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ANÁLISIS DE JUNTAS TUBULARES

CON ELEMENTOS FINITOS SUBESTRUCTURA

Carlos CORTÉS SALAS1 y Oswaldo SÁNCHEZ RUBIO1

1 Instituto Mexicano del Petróleo, Eje Lázaro Cárdenas No. 152, Apto. Postal 14-805, 07730 México, D. F., TEL: 9175-8663, Fax. 9175-8665; e-mail: [email protected]

GENERALIDADES Antecedentes.Obje-vodelanálisisdejuntastubularesconelementosfinitosAlcance.Descripción.

MODELO DE INSTALACIÓN CONEXIONES CON ALTOS NIVELES DE ESFUERZOS

MODELO DE JUNTAS PARA ANÁLISIS CON ELEMENTOS FINITOS ModeloyMateriales

Cargasyrestricciones RESULTADOS DE LOS ANÁLISIS ResultadosdelaJunta801ResultadosdelaJunta513

CONCLUSIONES

Antecedentes Como parte del proceso de diseño de una plataforma, se realizaron los análisis en sitio; operación, tormenta, sismo, fatiga y los análisis de la ingeniería de instalación: carga, transportación, lanzamiento, posicionamiento vertical e instalación de la subestructura encontrandose juntas tubulares con altos niveles de esfuerzos, en las diferentes etapas de la ingeniería de instalación. Por lo anterior, se identificaron las conexiones críticas en la etapa que rige la revisión y se seleccionaron las más representativas para realizar los análisis detallados con elementos finitos.

Objetivo del análisis de juntas tubulares con elementos finitos

Verificar la integridad de las juntas de la subestructura de la plataforma, con altos niveles de esfuerzos detectados en los análisis de instalación, esto en base a la distribución de esfuerzos y deformaciones de los canutos y en caso necesario integrar elementos de reforzamiento.

Alcance Incluye la modelación de las conexiones con altos niveles de esfuerzos, determinación del sistema de solicitaciones obtenido de la condición crítica de los análisis de instalación (carga, transportación, lanzamiento), análisis detallado con elementos finitos, interpretación de resultados y elaboración de conclusiones y/o recomendaciones.

Descripción

La subestructura está estructurada con ocho columnas de acero estructural dispuestas en cuatro marcos transversales y dos longitudinales. Cuenta con una estructura adosada al eje B entre los ejes 2 y 3, instalada desde patio, las columnas de esquina de los ejes 1 y 4, presentan doble pendiente, mientas que las columnas de los ejes 2 y 3 tienen pendiente simple. Los diámetros y espesores de las columnas son: 1651Øx44.45mm (65”Øx1.750”), entre las elevaciones +6.096M y la -8.500M. Entre las elevaciones -25.500M, -43.500M, -62.500M y -82.00M se tienen diámetros y espesores de 1651Øx19.05mm (65”Øx0.750”) a 1651Øx22.23mm (65”Øx0.875”).

Descripción (cont.)

El sobre-espesor de pierna en juntas tubulares, conocido como “canuto” (“joint can”), entre elevaciones -25.500M a -82.25M, son: 1651Øx38.1mm (65”Øx1.50). Se incluyeron elementos de arriostramiento para formar marcos longitudinales y transversales, a través de elementos tubulares con diámetros y espesores que varían de 610Øx25.4mm (24”Øx1.0”) a 762Øx25.4mm (30”Øx1.0”). Se cuenta con seis plantas de arriostramiento horizontal, localizadas en las elevaciones +6.096M, -8.500M, -25.500M, -43.500M, -62.500M, -82.00M.

MODELO DE INSTALACIÓN En la siguiente figura se muestra el modelo de la subestructura de la plataforma, utilizada para la elaboración de la ingeniería de instalación.

CONEXIONES CON ALTOS NIVELES DE ESFUERZOS

Con base en los resultados de los análisis de instalación de la subestructura, se identificaron conexiones tubulares con altos niveles de esfuerzos, superiores a los permisibles, como se muestra en la tabla . REVISIONDEJUNTASCONRI>1.00

JUNTA CARGA TRANSPORTACION LANZAMIENTOPENETRACION(PUNCHINGSHEAR)

802 1.012 ------- -------

907 ------- 1.441 -------

913 ------- 1.435 -------

107 ------- 1.046 -------

113 ------- 1.046 -------

COLAPSOGLOBAL

107 4.331 1.754 1.218

113 4.283 1.825 -------

307 2.467 1.896 1.122

313 1.834 2.044 -------

401 1.282 1.482 4.040

402 ------- 1.587 3.710

REVISIONDEJUNTASCONRI>1.00JUNTA CARGA TRANSPORTACION LANZAMIENTO

COLAPSOGLOBAL507 2.026 2.230 1.726

513 3.281 2.399 1.375

593 ------- 1.039 -------

601 ------- ------- 2.418

602 ------- ------- 2.244

707 3.980 2.104 1.753

713 3.794 2.319 1.587

801 5.120 1.037 2.881

802 5.046 1.054 2.737

907 2.986 1.655 1.496

913 2.832 1.684 1.446

5619 1.129 1.363 -------

5629 1.129 1.292 -------

8147 ------- 1.173 -------

8148 ------- 1.145 -------

MODELO DE JUNTAS PARA ANÁLISIS CON ELEMENTOS FINITOS Con la finalidad de conocer los niveles de esfuerzos detallados en las conexiones tubulares de la plataforma, se elaboró un modelo de elementos finitos que en forma general muestra la pierna principal, el canuto, los elementos secundarios que convergen en ella y la silleta en la que se apoya la pierna.

1

junta 801

AREAS

REAL NUM

1 2

2

3

4

5

Modelo y Materiales

En la figura se observa el modelo general de elementos finitos utilizado para realizar la revisión de las juntas, este esta formado por elementos “Shell93” de 8 nodos y fue modelado en el programa Ansys Ver. 10.

1

junta 801

ELEMENTS

REAL NUM

Los materiales considerados son acero API 2H grado 50Z con esfuerzo de fluencia fy = 3515.0 Kg/cm² para el cuerpo principal del canuto y acero A-36 con fy = 2530.0 Kg/cm² para el resto del modelo, ambos con un modulo de elasticidad E = 2,1000,000.0 Kg/cm².

El comportamiento de ambos materiales fue considerado como perfectamente elástico, es decir no se modela la parte de la curva correspondiente a la plastificación del material.

Cargas y restricciones

Se considera que el modelo se encuentra restringido en la dirección Z, por el apoyo que le proporciona la base de la silleta, y del mismo modo en la dirección Y pero solo en los extremos laterales de la silleta, simulando el efecto de las placas guía que se encuentran en la barcaza.

Las cargas fueron obtenidas de las corridas estructurales hechas a la

subestructura en condiciones de carga, transportación y lanzamiento; así mismo únicamente se modelaron las cargas axiales, esto es por que estas son las que provocan principalmente el efecto del colapso del canuto mientras que los momentos solo producen giro, mas no cargas.

Las cargas y las propiedades de cada uno de los elementos se irán

mostrando en una tabla individual a lo largo de las diferentes juntas a analizar.

1

Maloob-C Junta 801

ELEMENTS

UFACEL

RESULTADOS DE LOS ANÁLISIS

A continuación se muestran los resultados de los análisis hechos a las diferentes juntas mostradas en la tabla 1. Los valores de los resultados son el esfuerzo combinado Von Mises y su valor se encuentra en Kg/cm², los valores de las deformaciones se encuentran en centímetros.

Se generó un análisis estructural de tipo elástico, con las características

del modelo, cargas y restricciones mostradas anteriormente, el cual arrojó los resultados que se presentan a continuación.

Resultados de la Junta 801

La junta 801 tiene una interacción máxima de 5.120 en la condición 4 de la etapa de carga, se obtuvieron las propiedades geométricas de sus ramales así como sus elementos mecánicos (carga axial) del modelo y corrida estructural del programa SACS los cuales son mostrados en la siguiente tabla.

JOINT

MEMBER GRP

LOADCASE

DISTFROMENDM

FORCEFXMT

MOMENTMY

MT-CM

MOMENTMZ

MT-CM

8011401-801 24E 4 8.47 -407.50 -349.70 -27.00

801-907 LLA 4 0.00 -143.40 -28,209.80 1,953.20

707-801 LLB 4 9.09 -211.80 -27,055.50 1,953.10

1

junta 801

AREAS

REAL NUM

1

junta 801

AREAS

REAL NUM

1

junta 801

AREAS

REAL NUM

En la figura se muestra el modelo general de la junta 801, en este se nota que solo cuenta 1 ramal.

1

MN

MX

Maloob-C Junta 801

0330.613

661.226991.839

13221653

19842314

26452976

NODAL SOLUTION

STEP=1SUB =6TIME=1SEQV (AVG)DMX =.370588SMX =2976

1

MX

Maloob-C Junta 801

0330.613

661.226991.839

13221653

19842314

26452976

NODAL SOLUTION

STEP=1SUB =6TIME=1SEQV (AVG)DMX =.370588SMX =2976

Esfuerzos resultantes (Kg/cm²) en la superficie del modelo.

Después de aplicar las cargas y realizar la corrida estructural se obtuvieron los resultados. En la figura se observan los esfuerzos resultantes en la superficie del modelo.

1

MN

MX

Maloob-C Junta 801

29.468280.512

531.556782.6

10341285

15361787

20382289

NODAL SOLUTION

STEP=1SUB =6TIME=1SEQV (AVG)DMX =.367708SMN =29.468SMX =2289

1

MN

MX

Maloob-C Junta 801

.00243.043016

.083603.124189

.164776.205362

.245949.286535

.327122.367708

NODAL SOLUTION

STEP=1SUB =6TIME=1USUM (AVG)RSYS=0DMX =.367708SMN =.00243SMX =.367708

Deformaciones Esfuerzos

Los valores de los esfuerzos alcanzan niveles que no superan el esfuerzo de fluencia del material como lo es el caso del canuto que contienen un esfuerzo máximo en su superficie de 2289 Kg/cm² y siendo de acero especial su fy = 3151 Kg/cm² esto significa que el esfuerzo resultante no supera el esfuerzo de fluencia del material.

CANUTO

Los valores de los esfuerzos alcanzan niveles que superan el esfuerzo de fluencia del material de 2976 Kg/cm² y su fy = 2530 Kg/cm², por lo que podría esperarse plastificación del material y deformaciones permanentes. Pero debido a que las deformaciones son muy pequeñas 0.37 cm no afectaran el comportamiento global de la junta.

1

MNMX

Maloob-C Junta 801

45.58371.128

696.6771022

13481673

19992324

26502976

NODAL SOLUTION


1

MN

MX

Maloob-C Junta 801

.333998.338063

.342129.346195

.35026.354326

.358391.362457

.366522.370588

NODAL SOLUTION


Deformaciones Esfuerzos RAMAL

1

MN

MX

Maloob-C Junta 801

2.535282.416

562.298842.18

11221402

16821962

22422521

NODAL SOLUTION


1

MN

MX

Maloob-C Junta 801

.002968.039776

.076584.113393

.150201.18701

.223818.260626

.297435.334243

NODAL SOLUTION


Los valores de los esfuerzos alcanzan niveles que no superan el esfuerzo de fluencia del material con un esfuerzo máximo en su superficie de 2521 Kg/cm² y siendo de su fy = 2530 Kg/cm² esto significa que el esfuerzo resultante no supera el esfuerzo de fluencia del material.

Deformaciones Esfuerzos AROS ATIEZADORES

Resultados de la Junta 513

La junta 513 tiene una interacción máxima de 2.399 en la condición 4 de la etapa de transportación, se obtuvieron las propiedades geométricas de sus ramales así como sus elementos mecánicos (carga axial) del modelo y corrida estructural del programa SACS los cuales son mostrados en la tabla 6.

JOINT MEMBER GRP LOAD CASE

DIST FROM END

M

FORCE FX MT

MOMENT MY

MT-CM

MOMENT MZ

MT-CM

513

402- 513 LL4 4 9.57 -3.30 -24,671.80 58.50

602- 513 L41 4 9.54 -161.80 -21,147.20 -65.90

A26G- 513 24Z 4 8.45 -102.40 -774.70 164.50

507- 513 24A 4 10.54 -43.40 -412.50 2.10

319- 513 30A 4 25.85 -10.60 -3,615.90 -47.40

513- 719 30B 4 0.00 -5.40 -3,085.00 52.90

513- 9 26M 4 0.00 -17.40 -1,391.70 -75.50

513- 10 26A 4 0.00 -50.90 -1,323.40 31.20

1945- 513 30H 4 12.38 -311.60 -1,460.00 447.50

513-1406 3PP 4 0.00 -85.70 -1,563.30 -350.70

U27N- 513 18Q 4 7.87 -51.30 -562.80 -161.20

513-A26Y 30V 4 0.00 -379.20 -2,435.40 541.60

En la figura se muestra el modelo general de la junta 513, en este se nota que cuenta 10 ramales y 2 seguros marinos.

Esfuerzos resultantes (Kg/cm²) en la superficie del modelo.

Después de aplicar las cargas y realizar la corrida estructural se obtuvieron los resultados. En la figura se observan los esfuerzos resultantes en la superficie del modelo.

Deformaciones Esfuerzos CANUTO

1

MN

MX

Maloob-C Junta 513

6.02169.239

332.458495.677

658.896822.115

985.3341149

13121475

NODAL SOLUTION


1

MN

MX

Maloob-C Junta 513

.00138.029203

.057026.084849

.112671.140494

.168317.196139

.223962.251785

NODAL SOLUTION


Los valores de los esfuerzos alcanzan niveles que no superan el esfuerzo de fluencia del material como lo es el caso del ramal que contienen un esfuerzo máximo en su superficie de 1475 Kg/cm² y siendo de acero especial su fy = 3151 Kg/cm² esto significa que el esfuerzo resultante no supera el esfuerzo de fluencia del material.

Deformaciones Esfuerzos RAMALES

1

MNMX

Maloob-C Junta 513

2.644217.654

432.664647.674

862.6841078

12931508

17231938

NODAL SOLUTION


1

MN

MX

Maloob-C Junta 513

.010001.056317

.102633.148949

.195265.241582

.287898.334214

.38053.426846

NODAL SOLUTION


Los valores de los esfuerzos alcanzan niveles altos sin superar el esfuerzo de fluencia del material como lo es el caso del ramal que contienen un esfuerzo máximo en su superficie de 1938 Kg/cm² y su fy = 2530 Kg/cm².

Deformaciones Esfuerzos AROS ATIEZADORES

1

MN

MX

Maloob-C Junta 513

8.391193.511

378.63563.75

748.87933.989

11191304

14891674

NODAL SOLUTION


1

MN

MX

Maloob-C Junta 513

.001497.0272

.052903.078606

.104309.130012

.155715.181418

.207121.232824

NODAL SOLUTION


Los valores de los esfuerzos alcanzan niveles altos sin superar el esfuerzo de fluencia del material como lo es el caso del ramal que contienen un esfuerzo máximo en su superficie de 1674 Kg/cm² y su fy = 2530 Kg/cm².

CONCLUSIONES

Se analizaron las juntas tubulares de la subestructura de una plataforma, que en los análisis de instalación, carga, transportación y lanzamiento,

reportaron los más altos niveles de esfuerzos, por cortante de penetración y/o por colapso global.

Como el Método del elemento finito es una herramienta que permite

localizar con precisión las zonas de concentración de esfuerzos, y los esfuerzos resultantes que muestra son una combinación de todos los actuantes en ese punto, se plantea la opción de llevar los esfuerzos

hasta el fy para aprovechar mejor la capacidad del material.

CONCLUSIONES

Las juntas tubulares, identificadas con los más altos niveles de esfuerzos, se aislaron y se analizaron por medio del programa ANSYS de

Elemento Finito, dando como resultado la aparición de zonas de concentración de esfuerzos en la superficie del ramal que superan el esfuerzo de fluencia del material, adentrándose en la zona plástica.

Por lo anterior, la carga de la subestructura a la barcaza, la

transportación y el lanzamiento pueden llevarse a cabo sin que se presenten esfuerzos mayores a los permisibles o deformaciones

permanentes en la subestructura.

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