Estructuras offshore sometidas a la accin del oleaje

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2. Estructuras Offshore

Una estructura offshore es una estructura situada en el mar y que por tanto se encuentra sometida a la accin del oleaje, y adems a unas condiciones meteorolgicas adversas. Estos fenmenos es importante tenerlos en cuenta en el diseo y el clculo de estas estructuras ya que el tiempo meteorolgico es una de las principales causas de fallos en las estructuras offshore.

Este tipo de estructuras pueden ser fijas al lecho marino o flotantes y la funcin principal para la que fueron concebidas es la exploracin y produccin de gas y petrleo, aunque han ido surgiendo otras funciones como aprovechamiento de la energa del mar, aeropuertos, soportes de aerogeneradores, base de edificios, etc. Para todas estas funciones se pueden aplicar los mismos principios de diseo y construccin.

2.1. Resea histrica

El nacimiento de la industria offshore surge en 1947 con Kerr-McGree en el Golfo de Mxico alcanzando una profundidad de 4.6 m para explotar un pozo petrolfero. La estructura se compona de una cubierta de madera de 11.6 m x 21.6 m sustentada sobre pilotes que alcanzaban una profundidad de 31.7 m. Desde este momento se fueron introduciendo innovaciones en los distintos tipos de estructuras offshore, tanto fijas como flotantes, situadas cada vez en emplazamientos ms profundos y con condiciones ambientales ms hostiles. Un avance importante se produjo con la plataforma COGNAC, estructura fija que se compona de tres estructuras separadas dispuestas una sobre otra, con la que se alcanz 312 m de profundidad. La mayor profundidad alcanzada con una estructura fija de este tipo se logra en 1991 con 412 m. A partir de aqu, la bsqueda de mayor profundidad se traduce en estructuras fijas cada vez ms caras y difciles de instalar.

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Ante este panorama surge una alternativa innovadora y barata, la torre arriostrada Lena, la cual permite la deformacin de sus elementos para soportar las cargas y est sostenida por un conjunto de tirantes para resistir las cargas de huracanes. Con este tipo se alcanza una profundidad de 500 m. Todas estas estructuras mencionadas han sido construidas en acero, no obstante en la dcada de los ochenta se construyen algunas con hormign en aguas muy hostiles en el mar del Norte.

Figura 2.1 Evolucin de la plataforma fija (profundidad en metros)

Finalmente, cabe mencionar que en 1975 se instala en el Reino Unido en el Mar del Norte el primer sistema flotante, que se trataba de un semi-sumergible convertido. Con el desarrollo de estas plataformas flotantes se redefini el concepto de aguas profundas en el campo de las estructuras offshore llegndose a alcanzar los 3000 m de profundidad.

2.2. Tipologa estructural

Las estructuras offshore se pueden clasificar en dos grupos: las apoyadas en el fondo marino, objeto de nuestro estudio, y las flotantes.

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Las estructuras apoyadas en el fondo marino, a excepcin de las construidas en hormign, son perfiles tubulares de acero soldados que actan como un entramado que soporta el peso de la estructura total y las fuerzas debidas a las olas, la corriente marina y el viento.

Se diferencias dos tipos:

- Fijas. Se consideran de este tipo cuando la frecuencia natural ms baja del movimiento de flexin de la estructura est por encima de la frecuencia ms alta de excitacin de ola significativa. Se comportan como un cuerpo rgido y deben resistir todas las fuerzas dinmicas del ambiente.

- Compliant. Pertenecen a este tipo cuando la frecuencia natural ms baja est por debajo de la energa de ola. Las fuerzas del ambiente provocan que este tipo de estructuras se desven, pero la magnitud de las cargas dinmicas es enormemente reducida, lo que permite que este tipo de estructuras sea ms econmica para aguas ms profundas respecto al tipo anterior.

Figura 2.2 Torre Compliant

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- Existe una estructura intermedia que en ambientes suaves se comporta como fija y cuando se excede de un determinado lmite se comporta como dcil.

Dentro de las denominadas fijas podemos diferenciar los siguientes tipos:

- Plataforma mnima. Para aguas poco profundas, estructuras simplificadas con una pequea cubierta.

Figura 2.3 Ejemplo de plataforma mnima

- Estructura Jacket. Formada por perfiles tubulares de acero conectados que forman una armadura tridimensional.

- Estructuras de gravedad. Principalmente hechas de hormign, se sustentan en su gran volumen y peso. Son susceptibles de erosin en la base y hundimiento por su naturaleza.

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Figura 2.4 Estructura offshore de hormign

- Jack-ups. Se trata de una barcaza generalmente formada por tres patas que soportan una cubierta flotante. Se denomina as porque cuando es necesario sus patas se fijan al fondo marino y la cubierta se desliza sobre ellas colocndose al nivel de la superficie del mar.

Figura 2.5 Plataforma Jack-up

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En cuanto a las estructuras Compliant encontramos los siguientes tipos:

- Plataforma articulada. Torre unida en su base con una junta Cardan que es libre de oscilar sobre esta unin debido a las condiciones ambientales. Bajo la junta se fija al fondo marino por pilotes o por base de gravedad. Su uso general es como sistema de amarre para petroleros.

- Torre dcil. Son bastantes transparentes a las olas, diseadas para deformarse ante las fuerzas ambientales.

- Torre arriostrada. Estructura delgada apoyada en el fondo marino y sostenida por un conjunto simtrico de tirantes. Aplicables en aguas profundas hostiles.

2.3. Estructura Jacket

Dado que nuestro estudio va a consistir en el anlisis del comportamiento dinmico de una estructura Jacket sometida a la accin del oleaje, es de inters describir ms detalladamente este tipo de estructura.

Como se ha comentado, se trata de una armadura tridimensional de perfiles tubulares de acero que presentan de 4 a 8 patas deformables para conseguir la estabilidad frente a las olas. Este tipo es propio y econmico para profundidades menores a 100 m. Se compone principalmente de 3 elementos estructurales:

- Cubierta. Puede ser modular o integrada. Formada por entramado de barras y placas para formar un suelo. Soportan cargas de equipo de operacin, de servicios requeridos por el personal, etc., dependiendo de la funcin o uso de la estructura.

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- Torre. Sus funciones son soportar las condiciones ambientales, recibir la carga de la cubierta y transferirla a la cimentacin, as como servir de soporte para otro tipo de elementos y subestructuras que existan debido al uso que se le est dando a la estructura. Los componentes principales de la torre son: las patas o barras verticales, las barras horizontales y diagonales que conectan las patas, y las juntas.

Figura 2.6 Estructura Jacket

- Cimentacin. Se compone generalmente de pilotes metlicos hincados en el fondo marino que pueden estar unidos a las patas de dos formas, encajando el extremo del pilote en el interior de la pata, por lo que es evidente que el dimetro exterior del pilote debe ser inferior al dimetro interior de la pata, o tambin se puede fijar el pilote al pilar hacindolo pasar a travs de unos conectores soldados al pilar.

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Figura 2.7 Cimentacin. (a) Pilote fijado mediante conectores. (b) Pilote fijado directamente a extremo inferior de la pata principal

2.3.1. Directrices para el dimensionamiento inicial de la estructura

Para pasar a analizar y comprobar la estructura Jacket hay que partir de un primer diseo. En este primer paso se tiene en cuenta la existencia de diseos de plataformas ya construidas en condiciones ambientes similares o en su defecto, fijar una configuracin inicial siguiendo unos determinados principios basados en la experiencia en este campo de las estructuras.

Generalmente se comienza con la eleccin del tamao de los pilotes, a partir de l se fijan las dimensiones de las barras verticales principales, y finalmente las dimensiones de las barras diagonales y horizontales que unen las barras verticales y las que sustentan la cubierta.

A continuacin pasamos a presentar una serie de directrices tenidas en cuenta en el dimensionamiento de los elementos estructurales, las cuales estn recogidas en el manual Handbook of offshore engineering.

- La altura total de la estructura debe ser mayor que la altura mxima de la cresta de la ola que se pueda formar sobre el nivel de aguas tranquilas, para evitar que el oleaje afecte a la cubierta.

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- Eleccin del pilote. Se debe seleccionar el dimetro exterior y el espesor de pared. El rango de dimetros exteriores de pilotes comnmente utilizado es 36-72 in (0.91-1.83 m), y el espesor de pared debe ser mayor a 1 in (0.025 m) por problemas de corrosin. Adems hay que determinar la profundidad o longitud de pilote, para lo que se requiere el conocimiento aproximado de los esfuerzos mximos actuando sobre los pilotes. La longitud del pilote se calcula teniendo en cuenta que la capacidad de carga Qd del pilote debe ser igual o superior al axil extremo sobre el pilote, afectado por un coeficiente de seguridad igual a 1.5 para diseos de carga segn la norma API RP2A.

= 1.5 ; La capacidad de carga de un pilote se define de la siguiente manera:

= + = ! + "

donde:

Qf: capacidad de carga por fuste

Qp: capacidad de carga por punta

f(z): capacidad de friccin unitaria de la superficie (fuerza/ud. de rea)

As(z): superficie lateral del pilote por unidad de longitud

q: capacidad de punta unitaria (fuerza/ud. de rea)

Ap: rea bruta de la punta

L: longitud del pilote

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Una vez conocido las propiedades del pilote y el estudio geotcnico del terreno, se puede elaborar una tabla de capacidad de carga del pilote como muestra la siguiente figura.

Figura 2.8 Longitud de pilote frente a su capacidad de carga

Entrando en la tabla con la carga de diseo que debe soportar el pilote, se obtiene la longitud del pilote.

- Configuracin de la estructura Jacket. Hay una amplia variedad de formas en cuanto a la disposicin de las barras diagonales y horizontales que conectan las barras verticales principales, cada una de ellas con sus ventajas e inconvenientes. Varios de estos patrones se muestran en la siguiente figura.

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Figura 2.9 Configuraciones de estructuras Jacket

El tipo 1 es el patrn K, el cual presenta pocas barras conectndose en las juntas, lo que reduce costos de soldadura y montaje. Este tipo es utilizado en localizaciones donde la solidez no es importante y donde no se presentan acciones ssmicas.

Los tipos 2 y 5 corresponden al patrn V, que presentan pocas barras conectndose en las juntas y carecen de redundancia y simetra. Es un patrn poco usado y no recomendado.

El tipo 3 es el patrn N, de caractersticas similares a los dos anteriores y tampoco es recomendado.

El tipo 4 es el patrn V ms X de uso muy comn. Este tipo presenta simetra, redundancia y mejor ductilidad, y su nica desventaja es el alto nmero de barras que conectan en las juntas.

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El tipo 6 es el patrn X, con el cual se consigue mayor ductilidad y mejor resistencia ante cargas ssmicas.

- Eleccin barras verticales principales. El dimetro interior debe ser 3-4 in (0.076-0.102 m) mayor que el dimetro exterior del pilote en caso de que el pilote se aloje en el interior de la barra vertical. El espesor debe oscilar entre 0.5-2.5 in (0.013-0.064 m), dado que un espesor menor conlleva problemas de corrosin y uno mayor es complejo de fabricar.

- Eleccin barras horizontales y diagonales. Se tienen en cuenta las siguientes directrices:

- Una relacin de aspecto (0.7-1.4) para tener un buen comportamiento de rigidez, siendo:

$ = % + &/2 donde a, b y h son las dimensiones mostradas en la siguiente figura.

Figura 2.10 Geometra del patrn X

- Elegir un dimetro tal que la relacin de esbeltez kL/r 70, donde:

k: coeficiente de pandeo, que toma el valor 0.8.

L: longitud

r: radio de giro

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La longitud tenida en cuenta depender del patrn elegido. Si es el patrn K, se considera la longitud total de la barra L, y si es el patrn X se considera una longitud L2.

* = +% + %,- + - ; *- = *&% + & El radio de giro para tubos de pared delgada se considera:

r = 0.35D, siendo D el dimetro de la barra.

- Una relacin de dimetros entre estas barras y las principales >0.3.

- Se toma el espesor de pared en funcin del dimetro exterior nunca menor de 0.5 in (0.013m), estando la relacin entre ambas D/t en el rango 19-90.

- Para evitar la aparicin de problemas hidrostticos cumplir la siguiente restriccin: ./ < 250234 donde hw es la profundidad de agua, en pies.

2.3.2. Comprobacin de la estructura

Atendiendo a las indicaciones reflejadas en el manual Handbook of offshore engineering tras modelar y calcular la estructura Jacket se deben realizan las siguientes comprobaciones:

- Comprobacin del perodo natural de vibracin. Una vez obtenida la frecuencia natural mnima global de la estructura, a partir de su inversa, se obtiene el perodo natural de vibracin (Tn).

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Dicho perodo debe alejarse del perodo promedio del espectro de oleaje y evitar una amplificacin de las cargas dinmicas. Concretamente, en aguas someras una estructura Jacket posee un bajo Tn, del orden de 4 s en una profundidad inferior a 800 ft (243.84 m), que est alejado del perodo promedio de un espectro de oleaje en condiciones extremas que suele estar en el rango 12-14 s.

Figura 5.1 Espectro de energa del oleaje frente a perodos de vibracin de estructuras

- Comprobacin de flecha. Los desplazamientos mximos horizontales de la estructura deben ser inferiores a 2-3 pulgadas (0.05-0.076 m).

- Comprobacin de resistencia y estabilidad. La comprobacin fundamental de resistencia y estabilidad para elementos estructurales de seccin uniforme sometidos a esfuerzos axil y de flexin segn la norma AISC ASD (1989) se realiza mediante el uso de la tensin admisible definida en la seccin 1.5 de la norma AISC y las ecuaciones de interaccin siguientes:

565 + 7891 56; < 68+ 7=8=91 56=; < 68=

1.0

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50.66= + 868 + 8=68= 1.0 Cuando fa/Fa 0.15, las dos ecuaciones anteriores pueden ser sustituidas nicamente por la siguiente ecuacin:

565 + 868 + 8=68= 1.0 donde:

fa es la tensin debida al esfuerzo axil y fbx y fby es la tensin debida al momento flector,

Fy es el lmite elstico del acero,

Fa es la tensin admisible debida al esfuerzo axil y Fb la tensin admisible debida al momento flector,

Cm es un factor de amplificacin del momento flector,

Fe es la tensin debida al efecto de pandeo dividida por un coeficiente de seguridad y se calcula tal que:

6; = 12?-@23BCD EF G- Para miembros tubulares de seccin circular las ecuaciones de la norma AISC convergen con las ecuaciones de la norma API RP2a:

565 +7+8- + 8=-

91 56;< 68 1.0

50.66= ++8- + 8=-68 1.0

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Igualmente si fa/Fa 0.15, las dos ecuaciones anteriores pueden ser sustituidas nicamente por la siguiente ecuacin:

565 ++8- + 8=-68 1.0

Para secciones compactas o no compactas, la tensin admisible debida al axil se toma como Fa = 0.6Fy si estamos en traccin. En caso de compresin, depender de la relacin de esbeltez kl/r y del valor crtico de la misma:

7H = I2?-@6= De tal forma que Fa se evala como sigue:

65 =J1 BCD EF G-27H- K 6=

53 + BCD EF G87H BCD EF G487H4

, ,N CDE 7H

65 = 12?-@23BCD EF G- , ,N CDE 7H

Si las secciones son esbeltas circulares la tensin admisible debida al axil se calcula como sigue:

65 = 662. /F + 0.46= donde D es el dimetro de la seccin y t el espesor.

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La tensin admisible debida al momento flector se toma tal que:

Fb = 0.66 Fy (para secciones compactas)

Fb = 0.60 Fy (para secciones no compactas y esbeltas)

Para calcular las tensiones admisibles hay que clasificar la seccin del elemento estructural. La seccin tubular circular se clasifica en funcin de su relacin espesor-dimetro segn la norma AISC ASD (1989) de la siguiente forma:

D/t 3300/Fy secciones compactas y no compactas

D/t 13000/Fy secciones esbeltas (lmite slo en compresin)