Tubos Krah en Emisarios Submarinos

Fecha: 19.02.2007 1:22 kal014NT_54TubosKrahenEmisarios_02.doc Página : 1 / 20

KRAH AMERICA LATINA S.A.

DEPARTAMENTO TÉCNICO

NOTA TÉCNICA Nº014-06

EMISARIOS SUBMARINOS Alternativa de Ejecución con Tecnología Krah®




NOTA TÉCNICA Nº014-06 kal014NT_54TubosKrahenEmisarios_01.doc

EMISARIOS SUBMARINOS

ALTERNATIVA DE EJECUCIÓN CON TECNOLOGÍA KRAH®

CONTENIDO

1. INTRODUCCIÓN 3

2. CARACTERÍSTICAS DE LAS TUBERÍAS KRAH® 3

2.1. DESCRIPCIÓN GENERAL 3 2.2. PROCESO DE FABRICACIÓN 4 2.3. TIPOS DE UNIÓN 4 Electrofusión Incorporada Krah® 5 Unión por aporte de material 5 Unión por Fusión a Tope 5 Unión Bridada 5 Unión Elastomérica 6 2.4. MEDIDAS 6 2.5. DISEÑO HIDRÁULICO Y ESTRUCTURAL DE LAS TUBERÍAS KRAH 6 2.5.1. DISEÑO HIDRÁULICO 6 2.5.2. DISEÑO ESTRUCTURAL 7

3. UTILIZACIÓN DE TUBERÍAS KRAH EN EMISARIOS SUBMARINOS 9

3.1. VENTAJAS 9 3.2. CUIDADOS A TENER EN CUENTA 9 3.3. ANCLAJE DE LAS TUBERÍAS 10 3.3.1. NECESIDAD 10 3.3.2. CÁLCULO DE MUERTOS DE ANCLAJE 10 3.3.2.1. Separación de los Muertos de Anclaje 10 3.3.2.2. Peso Necesario de los Muertos de Anclaje 11 3.3.2.3. Diseño de los Muertos de Anclaje 11 3.4. METODOLOGIA DE INSTALACIÓN PARA TUBERÍAS DE PEAD 12 3.4.1. FUSIÓN DE LOS TUBOS Y ACOPLE DE LOS MUERTOS DE ANCLAJE 12 3.4.2. FLOTACIÓN, INMERSIÓN Y COLOCACIÓN DEL EMISARIO 14 3.5. VERIFICACIÓN ESTRUCTURAL DE LA TUBERÍA DURANTE EL PROCESO DE INMERSIÓN 15 3.5.1. GENERALIDADES 15 3.5.2. UNION DE TRAMOS 16 3.5.2.1. Unión de tramos en el fondo 16 3.5.2.2. Unión de tramos en superficie 16 3.5.3. DESCRIPCIÓN DE LOS ESFUERZOS EN LAS DISTINTAS FASES DE FONDEO 17 3.5.3.1. Unión de tramos en el fondo 17 3.5.3.2. Unión de tramos en superficie 19 3.5.4. EL PANDEO O ABOLLADURA (“BUCKLING”) 19 3.5.5. MÉTODOS PARA REDUCIR LOS ESFUERZOS EN FONDEO 20




Figura 1. Tuberías de Pared Perfilada Krah®

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EMISARIOS SUBMARINOS

ALTERNATIVA DE EJECUCIÓN CON TECNOLOGÍA KRAH® 1. INTRODUCCIÓN KRAH AG es una de las compañías líderes en el mundo en la creación y producción de tecnología innovadora para la fabricación de sistemas de tuberías y accesorios termoplásticos de gran diámetro. Los Sistemas de Conducciones Krah® consisten en tuberías y accesorios fabricados en Polietileno de Alta Densidad (PEAD) o Polipropilleno (PP) y, por lo tanto, cuentan con todas las grandes ventajas que ofrecen estos materiales termoplásticos: estanqueidad, resistencia química, resistencia a la abrasión, gran capacidad hidráulica, capacidad de absorber grandes deformaciones, posibilidad de unión por fusión molecular (con la mayor confiabilidad del mercado), etc. Los sistemas Krah®, entre otras cosas, son especialmente adecuados para su aplicación en obras de emisarios submarinos y es, por lo tanto, el espíritu del presente informe recorrer las características sobresalientes del sistema y sus posibilidades de optimización, así como demostrar las ventajas comparativas que puede ofrecer utilizar esta tecnología. 2. CARACTERÍSTICAS DE LAS TUBERÍAS KRAH®

2.1. DESCRIPCIÓN GENERAL Las tuberías y accesorios Krah® están concebidas para conformar sistemas monolíticos y estancos de Polietileno de Alta Densidad, o Polipropileno, para obras de infraestructura. La alta flexibilidad del proceso de fabricación de los tubos Krah® permite la conformación de piezas con diferentes tipos de pared, que se diseña en cada caso en función de la combinación de cargas que deberán resistir. Básicamente, las tuberías pueden ser de pared lisa (convencional), o bien de pared “perfilada”, como las que se muestran en la Figura 1. Es importante destacar que en todos los casos se trata de piezas monolíticas, sin ningún tipo de pegamento o unión especial entre las distintas zonas, siendo el tubo entero una única pieza.




Figura 3. Proceso de fabricación

Las piezas de pared perfilada son especialmente ventajosas cuando la presión interna es baja y/o las cargas externas (derivadas del tipo de instalación de la tubería) son muy altas. En este caso, se puede obtener una resistencia estructural equivalente (o superior) a la de un tubo convencional con mucho menos peso. Esto es porque se reemplaza la pared de espesor constante por un perfil de pared especial, con lo que se logra un aumento en el momento de inercia de la sección que aumenta su resistencia estructural1. De esta manera, se obtienen tuberías de gran rigidez, pero a la vez muy livianas y, por lo tanto, de menor costo. ¡Error!

2.2. PROCESO DE FABRICACIÓN Las tuberías KRAH son fabricadas en Polietileno de Alta Densidad, o Polipropileno, por un proceso de extrusión y post formado sobre mandril, a temperatura controlada y en un solo paso de conformación, resultando en un producto final monolítico, con superficie interior lisa co-extruída en color claro. La superficie exterior podrá ser según cualquiera de las posibilidades expuestas en la Figura 2 (espesor constante o diferentes perfiles de pared). Esta metodología de fabricación permite una gran flexibilidad en el diseño de la conducción, permitiendo adaptarlo a las condiciones particulares de cada proyecto. La fabricación de las tuberías se realiza en conformidad con la Norma DIN 16961–1 (“Pipes and fittings of thermoplastics materials with profiled wall and smooth pipe inside”), la cual además establece las tolerancias en cuanto a las dimensiones de cada producto (con respecto a las dimensiones establecidas en el cálculo). También cumple con las normas: ASTM F-894, DIN 19568-100, ISO 9969, DIN 8074. DIN 8075, DIN 8078 e ISO 4427.

2.3. TIPOS DE UNIÓN Las tuberías Krah® pueden unirse mediante cualquiera de las siguientes metodologías:

1 Esto es lo mismo que se hace en los perfiles metálicos para vigas, a los que se les da forma de “U” o de “Doble T” para

aumentar su capacidad estructural y a la vez reducir el peso de la pieza.

En el caso de los tubos Krah®, la forma que puede dársele a sus paredes puede variar dentro de una muy amplia gama de posibilidades, como las que se muestran en la Figura 2. La selección del tipo de pared, así como de las dimensiones de cada una de las componentes del perfil seleccionado, dependerá de la aplicación particular a la que estará destinada la tubería. Figura 2. Variantes del Perfil de

Pared




Figura 4. Unión por electrofusión incorporada Krah®

Figura 5. Unión por fusión a tope

Figura 6. Bridas

Electrofusión Incorporada Krah® Este tipo de unión es un sistema propio y altamente innovador de la tecnología Krah®, que involucra tuberías con extremos espiga-enchufe, con una resistencia eléctrica incorporada en el enchufe, tal como puede verse en la Figura 4.

El sistema de unión por electrofusión incorporada Krah® viene incluido tanto en las tuberías como en todos los accesorios complementarios de las mismas (curvas, derivaciones, cámaras, etc.), permitiendo al contratista no solo un trabajo rápido y eficiente, sino que también le garantiza una junta 100% estanca a lo largo de toda la vida útil de la conducción.

Unión por aporte de material El Polietileno de Alta Densidad con el que están conformadas las tuberías Krah® permite su soldadura por aporte de material, mediante pistolas manuales o máquinas que existen en el mercado para tal fin. Este tipo de soldadura es altamente confiable y puede utilizarse ya sea para la unión de dos tubos con extremos espiga-enchufe o para la unión de tubos con extremos rectos (o cortados). Esta metodología de unión, además, es muy útil cuando hay que cortar pedazos de tubería en obra y unirlos entre sí en forma rápida. Unión por Fusión a Tope Las tuberías Krah® pueden unirse por Termofusión o Fusión a Tope de la misma manera que en tuberías las tuberías convencionales. En este caso, los tubos tendrán extremos rectos (sin espiga o enchufe).

Unión Bridada Se pueden preparar tubos con extremos bridados, o bien piezas adaptadoras, especialmente convenientes, para unir con tuberías de otros materiales o bien realizar uniones bajo agua.




Figura 7. Variables de un Perfil tipo

Unión Elastomérica A pedido del cliente, se puede tornear la espiga y el enchufe de las tuberías Krah® para alojar un aro de goma que permita la unión mecánica de las mismas, entre ellas o con tuberías de otros materiales.

2.4. MEDIDAS Los tubos Krah® se pueden fabricar con un diámetro interno entre 300 y 4000 mm, de acuerdo a las especificaciones indicadas en los planos de proyecto, o las que surjan del cálculo hidráulico de los mismos según ATV A110, y de acuerdo a las dimensiones mínimas establecidas por la Norma DIN 16961. Para aquellos diámetros mayores a los indicados en dicha norma, son válidos los lineamientos especificados en la Norma ASTM F894-94 (“Standard Specification for Polyethylene (PE) Large Diameter Profile Wall Sewer and Drain Pipe”). Es importante destacar que en la tecnología Krah®, los diámetros nominales son los diámetros interiores o hidráulicos (DN = DI). El diámetro exterior DE (real para tubos de pared sólida o aparente para tubos perfilados) dependerá de la resistencia estructural que deberá tener la conducción. En el caso de paredes perfiladas, se adoptan las siguientes variables: - s1: Espesor de liner - s4: Espesor de las costillas - h: Altura de las costillas. - a: Separación entre costillas La magnitud de cada una de estas variables se determina mediante el cálculo estructural de conducción, en función de los parámetros propios de cada proyecto particular. Por otro lado, los tubos tienen una longitud máxima de L = 6 mts, pudiendo hacerse tramos más largos a partir de la unión por fusión de dos o más piezas.

2.5. DISEÑO HIDRÁULICO Y ESTRUCTURAL DE LAS TUBERÍAS KRAH 2.5.1. DISEÑO HIDRÁULICO El cálculo hidráulico de las tuberías se realiza bajo los lineamientos de la Norma Alemana ATV A110 (“Standard for the hydraulic dimensioning and Performance record of drainage Sewers and Pipelines”). Esta norma abarca las recomendaciones generales para realizar el cálculo hidráulico de cualquier tipo de tubería, tanto para escurrimiento en régimen uniforme como en la consideración de las fluctuaciones generadas por los accesorios (curvas, cámaras, etc) o cambios de pendiente previstos por el proyecto.




La Norma abarca los métodos más usuales para el cálculo de las tuberías, entre los que se destaca la formula de Prandl-Colebrook, según la cual:

iiii

D.J.g.2.D.71,3

kD.J.g.2D

.51,2lg.2v

+

ν−=

Donde:

v: Velocidad Media del Fluido (m/s) J: Gradiente Hidráulico (adimensional) k: Coeficiente de rugosidad (mm) g: Aceleración de la gravedad (m/s²) ν: Viscosidad cinemática del fluído (de acuerdo con ATV A110, para agua a

T=20ºC, ν= 1.31x10-6 m²/s) Di: Diámetro Interno de Cálculo (mm)

El coeficiente de rugosidad “k” dependerá del material de las paredes de la tubería. Para el caso de tuberías plásticas con pared interna lisa se recomienda:

k = 0,10 - 0,50 mm

Por lo tanto, de acuerdo con la ecuación de continuidad, el caudal sería:

A.vQ =

Donde: Q: Caudal, en m3/s

A: Área Mojada, en m2

2.5.2. DISEÑO ESTRUCTURAL El cálculo estructural de las tuberías, se divide en tres partes: A) Cuando la tubería deberá soportar presión interna, se dimensiona a priori el espesor de

liner “s1” necesario para soportar esta solicitación. Este cálculo se realiza de acuerdo a los lineamientos de la Norma DIN 161, utilizando la conocida fórmula de las calderas, según la cual:

( )p.2D.p1s

ADM

i

−σ=

Siendo:

- s1 = Espesor del liner de la pared de la tubería - Di = Diámetro interior de la tubería - p = Presión interna - σADM = Tensión Admisible del material de la tubería:




cMRS

ADM =σ

- MRS = Tensión Última a 50 años (según curvas de regresión del material) - c = Coef. Seguridad

B) En todos los casos, con o sin presión interna, se deberá verificar a la tubería frente a las

cargas externas provocadas, entre otros, por el peso del material de relleno de la zanja, por las posibles cargas dinámicas por tránsito vehicular en la superficie y/o por la presión externa ejercida por la napa freática. Esto se realiza mediante el “cálculo estático” de la conducción.

En el caso de las tuberías Krah® instaladas en zanja, el cálculo estático se realiza de acuerdo a la Norma Alemana ATV A127 (“Static Calculation of Drains and Sewers”). Este cálculo tiene en cuenta todas las cargas que generarán solicitaciones sobre la tubería y, realizando una modelización de la interacción caño-zanja ante las diferentes combinaciones de estas solicitaciones, verifica los aspectos más importantes desde el punto de vista estructural de la conducción: deflexión, pandeo y tensiones en los diferentes puntos de la tubería. En este caso, cobra importancia el concepto de “Rigidez” de la tubería que, en el caso de la tecnología Krah®, se establece sobre la base del concepto de “Rigidez Anular” ó “Ring Stiffness” (RS), de acuerdo a las especificaciones de la Norma DIN 16961-2 (“Pipes and fittings of thermoplastics materials with profiled wall and smooth pipe inside”), siendo:

324

24 rI.ERS =

Donde:

- RS: Rigidez Anular - E24: Módulo de Elasticidad Circunferencial, luego de 24 hs de carga. - I : Momento de Inercia de la Sección de las paredes de la tubería. - r : Radio medio de la tubería (desde el centro de la misma hasta el eje neutro de

la sección de sus paredes)

El Módulo E24 es un parámetro propio del material con el que está elaborada la tubería. Por otro lado, los valores de “I” y “r” dependerán de las características geométricas del perfil adoptado para las paredes.

C) La tercera verificación se realiza en casos de metodologías especiales de instalación,

como es el caso de un emisario submarino. En este caso, se deberá realizar una verificación estructural adicional para tener en cuenta las solicitaciones que entrarán en juego durante el proceso de instalación y verificar la prestación de la tubería en esta situación. Más adelante veremos en más profundidad el estudio a realizar en el caso de la inmersión de la tubería en el lecho marino.




3. UTILIZACIÓN DE TUBERÍAS KRAH EN EMISARIOS SUBMARINOS

3.1. VENTAJAS La utilización de tuberías Krah® para conformar la conducción de un emisario submarino de gran diámetro presenta las siguientes ventajas:

• Es mucho más ligera y fácil de manejar. • Puede ensamblarse fácilmente, por unión espiga-enchufe, y fusionarse unas con otras

en la costa o bien sobre una barcaza. • Las juntas fusionadas son más fuertes que la tubería misma, lo que evita futuras fugas

en la unión debido a sedimentación o movimiento. • Es suficientemente flexible como para ser colocada fácilmente en una ruta escabrosa,

evitándose la remoción de rocas sumergidas, arrecifes, etc. • El método de electrofusión es suficientemente rápido como para permitir la instalación

de un emisario submarino en poco tiempo. • El Polietileno es esencialmente inmune a los efectos corrosivos del agua marina y a

los efectos de organismos. • La tubería de PEAD es suficientemente ligera y fuerte como para ser jalada y colocada

en su sitio usando barcazas para remolque y alineación. • Si es necesario, la tubería puede ser reflotada inyectándose aire comprimido. • El PEAD tolera mejor que cualquier otro material el movimiento ocasionado por las

corrientes y oleaje.

3.2. CUIDADOS A TENER EN CUENTA La tubería de PEAD es adecuada para fondos de arena, lodo, grava y pequeñas rocas, pero requiere de pesas externas (usualmente muertos de hormigón armado) para mantenerla en su lugar e impedir que flote o se mueva por las fuerzas hidrodinámicas. También puede colocarse sobre rocas, siempre que no esté sobre una punta o un escollo cortante. Dado que el material es relativamente suave, puede ser dañado por las anclas de los grandes barcos que pueden enganchar y jalar la tubería. Sin embargo, su alta resistencia al impacto protegerá a la tubería de astillarse y romperse. Por otro lado, en áreas sujetas a las fuerzas destructivas de tormentas en las zonas de oleaje y de mareas se requiere una protección adicional para enterrar, o encasillar en hormigón o en piedras sueltas (rip-rap), a la tubería, tal como sucede con la mayoría de los materiales para tuberías de emisarios submarinos. También habrá que tomar precauciones para que la tubería no flote cuando haya acumulación de gases (cuando el emisario contiene trampas de aire).




Figura 8. Modelo como viga simplemente apoyada

3.3. ANCLAJE DE LAS TUBERÍAS 3.3.1. NECESIDAD La tubería de PEAD no necesitará estructuras de fundación especiales debido a que su flexibilidad permite que la misma se adapte a las condiciones del lecho del río. Sin embargo, para impedirle que se mueva libremente (impulsada por las corrientes) o que flote (debido a su bajo peso) requiere de anclas que usualmente se materializan mediante muertos de hormigón armado. La separación de estos muertos y sus dimensiones dependerán de las condiciones de cada proyecto en particular y se detallan a continuación. 3.3.2. CÁLCULO DE MUERTOS DE ANCLAJE

3.3.2.1. Separación de los Muertos de Anclaje Es importante que la distancia entre los muertos de anclaje no sea muy grande ya que, entre ellos, el tubo se comportará como una viga sometida a las solicitaciones derivadas del peso de los lastres durante el flotamiento, el remolque de la tubería, las fuerzas hidrodinámicas de las corrientes y, posiblemente, el hundimiento de los lastres en un lecho suave. Para estimar la presión ejercida, se puede modelizar a la tubería entre dos muertos de hormigón como una viga simplemente apoyada, cargada uniformemente con una unidad de carga igual a la unidad de flotación de la tubería. Con este esquema, entonces, se limita la deformación (f) a un valor prefijado como admisible (fadm) y se calcula la longitud L, que será equivalente a la distancia entre lastres: Siendo: p = Peso unitario de la tubería. Para una viga simplemente apoyada, de sección anular, se define:

Momento Inercia Sección (Anillo) : 3

2er2J

+π= ; r =radio de la sección ; e = espesor

Flecha Máxima: J.E

L.p384

5f4

MAX = ; E = Módulo de Elasticidad del Material

p

L




3.3.2.2. Peso Necesario de los Muertos de Anclaje Existen dos consideraciones al determinar el peso para anclar adecuadamente los emisarios de PEAD:

A) Evitar la flotación y el movimiento horizontal debido a las corrientes en áreas fuera de la zona de rompiente del oleaje.

B) Prevenir el movimiento dentro de la zona de rompiente del oleaje durante las peores

condiciones de tormenta. Para el cálculo del peso de los muertos de anclaje, se utiliza el concepto de “Factor de Hundimiento”, el cual describe la fuerza total hacia abajo con relación a la fuerza total hacia arriba del sistema incluyendo la tubería, el contenido de la misma y las pesas de los lastres de hormigón. Este se usa como indicador de la estabilidad de la tubería y su resistencia a las diversas fuerzas hidrodinámicas ejercidas por el agua del cuerpo receptor. Se consideran adecuados, para el diseño, factores de hundimiento de entre 1,1 y 1,5. El peso de los lastres se calcula, entonces, según la siguiente fórmula:

( )

WcWmK1

WsWpWm.V.KSWa−

−−=

Siendo:

- Wa: Peso total de cada lastre en el aire (kg) - Ws: Peso unitario del contenido de las tubería (kg/m) - Wp: Peso unitario de la tubería (kg/m) - Wm: Densidad del agua del cuerpo receptor (kg/m3) - S: Distancia seleccionada entre los lastres - V: Unidad de volumen externo de la tubería por unidad de longitud (m3/m) - Wc: Densidad del hormigón (kg/m3) - K: Factor de Hundimiento

3.3.2.3. Diseño de los Muertos de Anclaje Los muertos de anclaje de los emisarios se fabrican usualmente en hormigón armado, debido a su densidad apropiada y a su durabilidad en agua. Existen muchos diseños, pero se prefiere el rectangular en vez del redondo para que el lastre no ruede cuando reciba fuerzas laterales de las corrientes o las olas. La selección del diseño debe basarse en:

• Facilidad de sujetar los lastres a las tuberías.

• Resistencia de los seguros a la corrosión del agua




Figura 9. Diseño típico de Lastres de Hormigón

• Facilidad de fundir el hormigón

En la Figura 9 se ilustra el diseño de un lastre de hormigón que es popular para las tuberías de PEAD de diámetro grande. La distancia entre lastres de este tipo está limitada por la disponibilidad del equipo de manejo, en vez de estarlo por la deflexión o deformación de la tubería. Se deben construir lastres mayores con orejas levantadoras fundidas en ellos, para facilitar su manejo y fijación a la tubería.

Es importante planificar que la fabricación de los lastres de hormigón se termine por lo menos un mes antes de la instalación del emisario, para permitir tiempo adecuado de curación. Se debe considerar el moldeo de los mismos en la costa de la zona donde se instalará el emisario, para evitar la manipulación y transporte innecesarios.

3.4. METODOLOGIA DE INSTALACIÓN PARA TUBERÍAS DE PEAD 3.4.1. FUSIÓN DE LOS TUBOS Y ACOPLE DE LOS MUERTOS DE ANCLAJE Las tuberías de PEAD, debido a su bajo peso y a su unión por fusión molecular, permiten una instalación mucha más ágil, mediante el concepto de “línea de ensamblaje”, que posibilita colocar la conducción completa en el agua tan pronto y fácilmente como sea posible.




Figura 11. Método para la colocación de los lastres

La metodología consiste en la unión de tuberías en tierra (utilizando alguno de los métodos de fusión existentes para tuberías de PEAD), conformando largas tiras. A estas tiras se les irán agregando los lastres (o muertos de anclaje) y, a medida que van quedando listos los tramos, se los va introduciendo en el agua, haciéndolos flotar. A medida que se va haciendo esto, entonces, se le irán fusionando nuevas tiras con lastres, de manera de conformar largos tramos flotantes (a veces la longitud entera del emisario).

Estos tramos serán trasladados flotando hasta destino y luego serán sumergidos mediante un procedimiento de hundimiento controlado, llenando la conducción con agua. En la utilización de este procedimiento se deberán tener en cuenta los siguientes cuidados:

• El emplazamiento para el montaje debe estar guarnecido del oleaje y las corrientes. • Mover y manipular los materiales lo menos posible, especialmente los lastres. • Colocar con exactitud los lastres de hormigón en los lugares apropiados de la tubería. • Poner los lastres ya acoplados de la tubería en el agua tan pronto como sea posible,

después de su acoplado, y con el menor manipuleo posible. • Mantener las medidas de seguridad para evitar cualquier posible riesgo.

Es importante que la metodología escogida para el montaje y la instalación de los lastres facilite la tarea al máximo. Un método que ha dado buenos resultados es construir una pista temporal con rieles desde la línea más alta de agua hasta la línea por debajo de la marea baja, haciendo una plataforma simple rodante para que corran por esta pista, llevando los lastres y la tubería hasta el agua. En la Figura 11 pueden verse un croquis y una foto de esta metodología:

Figura 10. Colocación por flotación




Figura 12. Proceso de Hundimiento

3.4.2. FLOTACIÓN, INMERSIÓN Y COLOCACIÓN DEL EMISARIO Los emisarios de PEAD son diseñados para flotar con los lastres de hormigón acoplados y la tubería llena de aire, y no flotar cuando se la llena con agua. Durante el proceso de flotación, el aire se retiene en la tubería por medio de un tapón plato bien sellado al final de la misma. Este tapón se acomoda con una válvula de aire de entrada/salida y luego se une al terminal de la tubería. Al soltar gradualmente el aire de esta válvula y permitir que el agua entre en el emisario, éste se hundirá hasta el fondo, comenzando por el extremo de la costa. La tasa de descenso puede controlarse por medio de la válvula de escape de aire en el terminal. Es importante que la tubería sea hundida desde la orilla hacia el terminal para prevenir el entrampamiento de aire en una punta alta. Se necesitarán botes para remolcar la tubería fuera de la orilla mientras se ensamblan y acoplan los lastres, a fin de ubicarla adecuadamente para luego sumergirla. Por regla general, se requiere una lancha cada 100 mts de tubería. Sin embargo, el número de lanchas dependerá de las condiciones del mar.




Se ubican varias lanchas, a intervalos a lo largo de la tubería, a favor de la corriente para jalar la tubería a su ubicación. Durante el hundimiento, la lancha al final de la tubería opera la válvula de escape de aire. Por otro lado, normalmente, se requieren 3 lanchas de colocación en las cercanías de la sección que se va a hundir. Es importante tener en cuenta que será más fácil permitir que la tubería se doble con la corriente, poniéndola gradualmente en su sitio a lo largo de la ruta mientras se está hundiendo. Se deberá contar con buzos cerca de la tubería que se comuniquen con las 3 o 4 lanchas de instalación que la remolcan hasta su ubicación y con la que está al final dejando salir el aire. Los buzos informarán a las lanchas en qué dirección (izquierda o derecha) deberán mover la tubería o si deben sostenerla, de manera de mantenerla alineada mientras se deja posar en el lecho, y también informan al operador de salida del aire cuándo dejarlo salir para que la tubería descienda. El aire se deja salir en una serie de pequeños tiros con lapsos suficientes entre los tiros para recibir la comunicación de los buzos. Es preferible soltar el aire muy despacio y no rápidamente.

3.5. VERIFICACIÓN ESTRUCTURAL DE LA TUBERÍA DURANTE EL PROCESO DE INMERSIÓN

3.5.1. GENERALIDADES El proceso de inmersión genera esfuerzos importantes sobre la tubería, originados en las deformaciones impuestas a la misma para colocarla en el fondo. Los esfuerzos dependerán de los medios disponibles en la obra y del método empleado por el constructor. En principio, cuando se transporta la conducción flotando hasta su posición final, es importante no forzar la alineación en planta de la tubería en flotación, con objeto de no producir excesivas tensiones. Por otro lado, durante el posicionamiento de la tubería sobre la zanja será necesaria su colocación perpendicular a las corrientes, con lo que el tubo se ve sometido a un empuje horizontal, cuyas consecuencias deben ser evaluadas (este hecho no es objeto de este informe). Para evitar tensiones excesivas en el tubo durante el fondeo se recomienda controlar la cantidad de agua introducida en el tubo. En casos de gran calado, resulta necesario aplicar una tensión horizontal al tubo para reducir las tensiones que aparecen en el mismo. Otro medio de reducir las tensiones en el tubo es el uso de un “stinger”. Este consiste en un trampolín o rampa por el que desciende el tubo hacia el fondo marino, con lo que se controla el radio de curvatura del trazado del tubo.




El cálculo de los esfuerzos puede realizarse como si se tratara de una doble catenaria, cuando el calado es grande y la rigidez, pequeña. En caso contrario, es necesario calcular con precisión la deformada que adquiere el tubo en cada fase del fondeo. Para emplear este método es necesario que el tubo sea de gran flexibilidad, como es nuestro caso. Este método precisa condiciones de mar en calma más exigentes que en el caso de construcción por otros métodos, como es el de arrastre por fondo. 3.5.2. UNION DE TRAMOS Existen dos alternativas de unión de tramos:

− Unión de tramos en el fondo. − Unión de tramos en superficie.

3.5.2.1. Unión de tramos en el fondo El tramo que está en el fondo permanece fijo en su situación final. El nuevo tramo a unir se transporta flotando, lleno de aire, hasta la zona de unión. Se introduce progresivamente agua por un extremo, con lo que empieza su hundimiento por dicho extremo (en el extremo contrario, la válvula de aire permanece ligeramente abierta para permitir su salida). En un momento dado, el tubo toca el fondo y su extremo va inclinándose hasta que descansa en cierta longitud sobre el lecho marino, mientras que el otro extremo flotará sobre la superficie. En este instante se procede a la unión de ambos tramos, abriéndose las bridas ciegas, acercándose ambos extremos y ejecutando la brida de unión de los mismos. Lógicamente, la válvula de salida del aire debe estar cerrada para mantener fijada la posición del nuevo tramo. Una vez que ya se han llevado los dos extremos a la posición buscada, se prosigue la inundación del emisario, con lo que éste va hundiéndose y apoyando en el fondo.

3.5.2.2. Unión de tramos en superficie El tramo que está en el fondo es reflotado introduciendo aire por un extremo en cantidad suficiente para que aparezca una gran longitud en la superficie. El nuevo tramo a unir es transportado flotando sobre el mar y llevado a la zona de unión. Lógicamente este tubo está lleno de aire. Los extremos de ambos tramos son izados a una plataforma de trabajo donde las bridas ciegas son eliminadas y los extremos embridados, confiriendo continuidad longitudinal al tubo.




El conjunto es devuelto a la superficie marina. Introduciendo más agua en el tubo, el conjunto desciende progresivamente y la “S” que se forma entre la superficie y el fondo del mar avanza hacia el extremo de mar, hasta que el tubo desaparece de la superficie y apoya en el fondo marino. Lógicamente, realizar la unión al aire facilita la operación y garantiza una mayor calidad final de la junta. 3.5.3. DESCRIPCIÓN DE LOS ESFUERZOS EN LAS DISTINTAS FASES DE FONDEO La idea es exponer los momentos flectores que se generan en el tubo durante su hundimiento, teniendo en cuenta su peso, empujes hidrostáticos y reacción vertical en el fondeo. El esfuerzo cortante podría obtenerse por derivación de la ley de momentos flectores. Sin embargo, las tensiones cortantes son muy inferiores a las axiales.

3.5.3.1. Unión de tramos en el fondo

En el proceso de fondeo, el tubo pasa por las fases que se muestran en las figuras adjuntas, las cuales dan lugar a unos momentos flectores, que pueden tomar valores excesivos, generados por las cargas verticales de flotación y de peso propio del tubo. Las fases son las siguientes: Fase 1) Tubo flotando en la superficie: el tubo está vacío y permanece recto, sin ningún esfuerzo, sobre la superficie marina, salvo los debidos a los empujes horizontales. Fase 2) Se introduce agua en el interior del tubo, por lo que su extremo comienza a hundirse. El tubo se comporta como una ménsula en la que su extremo está cargado hacia abajo y el resto cargado hacia arriba. El instante desfavorable sucede justo antes de tocar el fondo. Puede darse el caso de que, debido a la profundidad, sea necesario aplicar un tiro horizontal en esta fase. Fase 3) Cuando la cantidad de agua en el interior del tubo es suficiente, el extremo del mismo toca el fondo, inclinándose a medida que la longitud inundada aumenta. Gracias a la reacción vertical, los momentos flectores se reducen, respecto del instante anterior al contacto. Fase 4) Llega un momento en que el tubo apoya longitudinalmente sobre el fondo. Según va incrementándose la longitud inundada, aumenta la longitud apoyada en el fondo, con lo que la “S” que se forma entre éste y la superficie del mar va desplazándose. La forma de esta “S” y la altura hasta la que llega el agua del tubo se mantienen constantes, sufriendo solamente un desplazamiento horizontal. Lo mismo sucede con las cargas y la ley de momentos flectores. Es este momento el instante en el que se procede a unir los tramos nuevos a la Central de Recuperación de Energía existente.




Figura 13. Fases de fondeo por inundación progresiva

Fase 5) Tubo por debajo de la superficie del mar: según va ingresando agua en el tubo, la longitud vista en la superficie disminuye hasta que el tubo abandona la misma. Dado que hay una parte todavía llena de aire, el tubo presenta una longitud por encima del fondo marino. Si el tubo fuese muy rígido, el extremo podría incluso asomar por encima de la superficie. Es una de las fases más determinantes respecto al cálculo de esfuerzos. El tubo se comporta como una ménsula con su parte extrema cargada hacia arriba y la parte cercana al fondo cargada hacia abajo.

Fase 6) Tubo sobre el fondo: cuando no queda aire dentro del tubo, éste descansa completamente apoyado sobre el fondo, con lo que no aparecen esfuerzos, salvo los debidos a posibles curvaturas del fondo.




Figura 14. Momentos generados durante el fondeo por inundación progresiva

3.5.3.2. Unión de tramos en superficie Los estados tensionales que sufre el tubo son similares a los del caso de unión de los tramos en el fondo. En primer lugar, el tubo está sobre el fondo (fase 6). Al introducirle aire, su extremo asciende (fase 5) hasta que aparece en la superficie y forma la característica “S” (fase 4). En este momento, se iza el tubo a una plataforma de trabajo, donde se unirá al siguiente tramo, que permanecía flotando en la superficie. (Estaba en fase 1). Si la plataforma está suficientemente baja y la longitud del tubo en la superficie del mar es suficientemente grande antes de izarlo a la plataforma, los esfuerzos en esta fase son similares a los de la fase 4. Tras realizarse la unión, el conjunto formado por los dos tramos es dejado sobre la superficie del mar, con lo que la forma de la curva vuelve a ser la correspondiente a la fase 4. Para evitar tensiones locales y esfuerzos excesivos durante los izados, es siempre imprescindible el empleo de un balancín con eslingas adecuadas. A medida que el agua inunda el tubo, la “S” se desplaza hacia el extremo vacío. Llega un momento en que el extremo vacío desaparece de la superficie (fase 5), hundiéndose hasta que apoya en el fondo (fase 6). 3.5.4. EL PANDEO O ABOLLADURA (“BUCKLING”) El fenómeno de la posible abolladura o pandeo sucede cuando la presión exterior al tubo es mayor que la interior. Debido a los fenómenos de segundo orden, la resistencia del tubo a la presión exterior es mucho menor que la resistencia a la interior. Basta señalar que un tubo, por ejemplo, de PN4, con tensión de diseño de 5MPa, que resistiría una presión interior de 4




atmósferas (a tiempo infinito) sólo sería capaz de resistir una sobrepresión exterior de 0,5 atmósferas (en un tiempo de 2 horas). Por ello, debemos controlar en todo momento la presión existente en el interior del tubo. La gran flexibilidad de los tubos de PE, que favorece la ejecución del fondeo, tiene sin embargo un efecto negativo sobre la abolladura. Además, dado que el módulo de elasticidad del PE se reduce con el paso del tiempo, cualquier parada durante el proceso de fondeo agrava la situación del tubo. En este caso, resulta muy ventajosa la tubería de pared perfilada debido a que, gracias a la costilla aportada a la pared sólida, se consigue un importante aumento de la rigidez circunferencial de la tubería, que finalmente conlleva un mejor comportamiento frente a los esfuerzos de abolladura.

3.5.5. MÉTODOS PARA REDUCIR LOS ESFUERZOS EN FONDEO

Los esfuerzos producidos durante la instalación del emisario pueden poner en peligro la integridad del mismo, sobre todo en el caso de grandes profundidades. Por lo general, las tensiones originadas en el proceso de instalación son mucho mayores que en su ubicación definitiva, durante su funcionamiento. A continuación se describen distintas alternativas para reducir las tensiones debidas a los esfuerzos longitudinales cuando se instala el emisario en el fondo por el método de flotación y fondeo progresivo mediante inundación:

− Tiro horizontal: La aplicación de un tiro horizontal reduce la curvatura del emisario. De esta forma, por ejemplo, la “S” generada entre el fondo y la superficie aumenta su longitud y queda suavizada.

− Empleo de stinger: El stinger es una rampa o tobogán por el que se hace descender al emisario hacia el fondo. De esta forma, se suaviza la “S” y se reducen los esfuerzos. Este método exige que todo el tubo vaya pasando por encima de la pontona de trabajo. Por ello, resulta especialmente adecuado en el caso de que los tubos se unan, no en tierra, sino sobre una pontona. El stinger, además, tiene un efecto muy favorable sobre la abolladura.

− Variación del peso sumergido del emisario: puede optimizarse el mismo mediante el empleo de flotadores. Reducir el peso sumergido resulta muy positivo para reducir las tensiones de abolladura. De todos modos, el peso escogido debe ser suficiente para eliminar el deslizamiento de la tubería por el empuje de la corriente generada por el oleaje.

Tubos Krah en Emisarios Submarinos

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