando de popa a proa.
BARCAZA: Lancha grande para transportar carga de los buques a tierra o viceversa.
BORDA: Borde superior del costado de un buque.
BOSSING : Parte exterior curvada de chapa del forro del buque que rodea y soporta el
eje de la hélice.
BULBO: Ubicado en la parte inferior de la proa, ya que presenta menos potencia en
cuanto a la propulsión y mejores caracteŕısticas de resistencia.
C CABOTAJE: Trafico maŕıtimo en las costas de un páıs determinado.
CALADO: Profundidad que alcanza en el agua la parte sumergida de un barco. Altura
que alcanza la superficie del agua sobre el fondo.
CARENA: Parte sumergida del casco de un buque. Reparación que se hace en el casco
de la nave para hacerlo estanco.
CASCO: Cuerpo de la nave, exceptuando el aparejo y las máquinas.
CODASTE: Madero grueso puesto verticalmente sobre el extremo de la quilla inmediato
a la popa, que sirve de fundamento a todo el armazón de esta parte del buque. En las
embarcaciones de hierro forma una sola pieza con la quilla.
CONTENEDOR: Embalaje metálico grande y recuperable, de tipos y dimensiones nor-
malizados internacionalmente y con dispositivos para facilitar su manejo.
D DESPLAZAMIENTO: Volumen y peso del agua que desaloja un buque, igual al espacio
que ocupa en el agua su casco hasta la ĺınea de flotación.
DRAGA: Máquina que se emplea para ahondar y limpiar los puertos, ŕıos, canales, etc.,
extrayendo de ellos fango, piedras, arena, etc.
42
GLOSARIO 43
DUREZA: Resistencia que opone un mineral a ser rayado por otro.
E ENCAUZAR: Encerrar en un cauce una corriente o darle dirección por él.
ESCLUSA: Compartimento, con puertas de entrada y salida, que se construye en un
canal de navegación para que los barcos puedan pasar de un tramo a otro de diferente
nivel, para lo cual se llena de agua o se vaćıa el espacio comprendido entre dichas
puertas.
ESLORA: Longitud que tiene la nave sobre la primera o principal cubierta desde el
codaste a la roda por la parte de adentro.
ESTRIBOR: Banda derecha del nav́ıo mirando de popa a proa.
F FLETE: Valor del traslado de mercanćıas en un veh́ıculo de transporte.
FLOTILLA: Flota compuesta de buques pequeños.
G GRANEL: Dicho de cosas menudas, como trigo, centeno, etc..: Sin orden, número ni
medida.
H HULL: Casco.
I INMERSIÓN: Acción de introducir o introducirse algo en un fluido.
M MANGA: Anchura mayor de un buque.
N NUDO: Unidad de velocidad para barcos y aviones, equivalente a una milla náutica
por hora.
P PANTOQUE: Parte casi plana del casco de un barco, que forma el fondo junto a la
quilla.
POPA: Parte posterior de una embarcación.
PRAM : Un pequeño bote casi plano de fondo ligero, con un amplio espejo de popa.
PROA: Parte delantera de la nave, con la cual corta las aguas.
PUNTAL: Altura de la nave desde su plan hasta la cubierta principal o superior.
Q QUILLA: Pieza de madera o hierro, que va de popa a proa por la parte inferior del
barco y en que se asienta todo su armazón.
R REFLECTANCIA: Capacidad para reflejar la luz.
REMOLCAR: Llevar una embarcación u otra cosa sobre el agua, tirando de ella por
medio de un cabo o cuerda.
RODA: Pieza gruesa y curva, de madera o hierro, que forma la proa de la nave.
S SEMOVIENTE: Animal de granja.
SKEG : la parte de conexión de la quilla con la parte inferior del timón en un barco de
una sola hélice.
STRUT : Puntal.
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Parte I
Anexos
1
ANEXO A
Descripción de las herramientas computacionales
comerciales
En este apéndice se reseña los ambientes computacionales usados en la validación
de resultados de RESMAG usando los programas FREE!ship y AVEVA Marine. Esto
servirá de gúıa de referencia para futuras evaluaciones. El primero, es un software de uso
libre para el diseño preliminar de embarcaciones (figura A.1). El segundo, a diferencia de
lo anterior, es un poderoso software de licencia comercial reconocido en la industria naval
y acompaña el diseño desde su fase conceptual hasta su efectiva construcción.
Figura A.1. Escritorio de FREE!ship
2
APÉNDICE A. DESCRIPCIÓN DE LAS HERRAMIENTAS COMPUTACIONALES COMERCIALES 3
A.1. Análisis de resistencia en FREE!ship
Para calcular la resistencia al avance y la potencia, seleccionar Método de Holtrop-
1988(84) para barcos en el mar en Cálculos → Resistencia ubicado en la barra de herra-
mientas. Luego, escribir las velocidades de la embarcación en General. Activar Datos del
modelo actual en Carena. El resultado muestra las gráficas que se ilustran en la figura A.2.
Si desea más resultados en tablas, ver en la pestaña Resultados.
Figura A.2. Resultados de resistencia y potencia según Holtrop 1988(84)
A.2. Análisis de resistencia en AVEVA Marine
El software AVEVA Marine es adquirido por la Universidad Tecnológica de Boĺıvar para
su uso en la ĺıneas de investigación bases de la maestŕıa en Ingenieŕıa Naval y Oceánica.
Para el análisis de resistencia se debe crear previamente un nuevo proyecto a través del
módulo Project Tools. Luego exportar y editar la geometŕıa por el módulo Marine Edit
Britfair. Después revisar sus ĺıneas y formas en el módulo Surface & Compartment. Y por
último realizar los respectivos cálculos a través del módulo Hydrostatics & Hydrodynamics.
Para exportar las coordenadas geométricas, en FREE!ship, dar clic en la barra de herra-
mientas Archivo → Exportar → Offset. El módulo Marine Edit Britfair permite visualizar
la geometŕıa del casco por secciones como se muestra la figura A.3. Antes de trabajar, se
debe editar el archivo que se ha exportado (organizar los valores siguiendo el formato como
se muestra en la tabla A.1) y guardarlo con extensión .bri. Terminado el módulo anterior,
se revisa las ĺıneas y formas del casco en el módulo Surface & Compartment. Si presenta
alguna irregularidad con la geometŕıa del casco se debe volver a revisar una y otra vez las
APÉNDICE A. DESCRIPCIÓN DE LAS HERRAMIENTAS COMPUTACIONALES COMERCIALES 4
coordenadas en el archivo y los nodos. Finalizando, se libera los cálculos geométricos en
File → Release → Calculation Geometry ubicado en la barra de herramientas. Se espera
que la ventana de comando no muestre errores. Con esto genera un archivo que permite
ser léıdo en el módulo Hydrostatics & Hydrodynamics.
Figura A.3. Módulo Marine Edit Britfair
Ya posesionado en el módulo Hydrostatics & Hydrodynamics se detalla a continuación
el procedimiento y las variables de entradas necesarias para la obtención de resultados.
Desde el módulo Surface & Compartment se crea un archivo nuevo para ejecutarlo en
Hydrostatics & Hydrodynamics. Luego, en la parte izquierda (Calc Tree) se localiza la
función Powering. Escogemos Powering Calculation al extender el contenido, al presionar
clic derecho del mouse muestra las opciones que en este caso seleccionamos Edit. Luego al
surgir una nueva ventana se ingresa las variables necesarias en cada una de las pestañas.
Estas son:
• General: Body Shape Coeficients.
• Loading Conditions: Mean Draft, CB, LCB from midships, CM, Wetted Surface
Area, CWP y 1/2 Entrance Angle.
• Resistance and Propulsion: Resistance Method, Propulsion Factors, Ship/Model Co-
rrelation, Speed From, Speed To y Speed Increment.
• Propeller Design Condition: Propeller Serie, Reynold’s No. correction method, Pro-
peller design parameters (Design diameter y Prop diameter) y Other propeller data
(No. of propeller blades y Shaft height).
Al final, seleccionamos la función Powering Calculation, al presionar clic derecho del
mouse muestra las opciones que en este caso escogemos Calculate. De esta forma se obtiene
los resultados como Data Summary, Optimum Propeller, Resistance y Powering. En caso
de mostrar error en la ventana de comandos, revisar los datos.
APÉNDICE A. DESCRIPCIÓN DE LAS HERRAMIENTAS COMPUTACIONALES COMERCIALES 5
Tabla A.1. Formato de coordenadas para el módulo Britfair en AVEVA Marine
Contenido en el archivo Explicación
Britta Nombre del casco arbitrario
1 Iniciar sección en 1
8 -4.42 -4.42 Número de nodos coordenadas sección x coordenadas sección x
0.00 0.00 y z
0.04 0.00 y z
0.04 9.20 y z
3.52 9.88 etc. . .
6.28 10.68
8.84 12.08
10.32 13.76
11.12 16.24
0 Fin de sección 1
11 0 0 Número de nodos coordenadas sección x coordenadas sección x
0.00 0.00 y z
0.16 0.00 y z
0.24 5.00 y z
0.56 7.20 etc. . .
1.40 8.12
2.68 8.72
6.76 10.04
8.76 11.16
10.52 12.76
11.56 14.60
11.96 16.20
0 Fin de sección 2
... Sección 3
... etc. . .
... . . .
... . . .
0 Fin de sección xx
8 162 162 Número de nodos coordenadas sección x coordenadas sección x
0.00 3.50 y z
0.00 4.00 y z
0.00 6.00 y z
0.00 8.00 etc. . .
0.00 10.00
0.00 12.00
0.00 14.00
0.00 16.00
0 Fin de sección n
0 0 0 Fin de archivo indicador
Fuente: AVEVA, Introduction to the Britfair format for hull definition, ISHIPDESIGN Confidential, AVE-
VA Marine, Cambridge, Reino Unido, 2013.
Sección 1 Sección 2 Sección n
Parte II
Art́ıculos cient́ıficos
6
Acosta Lopera y Cabrera Tovar (2013) 601 
 
 
 
Diseño Conceptual de una Embarcación con Autopropulsión destinada 
al Transporte de Carbón para el sector bajo del Río Magdalena 
 
Oscar D. ACOSTA-LOPERA, Jairo H. CABRERA-TOVAR 

Facultad de Ingeniería, Universidad Tecnológica de Bolívar, Parque Industrial y Tecnológico Carlos Vélez Pombo, 
km 1 vía Turbaco, Cartagena, Colombia. 
lopera1988@gmail.com 
 
Resumen: En este proyecto se desarrolla el diseño conceptual de una barcaza autopropulsada para el transporte de 
carbón en el río Magdalena entre los puertos de la ciudad de Barranquilla y Capulco, este último ubicado en el bajo 
Magdalena. En el diseño se consideran las restricciones físicas del río además de seleccionar las líneas y formas del 
casco más apropiadas del punto de vista de resistencia al avance y la propulsión. Copyright © UPB 2013 
Palabras clave: barcaza autopropulsada, líneas y formas, resistencia al avance, río Magdalena, transporte de carbón. 
Abstract: Conceptual design of an inland-water self-propulsion ship for coal transportation appropriate to 
Magdalena river low section, between the ports of Barranquilla and Capulco. The design considering the physical 
constraints of the river and define the appropriate hull lines in order of optimizing powering aspects. 
Keywords: inland water self-propulsion ship, coal transportation, Magdalena River, hull lines, powering aspects. 
UPB_autoArt 2013-07-19, s 2013-10-07 
INGENIAR UPB 2013 Universidad Pontificia Bolivariana 
Acosta Lopera y Cabrera Tovar (2013) 602 
1. INTRODUCCIÓN desarrollada para este estudio permitiendo la selección de la 
barcaza con menor resistencia al avance para las características 
Actualmente Colombia es el país con las mayores reservas de 
propias del río Magdalena. Los resultados son finalmente 
carbón en América Latina con recursos potenciales aproximados a 
comparados con un programa especializado de ingeniería naval. 
17 millones de t [1], y en función a la existencia de una creciente 
En una fase posterior, se realizarán los respectivos ensayos de 
demanda internacional de este producto se hace necesario definir 
validación de una manera experimental a través de un canal de 
alternativas de transporte entre sus yacimientos y los principales 
pruebas que actualmente se encuentra en desarrollo en la 
puertos de exportación. Una alternativa ante dicho problema sería 
Universidad Tecnológica de Bolívar (UTB) [4], siendo el primero 
la utilización del recurso hídrico para el transporte de carbón 
y único en el país orientado a estos fines. 
como es el río Magdalena, la cual es la principal arteria fluvial 
que conecta los puertos ubicados en el norte del país con los El diseño de embarcaciones fluviales apropiadas a las condiciones 
campos de producción de este mineral. A pesar de que la del río y la carga a ser transportada representa un gran impulso a 
alternativa fluvial es considerada la más viable para el transporte la utilización del río Magdalena como alternativa de transporte. Se 
de amplios volúmenes de carga vs. distancia, lo que se observa en considera como una vía natural que une los principales centros 
el país es el dominio de los sistemas terrestres y ferroviarios para industriales del interior del país con los puertos de exportación e 
el transporte del carbón. Sin embargo, la poca utilización que se importación localizados en la costa norte colombiana. 
hace a través del río se realiza por medio de sistemas convoy-
Además se debe considerar que actualmente se proyectan grandes 
barcaza-empujador [2] con bajas eficiencias operacionales 
obras de dragado y encauzamiento. Esto convierte el río 
comparada al sistema de embarcaciones con propulsión propia. 
Magdalena en la principal hidrovía del país que, comparado con 
Este proyecto diseña en su etapa preliminar el concepto de una otras alternativas de transporte, pueda representar mayores 
barcaza autopropulsada con sus dimensiones principales, ventajas tanto económicas como ambientales. 
considerando las condiciones físicas de río y sus restricciones de 
Se espera que el producto final sea un modelo de selección de la 
carga representadas en calados permitidos. Es considerado en el 
embarcación apropiada a las condiciones del río. Para eso se 
diseño un arreglo estructural de doble casco y compuertas en la 
utiliza el método de cálculo que determine la resistencia al avance 
cubierta, de manera a minimizar el riesgo de contaminación al 
y potencia para este tipo de embarcaciones. Con esto lleva en 
medio ambiente del río. Los análisis de resistencia y potencia son 
consideración las características propias del río Magdalena. 
basados en Holtrop [3] con correcciones debido al efecto de aguas 
poco profundas. Una herramienta de análisis, RESMAG, es 
INGENIAR UPB 2013 Universidad Pontificia Bolivariana 
Acosta Lopera y Cabrera Tovar (2013) 603 
2. DESCRIPCIÓN DEL ÁREA DE NAVEGABILIDAD Barranquilla. La demanda actual del transporte fluvial es de 2,48 
millones de t anuales (2004), en el caso de las cargas en general, 
El río Magdalena tiene una longitud de 1.497 km (930 millas) que 
que además incluye carbón, es de aproximadamente 0,90 millones 
fluye desde el sur hacia el norte del país [5]. Nace en el páramo de 
de t [7]. 
las Papas ubicado en el macizo colombiano, exactamente en la 
cordillera de los Andes, comprendido en el departamento del En los últimos años se han hecho obras para el mejoramiento de 
Huila, recorriendo los departamentos de Tolima, Cundinamarca, los puertos fluviales y la navegabilidad del río Magdalena. Los 
Boyacá, Caldas, Antioquia, Santander, Cesar, Bolívar, Magdalena puertos ubicados en los municipios anteriormente han sufrido la 
y Atlántico. Además recibe los ríos San Jorge, Cesar y Cauca. Se falta de actividades de carga de manera fluvial. Hoy en día se 
divide en tres sectores llamados alto, medio y bajo Magdalena. El realizaron mejoras con la modernización e instalaciones físicas, 
primer sector recorre algunos de los municipios cerca del macizo aumentando el movimiento de la carga de los ríos. Principalmente 
colombiano, San Agustín e Isnos, Timaná, Neiva, Villavieja, las embarcaciones transportan hidrocarburos y carbón, para el 
Girardot y Ambalema; el segundo sector pasa por los municipios caso de los contenedores no existe flota apta para este tipo de 
de Marquita, Honda, Puerto Nare, Puerto Berrío, Barrancabermeja carga aunque se está desarrollando. En cuanto a su navegabilidad 
y Puerto Wilches; el último sector recorre los municipios de se han hecho obras de encauzamiento permitiendo que las 
Gamarra, El Banco, San Martín de Loba, Mompox, Magangué y embarcaciones naveguen sin ninguna dificultad [7]. 
Barranquilla [6]. El río desemboca en el mar Caribe por dos 
Los proyectos a mediano y largo plazo se realizarán la 
puntos, uno en Bocas de Ceniza cerca de Barranquilla y otro 
recuperación de la navegabilidad que incluye la construcción de 
pasando por el canal del Dique cerca de la ciudad de Cartagena 
puertos, sistemas de navegación satelital, obras de encauzamiento 
[7]. 
y mantenimiento del canal navegable. Para la demanda futura se 
A pesar de la longitud, la extensión y potencial capacidad de espera que la carga sea de 8,3 millones de t al año, en el caso del 
comunicar las minerías ubicadas en el interior del país con los carbón se estima que el producto alcance con un total de 1,8 
principales puertos del caribe colombiano, la navegabilidad del río millones de t [7]. 
es considerada como una vía limitada. Solo los dos últimos 
El presente estudio se centrará en el diseño conceptual del casco 
sectores son navegables comercialmente, a menor escala desde 
de una embarcación con propulsión propia para el sector bajo del 
puerto Berrío hasta Barrancabermeja, y a mayor escala hasta 
río Magdalena entre los puertos de Barranquilla y Capulco. Se 
Bocas de Ceniza. Esto significa que los recorridos tienen acceso a 
los dos puertos más importantes del país que son Cartagena y 
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Acosta Lopera y Cabrera Tovar (2013) 604 
pueda ofrecer toda una potencialidad frente a las condiciones de Colombia está entre los 10 países productores de carbón en el 
navegabilidad proyectada para el río. mundo con una carga 74 millones de t. La minería de carbón 
juega un papel muy importante en la economía del país. Según 
cifras, durante el 2009 ganó más de USD$5 billones en ingresos 
3. TRANSPORTE DE CARBÓN 
de exportación de carbón [12]. 
En la ruta seleccionada (Capulco-Barranquilla) con una distancia 
aproximada de 500 km, se están desarrollando dos nuevos puertos 
4. EMBARCACIONES FLUVIALES CARBONIFERAS 
especializados en carbón y gráneles sólidos. En el puerto de 
Capulco se espera que la primera fase alcance la carga de 1 millón En Estados Unidos el río Mississippi es la principal arteria fluvial 
de t anuales, mientras que en Barranquilla se espera que la carga para el transporte de carbón que conecta a otros ríos como Ohio, 
aumente hasta 3 millones [8]. Missouri, entre otros. El carbón es usado en su mayor porcentaje 
para el sector eléctrico, y otro para exportación en los puertos de 
El carbón es uno de los más importantes de los combustibles 
Nueva Orleans. El modo de transporte más usado es el ferroviario, 
fósiles primarios, ya que es sólido y contiene material rico en 
seguido de terrestre, barcazas y otros medios [13]. 
carbono. Este apreciado material contiene principalmente 
hidrocarburos volátiles, azufre, nitrógeno, y otros minerales que En Los Países Bajos es pionero en la flota del transporte fluvial a 
quedan como cenizas al quemarlo [9]. Se clasifican según su diferencia de los países europeos. Su flota es considerada como la 
contenido de carbono fijo, como la turba que con bajo contenido y más grande y moderna del continente, ya que cuenta con una 
alto índice de humedad; el lignito, de contenido alto es amplia gama de tipos de embarcaciones con capacidad total de 7,4 
considerado el carbón de peor calidad; el carbón bituminoso, su millones de t. Las empresas que realizan esta actividad ha 
poder calorífico es superior debido a su alto contenido; y la aumentado a 3.600 (2008). Alrededor del 5 % de toda la flota de 
antracita, mayor contenido y máximo poder calorífico [10]. Europa Occidental está bajo la bandera holandesa [14]. 
Las mayores reservas se encuentran en los departamentos de La En Colombia el transporte fluvial de cargas mayores se realiza 
Guajira y Cesar. Además con el 84 % del total de las reservas del principalmente utilizando barcazas empujadas por remolcadores, 
país, seguido de Cundinamarca y Boyacá con el 6 % y por último con sistema denominado “Convoy”. Varía según su capacidad y 
Santander, Antioquía, Valle del Cauca y Cauca con el 3 %. Se conformación en serie y/o paralelo. El más largo alcanza una 
estima que el 68 % es del tipo térmico y el 32 % es Coquizable longitud de 254 m, con anchura de 26 m. Las características de los 
[11]. convoyes que operan actualmente varían según las condiciones 
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Acosta Lopera y Cabrera Tovar (2013) 605 
físicas y sectores que operan en el río. Para trayectos largos completando la metodología de selección del casco propuesta. 
transportan aproximadamente 7.200 t usando un remolcador y seis Esto es detallado en la figura 1. 
barcazas con capacidad de transportar 1.200 t [2]. 
Esta propuesta busca dar respuesta a un sistema eficiente de 
transporte en función de las mejorías proyectadas para el río 
Magdalena en vista de convertirlo en una hidrovía. El sistema es 
basado en embarcaciones con propulsión propia que presenta 
mayores ventajas en maniobrabilidad y velocidad vs. capacidad de 
carga frente al sistema convoy utilizado actualmente, en función 
este último de las condiciones de restricciones de calado, 
dependencia de la época de lluvias y presencia de reducidos 
radios de curvatura y giro.  
5. METODOLOGÍA 
La metodología está propuesta para la selección apropiada del 
concepto del casco de una embarcación fluvial para el río 
Magdalena, en su fase preliminar. Consiste inicialmente de un 
análisis paramétrico a partir de un conjunto de configuraciones 
geométricas de barcazas en operación y de diferentes 
configuraciones y orígenes. Luego de preseleccionar hasta tres  
configuraciones se realiza un análisis de flotabilidad y estabilidad Figura 1. Metodología para la selección del casco 
a partir de las restricciones físicas de la ruta y del río. Un análisis 
posterior de resistencia y de potencia permite escoger el casco con 
las mejores condiciones de desempeño de punto de vista de 5.1. Modelo de casco y Restricciones Físicas del Rio 
resistencia al avance. Análisis estructural de la sección principal Los modelos de casco corresponden a una base de datos de 
será finalmente necesario para la embarcación seleccionada embarcaciones fluviales con diferentes coeficientes de forma y 
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Acosta Lopera y Cabrera Tovar (2013) 606 
líneas de casco. Las restricciones físicas de río, calado, radios de olas y viento [15]. Los criterios de estabilidad sugeridos para este 
curvaturas, presencia de puentes, canales, etc. deben ser tipo de embarcaciones son adoptados por la Organización 
consideradas como datos necesarios para el análisis paramétrico Marítima Internacional (IMO por sus siglas en inglés) [16]. La 
que resultará en la preselección de tres líneas y formas de tabla 1 complementa información de los desplazamientos de las 
embarcaciones. Para el sector de estudio, se presenta una embarcaciones preseleccionadas. 
profundidad mínima en Capulco de aproximadamente 4,5 m, 
definiendo el límite para estas embarcaciones a un calado no 
superior a 3 m. En la tabla 1 se describen las características de Barcaza 1 
cada uno de los modelos preseleccionados y en la figura 2 se 
muestran las líneas de forma de las barcazas en su vista  
transversal. 
Tabla 1. Dimensiones principales de las embarcaciones Barcaza 2 
preseleccionadas 
 
Dimensiones Barcaza 1 Barcaza 2 Barcaza 3 
Eslora (m) 159,60 160,31 150,00 
Barcaza 3 
Manga (m) 24,00 21,31 24,75 
Calado (m) 3,00 3,00 3,00  
Desplazamiento (t) 9.500,50 8.760,30 8.943,60 Figura 2. Vista transversal de los cascos 
preseleccionados 
5.2. Análisis de estabilidad 
5.3. Análisis de resistencia 
El análisis de estabilidad se hace necesario para determinar las 
condiciones de equilibrio de una embarcación en la que un buque Para el análisis de resistencia al avance y criterio principal en la 
recupera su posición original. Existen dos tipos de estabilidad: selección de la embarcación se desarrolló una herramienta de 
estática y dinámica. La estabilidad estática analiza las condiciones cálculo: RESMAG (evaluación de RESistencia al Avance para las 
de equilibrio en aguas tranquilas, por ejemplo, un río o un lago. condiciones y características del Río MAGdalena). Se fundamenta 
En cambio la estabilidad dinámica la embarcación es sometida a en el método de Holtrop y considera igualmente corrección por el 
condiciones de equilibrio en el mar, debido al efecto de fuerza de efecto de aguas poco profundas basadas principalmente en el 
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Acosta Lopera y Cabrera Tovar (2013) 607 
método de Karpov [17]. Los resultados son verificados para el El cálculo de la resistencia en función de los apéndices es descrito 
caso de Holtrop aplicando el software FREE!ship [18]. Además de la siguiente forma 
son presentados comparando, para las tres configuraciones 
 
preseleccionadas, los valores tanto de resistencia al avance como        
     (    )   
 (3) 
de potencia. 
donde   es la densidad del río,   es la velocidad,      es el área 
Método de Holtrop. El método de Holtrop permite estimar la mojada de los apéndices, (    ) es el factor de resistencia al 
resistencia al avance de una embarcación [19]. El cálculo de la apéndice y    es el coeficiente de la resistencia friccional de la 
resistencia total viene representado por la sumatoria de los embarcación. 
componentes descritos de la siguiente manera 
La resistencia debido a olas se representa por 
         (    )                    (1)         
   (              ) (4) 
donde    es la resistencia friccional,      es el factor de forma 
              
del casco,      es resistencia de los apéndices,    es la donde    es el número de Froude,   es el coeficiente de la resistencia de olas,    es la resistencia adicional debido a la 
 
sección media,   es el área de popa sumergida,   es el área 
presencia de bulbo en la proa,     es la resistencia adicional 
   
transversal por presencia de bulbo,    es la distancia vertical debido a la popa sumergida,    es la resistencia en relación 
desde línea de quilla hasta la sección central del bulbo y   es la 
modelo-escala real de la embarcación.  
altura del bulbo. Existen tres ecuaciones de este tipo, ya que 
El factor de forma viene representado de acuerdo con depende del número de Froude [20]. 
     Para la resistencia en función de la relación modelo-escala real de 
      (          ) (2)      la embarcación se calcula con  
 
donde   es la manga,   es la eslora,   es el calado,    es el      
     (5) 
parámetro que refleja la eslora,     es la posición longitudinal del  
centro de carena,   es el volumen de cuerpo sumergido y    es el donde   es el área mojada del casco y    es el coeficiente de 
coeficiente prismático. correlación. 
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Acosta Lopera y Cabrera Tovar (2013) 608 
Método de Karpov. Para el cálculo de la corrección de la estructural de embarcación carbonífera en configuración de doble 
resistencia al avance debido al fenómeno de aguas poco profundas casco. Los resultados obtenidos de cálculo de inercia para de los 
se usa el método de A.B. Karpov [17]. La resistencia total en este elementos longitudinales fueron, para el módulo de sección, 2,8 
3 4
caso es representada por m , y para la inercia 7,51 m . Estos valores fueron superiores al 
mínimo requerido por la Sociedad Clasificadora que son, para el 
 3 4
  módulo de sección, 1,98 m  y para la inercia, 5,95 m . El doble          ((   
   )       ) (6) casco minimiza riesgo ambiental en el río, impidiendo derrames 
de carbón en caso que se presente averías en la embarcación, 
donde    y    son velocidades efectivas y    es el coeficiente de evitando la contaminación de las aguas. Además se añadieron 
la resistencia residual de la embarcación. La evaluación de las compuertas ubicadas en la cubierta para evitar que las partículas 
velocidades efectivas se determina de la siguiente manera de este mineral se esparzan por el ambiente. 
    ⁄   y     ⁄    (7) 
los coeficientes    y     son determinados por los diagramas 
propuestos por Karvop [17]. 
5.4. Análisis Estructural 
Luego de la selección del casco por el criterio de resistencia al 
avance, corresponde ahora al diseño estructural de su sección 
principal. El dimensionamiento y arreglo estructural debe seguir 
los criterios mínimos exigidos por la normas clasificadoras para 
este tipo de embarcaciones, recomendadas principalmente por las 
pertenecientes a la Asociación Internacional de Sociedades 
Clasificadores (IACS por siglas en inglés) [21]. El cálculo de las  
estructuras gigantes, refuerzos y laminas de la sección principal Figura 3. Arreglo Estructural para una Sección Media de 
sigue dichas recomendaciones. La figura 3 detalla el arreglo Embarcaciones tipo Fluviales Carboníferas 
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Acosta Lopera y Cabrera Tovar (2013) 609 
6. RESULTADOS La figura 5 muestra el análisis de potencia de las barcazas. Sus 
valores de referencia son para el diseño de la hélice propulsora. 
En la figura 4 se muestra el comportamiento de la resistencia al 
Para el cálculo de la potencia del motor propulsor se deberá 
avance de las embarcaciones preseleccionadas al aumentar su 
adicionar a dicha potencia las perdidas por los eje(s) de 
velocidad entre 4 y 7 nudos. La barcaza 1 presenta la mayor 
transmisión y demás componentes presentes en este sistema. En el 
resistencia total entre todas las embarcaciones; mientras que las 
anexo 2 muestra los valores tanto de resistencia al avance como la 
barcazas 2 y 3 sus valores de resistencia son inferiores a 70 kN a 7 
potencia de cada uno de los modelos. 
nudos. La barcaza 3 presenta la menor resistencia y sería la mejor 
selección para el diseño, ya que su valor equivale a 
aproximadamente 50 kN. El anexo 1 se detalla el plano de líneas y 
500.00
formas de la barcaza autopropulsada 3 así como su vista 450.00
isométrica. 400.00
350.00
300.00
100.00 250.00
90.00 200.00
80.00 150.00
70.00 100.00
60.00
50.00
50.00
0.00
40.00
4 4.5 5 5.5 6 6.5 7
30.00
20.00 Velocidad (nudos) 
10.00
0.00
4 4.5 5 5.5 6 6.5 7 Barcaza 1 FreeShip Barcaza 1 RESMAG Barcaza 2 FreeShip
Velocidad (nudos) Barcaza 2 RESMAG Barcaza 3 FreeShip Barcaza 3 RESMAG
 
Barcaza 1 FreeShip Barcaza 1 RESMAG Barcaza 2 FreeShip
Figura 5. Análisis comparativo de las barcazas potencia 
Barcaza 2 RESMAG Barcaza 3 FreeShip Barcaza 3 RESMAG
 
Figura 4. Análisis comparativo de las barcazas resistencia al 
avance 
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Resistencia al avance (kN) 
Potencia (hp) 
Acosta Lopera y Cabrera Tovar (2013) 610 
7. CONCLUSIONES [Último acceso: 23 08 2013]. 
[4]  W. Toncel Zuleta y J. H. Cabrera Tovar, «Modelo de Diseño de un Canal 
Se desarrolló una metodología de análisis que permite seleccionar de Ensayos Hidrodinámicos para Colombia,» de 3th International Ship 
el casco de una embarcación fluvial en su fase preliminar de Design & Naval Engineering Congress, Cartagena, 2013.  
diseño. Se desarrolló igualmente la herramienta computacional [5]  Encyclopædia Britannica Ultimate Reference Suite, «Magdalena River,» 
RESMAG que permite evaluar a partir de una base de datos las Encyclopædia Britannica, Chicago, 2012. 
líneas y formas apropiadas a las restricciones del Rio Magdalena. [6]  ICANH, «Río Magdalena: Navegando por una nación,» Abril 2010. [En 
El caso de estudio se centra en la selección del casco en el diseño línea]. Available: 
preliminar de una embarcación para el transporte de carbón entre http://www.icanh.gov.co/recursos_user/EXPOSICION%20Rio%20Magdal
ena.pdf. [Último acceso: 15 Agosto 2013]. 
los puertos de Capulco y Barranquilla.  
[7]  CORMAGDALENA, «Visión Colombia 2019: Colombia Segundo 
Cabe resaltar que de acuerdo a los resultados hubo coherencias Centenario,» 15 Agosto 2013. [En línea]. Available: 
http://fs03eja1.cormagdalena.com.co/php/cormagdalena/attachments/151_
comparado con el método tradicional de Holtrop y que este último 
VISION%20Cormagdalena%202019%20-%20AGOSTO%2015%20-
no considera las correcciones debido a los efectos de aguas poco %2006.pdf. [Último acceso: 30 Agosto 2013]. 
profundas. Los resultados de RESMAG serán validados en una [8]  SP Caribe, [En línea]. Available: http://spcaribe.com/. [Último acceso: 21 
fase posterior a través de ensayos de un canal de pruebas en los Febrero 2013]. 
laboratorios de la UTB. [9]  Encyclopædia Britannica Ultimate Reference Suite, «Coal,» Encyclopædia 
Britannica, Chicago, 2012. 
[10]  Microsoft Encarta, «Carbón,» Microsoft Corporation, 2009. 
REFERENCIAS 
[11]  UPME, «Panorama Sector Carbonífero,» [En línea]. Available: 
 http://www.upme.gov.co/guia_ambiental/carbon/panorama/contenid/panora
[1]  UPME, Carbón Colombiano, Fuente de Energía para el Mundo, Bogotá, ma.htm. [Último acceso: 2 Febrero 2013]. 
Cundinamarca: Unidad de Planeación Minero Energético, 2005, p. 7. [12]  World Coal Association, «Coal - Energy for Sustainable Development,» 16 
[2]  SENA, «Estudio de Caraccterización Transporte Acuatico, Subsector Abril 2012. [En línea]. Available: 
Transporte Fluvial,» Diciembre 2007. [En línea]. Available: http://www.worldcoal.org/bin/pdf/original_pdf_file/coal_-
http://observatorio.sena.edu.co/mesas/01/TRANSPORTE%20ACUATICO. _energy_for_sustainable_development_final(16_04_2012).pdf. [Último 
pdf. [Último acceso: 28 Marzo 2013]. acceso: 2 Febrero 2013]. 
[3]  J. Holtrop, «A Statistical Analysis of Performance Test Results,» Febrero [13]  U.S. Energy Information Administration, «Coal Transportation Rates to the 
1977. [En línea]. Available: Electric Power Sector,» 16 Noviembre 2012. [En línea]. Available: 
http://seagrant.mit.edu/ESRDC_library/Holtrop-Statistical-Feb-1977.pdf. http://www.eia.gov/coal/transportationrates/trend-coal.cfm#fig3. [Último 
INGENIAR UPB 2013 Universidad Pontificia Bolivariana 
Acosta Lopera y Cabrera Tovar (2013) 611 
acceso: 23 Abril 2013]. AUTORES 
[14]  Bureau Voorlichting Binnevaart, «Binnenvaart in cijfers,» Blue Magazine, 
Oscar David ACOSTA LOPERA, nacido en 
p. 11, 11 Enero 2011.  
Cartagena, Colombia. Estudiante de último año 
[15]  Encyclopædia Britannica Ultimate Reference Suite, «Ship,» Encyclopædia de Ingeniería Mecánica en la Universidad 
Britannica, Chicago, 2012. 
Tecnológica de Bolívar (UTB, 2014). Áreas de 
[16]  IMO, «Code On Intact Stability for All Types of Ships Covered interés investigativo en diseño, arquitectura e 
Instruments, Resolution A.749 (18),» 4 Noviembre 1993. [En línea]. 
ingeniaría naval. Actualmente trabaja en el 
Available: 
http://www.imo.org/blast/blastDataHelper.asp?data_id=22598&filename= proyecto de grado bajo el mismo nombre del 
A749(18)E.pdf. [Último acceso: 12 Septiembre 2013]. artículo en la UTB.  
[17]  I. O. Velendnitsky, «Determination of Resistance of Displacement Ships In  
Shallow Water,» Improvement of Inland Waterway Vessel and Barge Tow 
Performance, nº 249, pp. 14-19, Septiembre 1982.  Jairo Humberto CABRERA TOVAR, nacido en 
[18]  M. v. Engeland, «FREE!ship manual version 2.6,» 2006. Ibagué, Colombia. Obtiene el título de Ingeniería 
Naval en la Escuela Naval de Cadetes “Almirante 
[19]  J. Holtrop y G. G. J. Mennen, «An Approximate Power Prediction 
Method,» 1982. [En línea]. Available: José Prudencio Padilla” (ENAP, 1991), 
http://esrdc.mit.edu/library/ESRDC_library/Holtrop-Approximate- Magister, Doctorado y Postdoctorado en 
1982.pdf. [Último acceso: 1 Mayo 2013]. Ingeniería Naval y Oceánica en la Universidad de 
[20]  J. Holtrop, «A Statistical Re-Analysis of Resistance and Propulsion Data,»  São Paulo (USP, 1994, 2000 y 2005). Áreas de 
1984. [En línea]. Available: trabajo en estructuras navales, hidrodinámica de 
http://esrdc.mit.edu/library/ESRDC_library/Holtrop-Stat-Re-Analysis- buques y sistemas Offshore. Actualmente es docente y director de la 
1984.pdf. [Último acceso: 23 Agosto 2013]. maestría en Ingeniería Naval y Oceánica en la Universidad Tecnológica 
[21]  IACS, «International Association of Classification Societies Ltd.,» 11 de Bolívar (UTB), investigador del grupo de investigación GIMAT 
Septiembre 1968. [En línea]. Available: http://www.iacs.org.uk. [Último (UTB), clasificada A1 en Colciencias (2009) y es el director del proyecto 
acceso: 16 Septiembre 2013]. de grado bajo el mismo nombre del artículo en la UTB. 
  
 
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Acosta Lopera y Cabrera Tovar (2013) 612 
ANEXOS 
Anexo I: Planos de líneas & formas y vista isométrica de la barcaza seleccionada 
 
A I. Figura 1. Planos de líneas & formas 
 
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Acosta Lopera y Cabrera Tovar (2013) 613 
 
A I. Figura 2. Vista isométrica de la barcaza seleccionada 
 
  
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Acosta Lopera y Cabrera Tovar (2013) 614 
Anexo II: Resultados de resistencia al avance y potencia. 
V FREE!ship RESMAG Diferencia FREE!ship RESMAG Diferencia 
nudos m/s        (kN)  (hp) 
Barcaza 1 
4,0 2,06 27,80 21,55 6,25 77.10 59.46 17.64 
4,5 2,31 34,91 26,94 7,97 109.59 83.64 25.96 
5,0 2,57 42,82 33,01 9,81 149.48 113.86 35.62 
5,5 2,83 51,30 39,98 11,32 194.72 151.69 43.02 
6,0 3,09 62,37 48,36 14,01 259.98 200.17 59.81 
6,5 3,34 75,80 59,07 16,73 342.59 264.89 77.69 
7,0 3,60 91,60 73,60 18,00 442.54 355.44 87.09 
Barcaza 2 
4,0 2,06 22,92 17,20 5,72 63.67 47.46 16.22 
4,5 2,31 28,75 21,53 7,22 90.32 66.84 23.48 
5,0 2,57 35,13 26,47 8,66 122.58 91.30 31.29 
5,5 2,83 41,90 32,28 9,62 158.91 122.48 36.43 
6,0 3,09 49,77 39,50 10,27 207.28 163.48 43.79 
6,5 3,34 58,27 48,99 9,28 262.84 219.69 43.15 
7,0 3,60 67,40 62,06 5,34 325.60 299.70 25.90 
Barcaza 3 
4,0 2,06 23,95 18,71 5,24 66.53 51.64 14.89 
4,5 2,31 30,04 23,37 6,67 94.38 72.55 21.83 
5,0 2,57 36,67 28,51 8,16 127.93 98.36 29.57 
5,5 2,83 43,70 34,15 9,55 165.62 129.59 36.03 
6,0 3,09 51,70 40,30 11,40 215.32 166.80 48.53 
6,5 3,34 60,23 46,98 13,25 271.74 210.66 61.07 
7,0 3,60 69,30 54,26 15,04 334.85 262.03 72.83 
 
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