Sistemas Estructurales · 5.2.2 Diseño estructural para los módulos integrados ..... 12 5.2.3...

Sistemas Estructurales:Plataformas petrolíferas

Instituto Técnicode la Estructuraen Acero

I T E A

17

ÍNDICE DEL TOMO 17

SISTEMAS ESTRUCTURALES: PLATAFORMAS PETROLÍFERAS

Lección 17.1: Plataformas petrolíferas: Introducción general ............ 1

1 INTRODUCCIÓN ............................................................................................. 4

2 PLATAFORMAS PETROLÍFERAS ................................................................. 6

2.1 Introducción a los tipos básicos ......................................................... 6

2.2 Entorno ................................................................................................... 6

2.3 Construcción ......................................................................................... 7

2.4 Reglamentos .......................................................................................... 7

2.5 Certificación e inspección de garantía ............................................... 7

3 EXPLOTACIÓN DE UN YACIMIENTO DE PETRÓLEO/GAS MEDIANTE PLATAFORMAS .......................................................................... 8

3.1 Introducción ........................................................................................... 8

3.2 Plataforma cimentada sobre jacket para aguas poco profundas .... 8

3.3 Plataforma cimentada sobre estructura de hormigón ...................... 9

4 JACKETS Y CIMENTACIÓN SOBRE PILOTES ............................................ 10

4.1 Introducción ........................................................................................... 10

4.2 Cimentación sobre pilotes ................................................................... 10

4.3 Resistencia de apoyo de los pilotes ................................................... 11

4.4 Protección frente a la corrosión .......................................................... 11

5 MÓDULOS SUPERIORES .............................................................................. 12

5.1 Introducción ........................................................................................... 12

5.2 Módulos superiores cimentados sobre jackets ................................. 12

5.2.1 Conceptos .................................................................................. 12

I

ÍNDICE

5.2.2 Diseño estructural para los módulos integrados .................. 12

5.2.3 Diseño estructural para los módulos superiores fundados sobre jacket .............................................................. 13

5.3 Diseño para los módulos superiores cimentados sobre estructura de hormigón ........................................................................ 13

6 EQUIPOS Y MÓDULOS DE VIVIENDA ........................................................ 14

7 CONSTRUCCIÓN .......................................................................................... 15

7.1 Introducción ........................................................................................... 15

7.2 Construcción de jackets, módulos, instalaciones y equipos ........... 15

7.2.1 Jackets instaladas con grúa .................................................... 15

7.2.2 Jackets instaladas mediante lanzamiento .............................. 15

7.2.3 Módulos, instalaciones y equipos sobre estructura de hormigón (EBG) ................................................................... 15

7.2.4 Módulos de jackets ................................................................... 16

7.3 Levantamientos en alta mar ................................................................. 16

7.3.1 Buque grúa ................................................................................ 17

7.3.2 Disposición de las eslingas, eslingas y grilletes ................... 17

7.4 Transporte marítimo y sujeción durante el mismo ............................ 18

7.5 Izado a bordo ......................................................................................... 19

7.5.1 Introducción ............................................................................... 19

7.5.2 Deslizamiento ............................................................................ 19

7.5.3 Plataformas remolque ............................................................... 19

7.5.4 Cabrias en A o grúas tipo Manitowoc ..................................... 20

7.6 Desmontaje de plataformas en desuso .............................................. 20

8 ANÁLISIS ESTRUCTURAL ........................................................................... 21

8.1 Introducción ........................................................................................... 21

8.2 Fase en la obra ...................................................................................... 21

8.3 Fase de construcción ........................................................................... 21

9 ASPECTOS DE COSTES .............................................................................. 22

9.1 Introducción ........................................................................................... 22

9.2 Inversión de Capital (CAPEX) .............................................................. 22

9.3 Gastos de explotación (OPEX) ............................................................ 22

10 EXPLOTACIONES EN AGUAS PROFUNDAS .............................................. 23

11 RESUMEN FINAL .......................................................................................... 24

II

12 GLOSARIO DE TÉRMINOS .......................................................................... 24

13 BIBLIOGRAFÍA .............................................................................................. 25

14 BIBLIOGRAFÍA ADICIONAL ......................................................................... 25

Lección 17.2: Cargas I: Introducción y cargas de entorno ................. 27

1 INTRODUCCIÓN ............................................................................................. 30

2 CARGAS DEL ENTORNO .............................................................................. 31

2.1 Cargas del viento .................................................................................. 31

2.2 Cargas oscilantes ................................................................................. 32

2.2.1 Teorías de ondas ....................................................................... 32

2.2.2 Estadística de la ola .................................................................. 35

2.2.3 Fuerzas del oleaje sobre los elementos de construcción .... 36

2.3 Las cargas de las corrientes ................................................................ 39

2.4 Cargas de los seísmos ......................................................................... 39

2.5 Cargas de hielo y nieve ........................................................................ 41

2.6 Cargas debidas a las variaciones de la temperatura ........................ 41

2.7 Desarrollo de la vida marina ................................................................ 41

2.8 Mareas .................................................................................................... 42

2.9 Movimiento del lecho marino ............................................................... 42

3 RESUMEN FINAL ........................................................................................... 43

4 BIBLIOGRAFÍA ............................................................................................... 43

Lección 17.3: Cargas II: Otras cargas ................................................... 45

1 CARGAS PERMANENTES (PROPIAS) ......................................................... 48

2 CARGAS OPERATIVAS (DINÁMICAS) ......................................................... 49

3 CARGAS PRODUCIDAS DURANTE LA FABRICACIÓN Y EL MONTAJE ...... 51

3.1 Fuerzas verticales ascendentes .......................................................... 51

3.2 Fuerzas de izado ................................................................................... 53

3.3 Fuerzas del transporte ......................................................................... 53

3.4 Fuerzas de lanzamiento y de posicionamiento en vertical .............. 55

III

ÍNDICE

4 CARGAS ACCIDENTALES ............................................................................ 57

5 COMBINACIONES DE CARGAS ................................................................... 58

6 RESUMEN FINAL ........................................................................................... 60

7 BIBLIOGRAFÍA ............................................................................................... 60

8 BIBLIOGRAFÍA ADICIONAL .......................................................................... 60

Lección 17.4: Análisis I ........................................................................... 61

1 INTRODUCCIÓN ............................................................................................. 64

2 MODELO ANALÍTICO .................................................................................... 65

2.1 Cálculo de vigas (Stick model) ............................................................ 65

2.1.1 Uniones ...................................................................................... 65

2.1.2 Elementos .................................................................................. 65

2.2 Modelos de chapa ................................................................................. 65

3 CRITERIOS DE ACEPTACIÓN ....................................................................... 66

3.1 Verificación de los reglamentos .......................................................... 66

3.2 Método de la tensión admisible ........................................................... 66

3.3 Método del estado límite ...................................................................... 66

3.3.1 Coeficientes de ponderación ................................................... 67

3.3.2 Coeficientes del material .......................................................... 68

3.3.3 Clasificación de las condiciones de diseño ........................... 68

4 DIMENSIONAMIENTO PRELIMINAR DE LAS BARRAS .............................. 69

4.1 Magnitudes de los pilotes de la jacket ............................................... 69

4.2 Magnitudes de las patas de la plataforma .......................................... 69

4.3 Arriostramientos de la jacket ............................................................... 69

4.4 Arriostramiento del módulo ................................................................. 69

5 ANÁLISIS ESTÁTICO IN SITU ....................................................................... 70

5.1 Modelo estructural ................................................................................ 70

5.1.1 Modelo principal ........................................................................ 70

5.1.2 Equipos accesorios .................................................................. 70

5.1.3 Modelo de la cimentación ........................................................ 70

5.2 Cargas .................................................................................................... 70

5.2.1 Cargas gravitatorias .................................................................. 70

5.2.2 Cargas del entorno ................................................................... 70

5.3 Combinaciones de cargas .................................................................... 71

IV

6 ANÁLISIS DINÁMICO ..................................................................................... 72

6.1 Modelo dinámico ................................................................................... 72

6.2 Ecuaciones de movimiento .................................................................. 72

6.2.1 Masa ........................................................................................... 72

6.2.2 Amortiguamiento ....................................................................... 72

6.2.3 Rigidez ........................................................................................ 73

6.3 Frecuencias y perfiles del modo vibratorio libre ............................... 73

6.4 Método de superposición modal ......................................................... 73

6.4.1 Análisis del dominio de la frecuencia ..................................... 74

6.4.2 Análisis espacio temporal ........................................................ 74

6.5 Métodos de integración directa ........................................................... 74

7 RESUMEN FINAL ........................................................................................... 76

Lección 17.5: Análisis II .......................................................................... 77

1 ANÁLISIS DE FATIGA .................................................................................... 80

1.1 Modelo de fatiga .................................................................................... 80

1.1.1 Modelo estructural .................................................................... 80

1.1.2 Modelo de la carga hidrodinámica .......................................... 80

1.1.3 Modelo de la tensión en los nudos ......................................... 80

1.1.4 Modelo de los daños por fatiga ............................................... 80

1.1.5 Expresión de forma cerrada ..................................................... 81

1.2 Análisis determinista ............................................................................ 81

1.3 Análisis espectral .................................................................................. 81

1.4 Fatiga debida al viento ......................................................................... 82

1.4.1 Rachas de viento ....................................................................... 82

1.4.2 Remolinos .................................................................................. 82

2 CONDICIONES ANORMALES Y ACCIDENTALES ....................................... 83

2.1 Análisis de seísmos .............................................................................. 83

2.1.1 Modelo ........................................................................................ 83

2.1.2 Requisitos de ductilidad ........................................................... 83

2.1.3 Método de análisis .................................................................... 83

2.2 Impacto ................................................................................................... 83

V

ÍNDICE

2.2.1 Impacto de objeto caído/buque ............................................... 84

2.2.2 Explosión e incendio ................................................................ 84

2.3 Colapso progresivo ............................................................................... 84

3 EMBARQUE Y TRANSPORTE ....................................................................... 85

3.1 Embarque ............................................................................................... 85

3.1.1 Deslizamiento ............................................................................ 85

3.1.2 Izado a bordo mediante remolque ........................................... 85

3.2 Transporte .............................................................................................. 85

3.2.1 Modelo de arquitectura naval ................................................... 85


4 MONTAJE ........................................................................................................ 86

4.1 Lanzamiento .......................................................................................... 86

4.1.1 Modelo de arquitectura naval ................................................... 86


4.2 Posicionamiento en vertical ................................................................. 86

4.3 Amarre .................................................................................................... 86

4.4 Estabilidad sin el apoyo de los pilotes ............................................... 86

4.5 Pilotaje .................................................................................................... 86

4.6 Levantamiento ....................................................................................... 87

4.6.1 Modelo ........................................................................................ 87

4.6.2 Coeficientes de diseño ............................................................. 87

4.6.2.1 Coeficiente de ponderación de cargas (CPC) ........... 87

4.6.2.2 Coeficiente de amplificación dinámico (CAD) .......... 87

4.6.2.3 Coeficiente del efecto de la inclinación ..................... 87

4.6.2.4 Coeficiente del efecto de la rotación de la barcaza (CER) ...................................................... 88

4.6.3 Coeficientes de consecuencias ............................................... 88

5 ANÁLISIS Y DISEÑO LOCAL ........................................................................ 89

5.1 Uniones pilote/camisa .......................................................................... 89

5.2 Elementos situados en la zona de salpicaduras ............................... 89

5.3 Nudos reforzados .................................................................................. 89

5.4 Equipos accesorios .............................................................................. 89

5.4.1 Tubería de conducción de petróleo (raisers), caissons y tubos en J ............................................................................... 89

5.4.2 Conductores o guías ................................................................ 89

VI

5.5 Helipuerto .............................................................................................. 90

5.6 Elementos de las antorchas ................................................................. 90

6 RESUMEN FINAL ........................................................................................... 91

7 BIBLIOGRAFÍA ............................................................................................... 91

Lección 17.6: Cimentaciones ................................................................. 93

1 INTRODUCCIÓN ............................................................................................. 96

1.1 Clasificación de los suelos .................................................................. 96

1.2 Suelos granulares ................................................................................. 96

1.3 Suelos cohesivos .................................................................................. 96

1.4 Estratos formados por varias capas ................................................... 96

2 DISEÑO ........................................................................................................... 97

2.1 Cargas de diseño .................................................................................. 97

2.1.1 Cargas gravitatorias .................................................................. 97

2.1.2 Cargas del entorno ................................................................... 97

2.1.3 Combinaciones de cargas ........................................................ 97

2.2 Resistencia axial estática del pilote .................................................... 97

2.2.1 Fricción lateral a lo largo del cuerpo (fricción del cuerpo) .................................................................. 98

2.2.2 Esfuerzo en el apoyo ................................................................ 98

2.2.3 Penetración del pilote ............................................................... 98

2.3 Resistencia lateral del pilote ................................................................ 98

2.3.1 Curvas P-y .................................................................................. 98

2.3.2 Análisis lateral del pilote .......................................................... 98

2.4 Hincamiento del pilote .......................................................................... 98

2.4.1 Fórmulas empíricas .................................................................. 99

2.4.2 Ecuación de onda ..................................................................... 99

3 DIFERENTES TIPOS DE PILOTE .................................................................. 100

3.1 Pilotes hincados .................................................................................... 100

3.2 Pilotes insertados ................................................................................. 100

3.3 Pilotes perforados y rellenados mediante inyección ........................ 101

3.4 Pilotes acampanados ........................................................................... 101

VII

ÍNDICE

4 FABRICACIÓN E INSTALACIÓN ................................................................... 102

4.1 Fabricación ............................................................................................ 102

4.2 Transporte .............................................................................................. 102

4.2.1 Transporte en barcaza .............................................................. 102

4.2.2 Modo de auto flotación ............................................................. 102

4.2.3 Transporte dentro de la jacket ................................................. 102

4.3 Martinetes .............................................................................................. 102

4.3.1 Martinetes de vapor .................................................................. 102

4.3.2 Martinetes diesel ....................................................................... 104

4.3.3 Martinetes hidráulicos .............................................................. 104

4.4 Instalación .............................................................................................. 104

4.4.1 Manejo y colocación de los pilotes ......................................... 104

4.4.2 Uniones del pilote ..................................................................... 104

4.4.3 Colocación del martinete ......................................................... 108

4.4.4 Hincamiento ............................................................................... 109

4.5 Uniones pilote/jacket ............................................................................ 109

4.5.1 Calzas soldadas ........................................................................ 109

4.5.2 Sistema de bloqueo mecánico ................................................. 109

4.5.3 Hormigonado ............................................................................. 110

4.6 Control de calidad ................................................................................. 110

4.7 Plan de emergencia .............................................................................. 111

5 RESUMEN FINAL ........................................................................................... 114

6 BIBLIOGRAFÍA ............................................................................................... 114


Problema Resuelto 17.1: Cimentaciones .............................................. 115

1 RESUMEN ....................................................................................................... 119

2 HIPÓTESIS GENERALES .............................................................................. 119

2.1 Perfil asumido de las curvas ............................................................... 121

2.2 Presión de sobrecarga ......................................................................... 122

3 MODELO (véase también la figura 1) .......................................................... 122

3.1 Tamaño del pilote .................................................................................. 122

VIII

3.2 Características del sustrato ................................................................. 122

3.2.1 Capa de arcilla blanda .............................................................. 122

3.2.2 Capa de arcilla dura .................................................................. 122

3.2.3 Capa de arena ............................................................................ 122

3.3 Cargas sobre el pilote en el nivel del lodo ......................................... 122

4 CAPA DE ARCILLA BLANDA ........................................................................ 124

4.1 Curvas P-Y ............................................................................................. 124

4.1.1 Expresiones generales ............................................................. 124

4.1.2 Curva p-y típica ......................................................................... 125

4.2 Curvas t-z ............................................................................................... 126


4.2.2 Curva t-z típica .......................................................................... 127

4.3 Curvas de la interacción suelo/pilote ................................................. 128

5 CAPA DE ARCILLA DURA ............................................................................. 129

5.1 Curvas P-Y ............................................................................................. 129


5.1.2 Curva p-y típica ......................................................................... 130

5.2 Curvas t-z ............................................................................................... 131


5.2.2 Curva t-z típica .......................................................................... 131


6 CAPA DE ARENA ........................................................................................... 132

6.1 Curvas P-Y ............................................................................................. 132


6.1.2 Curva p-y típica ......................................................................... 133

6.2 Curvas t-z ............................................................................................... 134


6.2.2 Curva t-z típica .......................................................................... 134


6.4 Resistencia de la punta ........................................................................ 135

7 DESPLAZAMIENTOS Y FUERZAS EN EL PILOTE ...................................... 138

7.1 Modelo viga-pilar utilizando ecuaciones diferenciales ..................... 138

7.1.1 Comportamiento axial .............................................................. 138

7.1.2 Comportamiento lateral ............................................................ 138

IX

ÍNDICE

7.2 Modelo viga-pilar utilizando el procedimiento de la diferencia finita ............................................................................ 139

7.3 Resultados del cálculo de la diferencia finita .................................... 140

7.3.1 Comportamiento axial .............................................................. 140

7.3.2 Comportamiento lateral ............................................................ 141

7.3.3 Acción combinada (efecto de segundo orden) ...................... 141

8 BIBLIOGRAFÍA ............................................................................................... 143

Lección 17.7: Uniones tubulares en estructuras petrolíferas ............. 145

1 INTRODUCCIÓN ............................................................................................. 148

2 DEFINICIONES ............................................................................................... 149

2.1 Definiciones geométricas ..................................................................... 149

2.2 Índices geométricos ............................................................................. 150

3 CLASIFICACIÓN ............................................................................................. 151

3.1 Uniones en T y en Y .............................................................................. 151

3.2 Uniones en X ......................................................................................... 151

3.3 Uniones en N y en K ............................................................................. 151

3.4 Uniones en KT ....................................................................................... 152

3.5 Limitaciones .......................................................................................... 152

3.6 Cómo clasificar una unión ................................................................... 152

4 SEPARACIÓN Y SOLAPE .............................................................................. 153

4.1 Definiciones ........................................................................................... 153

4.2 Limitaciones .......................................................................................... 153

4.3 Uniones multiplanares .......................................................................... 153

5 DISPOSICIÓN DE LAS UNIONES ................................................................. 154

6 RESISTENCIA ESTÁTICA .............................................................................. 155

6.1 Cargas tenidas en consideración ........................................................ 155

6.2 Esfuerzo cortante de perforación ........................................................ 155

6.2.1 Esfuerzo cortante de perforación actuante ............................ 155

6.2.2 Esfuerzo cortante de perforación admisible .......................... 155

6.2.3 El método API ............................................................................ 156

6.3 Uniones de solapamiento ..................................................................... 157

X

6.4 Uniones reforzadas ............................................................................... 158

6.4.1 Definición ................................................................................... 158

6.4.2 Rigidización circular ................................................................. 158

7 CONCENTRACIÓN DE TENSIONES ............................................................ 159

7.1 Coeficiente de la concentración de tensiones ................................... 159

7.2 Ecuación de Kellog ............................................................................... 159

7.3 Fórmulas paramétricas ......................................................................... 159

7.3.1 Ecuaciones de Kuang para uniones en T/Y [4] ...................... 160

7.3.2 Ecuaciones de Kuang para uniones en K [4] ......................... 160

7.3.3 Ecuaciones de Kuang para uniones en KT [4] ....................... 160

8 ANÁLISIS DE FATIGA ................................................................................... 161

8.1 Rango de tensión nominal ................................................................... 161

8.1.1 Histograma de la ola ................................................................. 161

8.1.2 Carreras de tensión nominales ................................................ 161

8.2 Carreras de tensión del punto crítico ................................................. 161

8.3 Curvas S-N ............................................................................................. 162

8.4 Índice de los daños de fatiga acumulativos ....................................... 162

9 RESUMEN FINAL .......................................................................................... 163

10 BIBLIOGRAFÍA .............................................................................................. 163

Problema Resuelto 17.2: Uniones .......................................................... 165

1 RESUMEN ....................................................................................................... 168

2 DESCRIPCCIÓN GEOMÉTRICA .................................................................... 169

3 TERMINOLOGÍA ............................................................................................. 170

4 CARGAS ......................................................................................................... 171

5 CÁLCULO DEL CIZALLAMIENTO DE PUNZONAMIENTO .......................... 172

5.1 Tensión tangencial de perforación actuante ...................................... 172

5.2 Tensión tangencial de punzonamiento admisible ............................. 173

5.2.1 Definición y cálculos numéricos de Qt ................................... 173

5.2.2 Definición y cálculos numéricos de Qq .................................. 174

5.2.3 Cálculos de vpa ......................................................................... 176

5.3 Combinación de todos los datos ........................................................ 177

6 DESCRIPCIÓN GEOMÉTRICA ...................................................................... 179

XI

ÍNDICE

7 CARRERA DE LA TENSIÓN NOMINAL ........................................................ 181

8 COEFICIENTE DE CONCENTRACIÓN DE TENSIONES (CCT) ................... 182

9 SÍNTESIS DE CARGA .................................................................................... 185

Lección 17.8: Fabricación ....................................................................... 187

1 INTRODUCCIÓN ............................................................................................. 190

1.1 Fases de construcción ......................................................................... 190

1.2 Filosofía de la construcción ................................................................ 190

2 INGENIERÍA DE LA EJECUCIÓN .................................................................. 193

3 FABRICACIÓN ................................................................................................ 196

3.1 Procesos de fabricación ....................................................................... 196

3.2 Fabricación de los nudos ..................................................................... 198

3.3 Subconjuntos de la jacket .................................................................... 199

3.4 Control dimensional .............................................................................. 199

4 MONTAJE Y ELEVACIÓN DE LA JACKET ................................................... 201

4.1 Montaje de la jacket .............................................................................. 201

4.2 Elevación de la jacket ........................................................................... 202

5 RESUMEN FINAL ........................................................................................... 206

6 BIBLIOGRAFÍA ............................................................................................... 206


APÉNDICE 1 ........................................................................................................ 207

Lección 17.9: Instalación ........................................................................ 211

1 INTRODUCCIÓN ............................................................................................. 214

1.1 Fases del proyecto ................................................................................ 214

1.2 Filosofía de la construcción ................................................................ 214

1.3 Programación de la instalación ........................................................... 216

2 IZADO A BORDO Y AMARRE MARÍTIMO .................................................... 218

3 TRANSPORTE MARÍTIMO ............................................................................. 221

4 INSTALACIÓN EN EL EMPLAZAMIENTO MARINO ..................................... 223

4.1 Retirada de la jacket de la barcaza ..................................................... 223

XII

4.1.1 Lanzamiento .............................................................................. 223

4.1.2 Levantamiento ........................................................................... 224

4.2 Posicionamiento en vertical y colocación sobre el lecho marino de la jacket ............................................................................................. 225

4.2.1 Posicionamiento en vertical mediante control del lastrado e inundación ......................................................... 225

4.2.2 Posicionamiento en vertical mediante la utilización de buque grúa ............................................................................ 227

4.3 Estabilidad sobre el lecho marino ....................................................... 229

5 RESUMEN FINAL ........................................................................................... 231

6 BIBLIOGRAFÍA ............................................................................................... 231


Lección 17.10: Superestructuras I ......................................................... 233

1 INTRODUCCIÓN ............................................................................................. 236

2 ASPECTOS BÁSICOS DEL DISEÑO ............................................................ 238

2.1 Espacio y elevaciones .......................................................................... 238

2.2 Requisitos de la distribución ............................................................... 238

2.3 Cargas .................................................................................................... 239

2.4 Control de interconexiones .................................................................. 240

2.5 Ingeniería de pesaje .............................................................................. 240

3 SISTEMAS ESTRUCTURALES ...................................................................... 242

3.1 Selección del módulo para las estructuras principales soportadas en jackets .......................................................................... 242

3.2 Selección de los módulos sobre estructuras de hormigón (EBG) ............................................................................... 242

3.3 Tipos de piso ......................................................................................... 243

3.4 Tipos de paneles de piso para pisos con aceros convencionales ..................................................................................... 244

3.5 Estabilización del piso .......................................................................... 244

4 DISEÑO DE LA CUBIERTA ............................................................................ 245

4.1 Introducción ........................................................................................... 245

4.2 Chapa del piso ....................................................................................... 245

4.3 Trancaniles ............................................................................................. 246

XIII

ÍNDICE

4.4 Baos de cubierta ................................................................................... 246

4.5 Arriostramiento horizontal ................................................................... 248

5 RESUMEN FINAL ........................................................................................... 250

6 BIBLIOGRAFÍA ............................................................................................... 250


Lección 17.11: Superestruturas II .......................................................... 251

1 INTRODUCCIÓN ............................................................................................. 254

2 DISEÑO DE LA ESTRUCTURA PRINCIPAL ................................................. 255

2.1 Introducción ........................................................................................... 255

2.2 Diseño del pórtico de la estructura principal .................................... 255

2.3 Diseño de las vigas de celosía de la estructura principales ................................................................. 256

2.4 Diseño de los cerramientos resistentes de las estructuras principales ............................................................................................. 257

2.5 Paredes sin carga ................................................................................. 258

2.6 Soportes de las grúas .......................................................................... 258

3 ANÁLISIS DE LAS ESTRUCTURAS DEL MÓDULO .................................... 260

3.1 Introducción ........................................................................................... 260

3.2 Diseño de las vigas compuestas ......................................................... 260

3.3 Resistencia de las uniones .................................................................. 260

3.4 Puntos para el levantamiento .............................................................. 261

3.5 Diseño del piso ...................................................................................... 261

3.6 Soportes para los módulos .................................................................. 262

4 CONSTRUCCIÓN ............................................................................................ 263

4.1 Introducción ........................................................................................... 263

4.2 Fabricación ............................................................................................ 262

4.2.1 Operaciones ............................................................................... 263

4.2.2 Aspectos del diseño ................................................................. 263

4.3 Pesaje ..................................................................................................... 263

4.4 Embarque ............................................................................................... 263

4.4.1 Operaciones ............................................................................... 263

4.4.2 Aspectos del diseño para el embarque .................................. 264

XIV

4.5 Transporte marítimo y sujeción durante el mismo .......................... 265

4.5.1 Operaciones ............................................................................... 262

4.5.2 Aspectos del diseño del transporte marítimo y del amarre durante el mismo ................................................ 266

4.6 Montaje .................................................................................................. 266

4.6.1 Operaciones ............................................................................... 266

4.6.2 Aspectos del diseño del montaje mediante levantamiento .. 267

4.7 Conexión ............................................................................................... 268

4.8 Puesta en servicio ............................................................................... 268

4.9 Inspección, mantenimiento y reparaciones (IMR) ............................ 268

4.10 Retirada ................................................................................................. 269

5 RESUMEN FINAL ........................................................................................... 270

6 BIBLIOGRAFÍA ............................................................................................... 270

Lección 17.12: Uniones en estructuras de cubierta de plataformas petrolíferas ........................................... 271

1 INTRODUCCIÓN ............................................................................................. 274

2 UNIONES EN LOS MÓDULOS DE LAS CUBIERTAS DE LAS PLATAFORMAS PETROLÍFERAS ................................................... 275

3 UNIONES ENTRE TRANCANILES Y VIGAS ................................................ 276

4 UNIONES ENTRE LOS BAOS PRINCIPALES E INTERMEDIOS ................. 278

5 UNIONES DEL BAO AL PILAR DE CUBIERTA ............................................ 280

6 UNIONES ENTRE BAOS Y PILARES ............................................................ 283

7 UNIONES DE LAS VIGAS DE CELOSÍA ....................................................... 284

8 UNIONES ESPECIALES ................................................................................. 287

9 RESUMEN FINAL ........................................................................................... 289

10 BIBLIOGRAFÍA ............................................................................................... 289


Problema Resuelto 17.3: Unión del Bao al pilar de suelo ................... 291

1 RESUMEN ....................................................................................................... 294

2 EJEMPLO DE PROYECTO: UNIÓN DEL BAO AL PILAR DE SUELO .......... 295

XV

ÍNDICE

2.1 Unión del Bao rigidizado al pilar de suelo ......................................... 296

2.2 Unión del Bao no rigidizado al pilar de suelo .................................... 298

2.3 Comparación de las uniones de los Baos rigidizados y no rigidizados al pilar de suelo ........................................................ 300

DIAPOSITIVAS COMPLEMENTARIAS .......................................................... 301

XVI

ESDEP TOMO 17SISTEMAS ESTRUCTURALES:

PLATAFORMAS PETROLÍFERAS

Lección 17.1: Plataformas Petrolíferas: Introducción General

1

3

OBJETIVOS/CONTENIDO

OBJETIVOS/CONTENIDO

Identificar el vocabulario básico, introducirlos conceptos principales para las estructuras delas plataformas petrolíferas y explicar el origende los requisitos básicos para el diseño.

CONOCIMIENTOS PREVIOS

Ninguno.

RESUMEN

La lección comienza con una presentaciónde la importancia de la explotación de hidrocar-buros mediante plataformas petrolíferas, las eta-pas básicas en el proceso de explotación (desde

la exploración sísmica hasta la retirada de plata-formas) y la introducción de conceptos estructu-rales importantes (plataformas sobre estructurametálica jacket, sobre estructura vertical de hor-migón E.V.H., plataformas semisumergibles, flo-tante). Se identifican los reglamentos principales.

En el caso de los conceptos de platafor-mas fijas (jacket y E.V.H.), se explican breve-mente las diferentes fases de ejecución: diseño,trabajo de taller y montaje. Se presta una aten-ción especial a algunos principios del diseño delsuelo superior.

Se presenta una introducción básica aaspectos de costes.

Finalmente, se introducen términosmediante un glosario.

1. INTRODUCCIÓN

Las plataformas petrolíferas se constru-yen con el objeto de extraer petróleo y gas. Lacontribución que representó la producción decrudo de las plataformas petrolíferas durante elaño 1988 al consumo mundial de energía supu-so un 9% y se calcula que será del 24% en alaño 2000.

La inversión (CAPEX) necesaria actual-mente para la producción de un barril de petró-leo al día ($/B/D), así como los costes de pro-ducción (OPEX) por barril se muestran en latabla que se ofrece a continuación.

En 1988 la producción mundial de petró-leo fue de 63 millones de barriles al día. Estascifras indican claramente el desafío al que seenfrenta el proyectista: es necesaria una mayorcontribución de la explotación de las plataformaspetrolíferas, una actividad intensiva de la mayorimportancia.

La figura 1 muestra la distribución de loscampos petrolíferos y de gas del Mar del Norte,una de las principales contribuciones a la pro-ducción mundial de hidrocarburos obtenidosmediante plataformas petrolíferas. También indi-ca los campos en tierra situados en el ReinoUnido, los Países Bajos y Alemania.

4

CONDICIÓN CAPEX $/B/D OPEX $/B

Convencional

Media 4000 - 8000 5

Oriente Medio 500 - 3000 1

No OPEP 3000 - 12000 8

Plataformas petrolíferas

Mar del Norte 10000 - 25000 5 - 10

Aguas profundas 15000 - 35000 10 - 15

5

INTRODUCCIÓN

Figura 1 Campos petrolíferos y de gas del Mar del Norte (según el World Oil, Agosto de 1988)

2. PLATAFORMASPETROLÍFERAS

2.1 Introducción a los Tipos BásicosLa gran mayoría de las plataformas con-

sisten en una torre sobre pilotes que sustenta los

módulos (jacket), todo ello fabricado en acero(véase las diapositivas 1 y 2).

Un segundo tipo principal lo constituyenlas estructuras de hormigón (véase la figura 2),que se utilizan en el Mar del Norte en los secto-res noruego y británico.

Un tercer tipo lo constituyen las unidadesde producción flotantes.

2.2 EntornoEl entorno de una plataforma petrolífera

en alta mar puede caracterizarse por:

• profundidad del agua en el emplazamiento

• suelo, en el lecho marino y en el subsuelo

• velocidad del viento, temperatura del aire

• olas, fuerza de la marea y tormentas,corriente

• hielo (fijo, flotante, icebergs)

• seísmos (si fuera el caso)

6

Diapositiva 2

Diapositiva 1

Figura 2 Plataforma con subestructura basada en la gra-vedad, construida para los yacimientos británicosy noruegos en el norte del Mar del Norte

La estructura del módulo superior debemantenerse fuera del alcance de las crestas delas olas. El espacio libre u holgura entre la cres-ta de la ola y el módulo se fija normalmente en1,50 m, pero debería aumentarse en caso deque el agotamiento de las reservas originara unasiento significativo.

2.3 Construcción

El entorno, así como aspectos financie-ros, exigen que gran parte de la construcciónprevia se efectúe en tierra. Es necesario realizarel diseño de manera que se limite al mínimo eltrabajo en el mar. El coste global de una hora detrabajo de operario en el mar es aproximada-mente cinco veces el de una hora de operario entierra. El coste de los equipos de construcciónnecesarios para el manejo de cargas, así comolos costes de logística, también son mucho máselevados en el mar.

Estos factores, combinados con la magni-tud y el peso de las piezas, exigen que el pro-yectista se vea obligado a prestar una gran aten-ción a todas las actividades de construcciónentre el trabajo de taller y el montaje en el mar.

2.4 Reglamentos

El diseño estructural ha de cumplir ciertosreglamentos específicos para las estructuras delas plataformas petrolíferas. El reglamentoestructural principal de ámbito mundial es el API-RP2A [1]. Las reglas de Lloyds [2], recientemen-te publicadas, y las reglas DnV [3] también sonimportantes.

Se han de cumplir los requisitos guberna-mentales específicos, por ejemplo los conteni-dos en las reglas del Department of Energy(DoE), Norwegian Petroleum Direktorate (NPD).

Para el diseño de detalles de la estructura delsuelo superior se utiliza con frecuencia el regla-mento AISC [4] y para las soldaduras se utiliza elreglamento AWS [5].

En el Reino Unido el accidente del PiperAlpha ha provocado la aparición de un nuevoenfoque para la regulación de las plataformaspetrolíferas. La responsabilidad del control de lareglamentación se ha trasladado al Health andSafety Executive (HSE) y es el operador el queha de presentar una evaluación formal de laseguridad en lugar de ajustarse a regulacionesdetalladas.

2.5 Certificación e Inspección de GarantíaLas autoridades gubernamentales exigen

que organismos reconocidos evalúen los aspec-tos de integridad estructural y emitan un certifi-cado al efecto.

Los principales organismos de certifica-ción son:

• Det norske Veritas (DnV)

• Lloyds Register of Shipping (LRS)

• American Bureau of Shipping (ABS)

• Bureau Veritas (BV)

• Germanischer Lloyd (GL)

Sus exigencias están a disposición delproyectista [2, 3, 6, 7, 8].

Las compañías de seguros que cubren eltransporte y el montaje exigen que inspectoresde las aseguradoras inspeccionen las estructu-ras antes de que se proceda a la aceptación. Losinspectores de las aseguradoras aplican las nor-mas, si las hubiera, de manera confidencial.

7


3. EXPLOTACIÓN DE UN YACIMIENTO DE PETRO-LEO/GAS MEDIANTE PLATAFORMAS

3.1 Introducción

En [9] se resumen los diferentes requisi-tos de una plataforma petrolífera, así como lasfases típicas para su explotación. Tras varias eta-pas iniciales entre las que se incluye el estudiosísmico del campo, se perforan uno o más pozosde exploración. Para esta labor se utilizan plata-formas de perforación autoelevadoras en profun-didades del agua de hasta 100-120 m; paraaguas más profundas se utilizan equipos de per-foración flotantes. Se estudian los resultados yse evalúan los aspectos económicos y los ries-gos de los diferentes planes de explotación. Losfactores que toman parte en la evaluación pue-den incluir el número de pozos necesario, insta-laciones de producción fijas o flotantes, el núme-ro de estas instalaciones y la descarga medianteoleoducto o petroleros.

Tan pronto como se decide y aprueba laexplotación, hay cuatro actividades técnicas prin-cipales, anteriores a la producción:

• ingeniería y diseño

• trabajo de fabricación y montaje de la insta-lación de producción

• perforación de los pozos de producción, quese prolonga durante 2-3 meses por pozo

• suministro del sistema de descarga (oleo-ductos, petroleros, etc.).

La interacción entre la perforación y laconstrucción se describe a continuación parados conceptos típicos de plataforma fija.

3.2 Plataforma cimentada sobrejacket para aguas poco profundasEn primer lugar se instala la jacket. Luego

se perforan los pozos utilizando una unidad deperforación autoelevadora emplazada en las pro-ximidades que se extiende por encima de la jac-

ket. La diapositiva 3 muestra una uni-dad de perforación autoelevadora conun equipo de perforación .(En esteejemplo se encuentra efectuando labo-res de perforación exploratoria y por lotanto trabaja sola.)

El diseño y la construcción delmódulo superior se efectúan paralela-mente a la perforación, permitiendo quela producción se inicie poco despuésdel montaje de la cubierta. Para la per-foración de pozos adicionales, se lla-mará de nuevo a la unidad de perfora-ción autoelevadora y se colocará sobreel área a perforar donde está emplaza-da la plataforma de producción.

Como alternativa a este con-cepto, a menudo se acomodan otrospozos en plataformas independientes,unidas por medio de un puente a laplataforma de producción (véase ladiapositiva 1).

8

Diapositiva 3

3.3 Plataforma cimentada sobreestructura de hormigón

Se perforan los pozos desde un equipo deperforación situado en la plataforma permanente(véase la diapositiva 2). La perforación se iniciauna vez que la plataforma está construida y total-mente montada. De esta manera, la producción

se inicia entre uno y dos años después del mon-taje de la plataforma.

Durante los últimos años se han utilizadopozos pre-perforados con el fin de permitir un ini-cio más temprano de la producción. En estecaso, se ha de instalar la plataforma exactamen-te sobre los pozos pre-perforados.

9

EXPLOTACIÓN DE UN YACIMIENTO…

4. JACKETS Y CIMENTACIÓNSOBRE PILOTES

4.1 Introducción

Las jackets, las estructuras tubularesancladas con forma de torre, cumplen general-mente dos funciones:

• Proporcionan la estructura de apoyo para lainstalación de producción (módulo), mante-niéndola estable por encima de las olas.

• Soportan lateralmente y protegen los con-ductores del pozo de 26-30 pulgadas y eloleoducto ascendente.

Los métodos de montaje de la jacket y delos pilotes ejercen un profundo impacto sobre eldiseño.

4.2 Cimentación sobre Pilotes

La cimentación de la jacket se lleva a cabomediante pilotes tubulares de acero con el extremo

abierto, de diámetros de hasta 2 m. Los pilotes seintroducen en el lecho marino hasta una profundi-dad de 40-80 m y, en algunos casos, hasta 120 m.

Básicamente, existen tres tipos de dispo-sición de pilotes/jacket (véase la figura 3):

Concepto de pilote a través de las patas,en el que se instala el pilote en las patas de lasesquinas de la jacket.

Pilotes en zócalo a través de alojamientospara el pilote situados en la base de la jacket, enel que el pilote se instala en guías acopladas alos pilares de la jacket. Los pilotes en zócalopueden colocarse formando agrupaciones alre-dedor de cada pilar de la jacket.

Pilotes en zócalo vertical que se instalandirectamente en el alojamiento del pilote en labase de la jacket; se eliminan todas las demásguías. Esta disposición tiene como resultado unmenor peso estructural y una mayor facilidad delhincamiento de los pilotes. En cambio, los pilotesinclinados agrandan la cimentación en su base,proporcionando de esta manera una estructuramás fuerte.

10

Martinete

Falso pilote

Manguera y cable de aire

Pilote

Pilar de la jacket

Señal mecánica y cable de aire

UWPP

UWPP

Percusor delgado

Pilote

PilotePilar de la jacket

Cable limitador de distancia

Líneas de alimentaciónAlojamiento

Alojamiento

A Convencional, desde la superficie del agua

B Nuevas técnicas bajo el agua

C Técnica de montaje libre bajo el agua

Figura 3 Tipos de cimentación para Jacket con técnicas de pilotaje convencionales y nuevas

4.3 Resistencia de apoyo de los Pilotes

La resistencia a la carga axial es necesa-ria tanto para el aplastamiento como para la trac-ción. El pilote acumula tanto rozamiento superfi-cial como resistencia al aplastamiento.

La resistencia del pilote a la carga late-ral es necesaria para la contención de las fuer-zas horizontales. Estas fuerzas originan unaflexión significativa del pilote cerca del lechomarino.

El número, disposición, diámetro y pene-tración de los pilotes dependen de las cargas delentorno y de las condiciones del módulo en elemplazamiento.

4.4 Protección frente a la corrosión

La forma más frecuente de protecciónfrente a la corrosión de la parte desnuda sumer-gida de la jacket, así como de la parte superiorde los pilotes introducidos en el lecho, es la pro-tección catódica mediante ánodos de sacrificio.Un ánodo de sacrificio (aproximadamente 3 KNcada uno) consiste en una barra fundida decinc/aluminio colocada alrededor de un tubo deacero y soldada a las estructuras. Normalmente,aproximadamente el 5% del peso de la jacketestá en forma de ánodos.

La estructura de acero en la zona de sal-picaduras se protege normalmente mediante unsobre-espesor de 12 mm en cada elemento.

11

JACKETS Y CIMENTACIÓN

5. MÓDULOS SUPERIORES

5.1 Introducción

Las funciones principales de los módulosde una plataforma petrolífera son:

• control del pozo

• soporte para los equipos de los trabajos decomplemento

• separación del gas, petróleo ycomponentes no transportablesdel producto en bruto, por ejem-plo agua, parafinas/ceras y arena

• soporte para las bombas/compre-sores necesarios para transportarel producto a tierra

• generación de energía

• alojamiento para el personal deoperación y mantenimiento.

Básicamente hay dos tipos deestructuras para los módulos, el inte-grado y el modularizado, que se colo-can bien sobre una jacket o sobre unaestructura de apoyo de hormigón.

5.2 Módulos superiores cimentados sobreJackets

5.2.1 Conceptos

Existen cuatro conceptos es-tructurales en la práctica, que se origi-nan en las capacidades de carga delos buques grúa y de maniobras decarga o izado en los astilleros:

• el módulo integrado simple (hastaaproximadamente 100 MN)

12

Módulo de posicionado

Torre de perforación

Módulos de producción

Bomba de combustión

Pórtico de soporte del módulo

Jacket

36 conductores (incluidos los surtidores de petróleo y agua)

Pilotes de cimentación

Obsérvese el montaje de las vigas en la jacket y las guías de los pilotes convencionales

Figura 4 Jacket basada en una estructura superior modulada

Diapositiva 4

• el módulo dividido en dos unidades de cua-tro pilares

• el módulo integrado con módulo de vivienda

• la unidad modularizada consistente en unaEstructura de Apoyo (EA) que soporta unaserie de módulos.

La diapositiva 4 muestra el traslado de unmódulo integrado (aunque no incluye el áreahabitable ni el helipuerto) desde las instalacionesde montaje.

5.2.2 Diseño Estructural para losMódulos IntegradosPara los módulos más pequeños, de

hasta un peso aproximado de 100 MN la estruc-tura de apoyo consiste en vigas de celosía o pór-ticos con supresión de diagonales.

Lo moderado de la carga vertical y delesfuerzo cortante por pilar permite que el módulosuperior se apoye tan sólo sobre pilares verticales(patas del módulo), que llegan hasta la partesuperior de los patas (situados a aproximadamen-te +4 m a +6 M.A.B (Marea Astronómica Baja).

5.2.3 DiseñoEstructuralpara losMódulosSuperioresFundadossobreJacket

Una unidad modu-larizada de importanciapesa de 200 a 400 MN.En este caso, el EA esuna estructura tubularpesada (figura 4), conarriostramiento lateral quese extiende hasta la partesuperior de la jacket.

5.3 Diseño para los módulossuperiores cimentados sobreestructura de hormigónEl peso de los módulos que se han de

apoyar sobre una estructura hormigonada (vé-ase la figura 2) está comprendido en un campode 200 MN hasta 500 MN.

La columna vertebral de la estructura con-siste en un sistema de vigas tubulares fuertescon una altura de aproximadamente 10 m y unaanchura de aproximadamente 12-15 m (véase lafigura 5).

La estructura de apoyo de la unidadmodularizada está conectada rígidamente alpilar de hormigón y actúa como una viga deapoyo para los módulos. A través de esta cone-xión se transmite la fatiga inducida por las olasen la estructura del módulo. Un reciente avan-ce, previsto para la plataforma noruega Troll,consiste en proporcionar una conexión flexibleentre el módulo y el pilar de hormigón, con loque se elimina de esta forma la fatiga en elmódulo [10].

13

MÓDULOS SUPERIORES

Forjas cruciformesÁrea de transición EA

Anillo de transición de acero fundido

Figura 5 Estructura de soporte modulada para subestructuras basadas en la gravedad

6. EQUIPOS Y MÓDULOS DE VIVIENDA

Los módulos para el equipo (20-75MN), tienen forma de cajas rectangulares pro-vistas de uno o dos pisos intermedios.

Los suelos son de chapa de acero (deun grosor de 6, 8 o 10 mm) para el techo y elpiso inferior y de enrejado para los pisos inter-medios.

En los módulos habitables (5-25 MN)las ventanas son necesarias en todos los dor-mitorios y deben colocarse varias puertas enlas paredes exteriores. Este requisito puedeinterferir gravemente con la disposición de lasvigas de celosía. Los módulos son de chapaplana o rigidizada.

Pueden distinguirse tres tipos de con-ceptos estructurales, todos ellos evitando lospilares interiores:

• vigas de celosía convencionales en lasparedes.

• paredes de chapa rigidizada (también lla-mada revestimiento resistente o tipocasa de cubierta).

• estructura de soporte fuerte (con arrios-tramiento anti viento en las paredes).

14

Diapositiva 5

7. CONSTRUCCIÓN

7.1 Introducción

El diseño de plataformas petrolíferas hade considerar varias exigencias de la construc-ción relacionadas con:

1. fabricación

2. peso

3. embarque en la barcaza

4. transporte marítimo

5. montaje en el mar

6. montaje de módulos

7. uniones

8. puesta en servicio

Se debe disponer de una estrategia deconstrucción documentada durante todas lasfases del diseño y debe efectuarse un segui-miento del desarrollo real del diseño, cotejándo-lo con la estrategia de construcción.

A continuación se ilustra la construcciónmediante cuatro ejemplos.

7.2 Construcción de jackets,módulos, instalaciones yequipos

7.2.1 Jackets Instaladas con GrúaSe construye la jacket en posición vertical

(jackets más pequeñas) u horizontal (jacketsmás grandes) en un muelle del emplazamientode fabricación.

Se iza y sujeta la jacket a bordo de unabarcaza. En el emplazamiento de la plataforma,se fondea la barcaza junto a un buque grúa.

Se levanta la jacket de la barcaza, secoloca en posición vertical desde la horizontal enla que estaba y se coloca cuidadosamente sobreel lecho marino.

Tras colocar la jacket, se instalan los pilo-tes en sus alojamientos y se introducen en ellecho marino. La fijación de los pilotes a la jacketconcluye el montaje.

7.2.2 Jackets Instaladas medianteLanzamientoSe construye la jacket en posición hori-

zontal.

Para su izado a bordo de la barcaza detransporte, se coloca la jacket sobre rodillos quese deslizan sobre una vía recta de vigas metáli-cas y se la arrastra para subirla a la barcaza.

Una vez en el emplazamiento de la plata-forma, se desliza la jacket fuera de la barcaza.Se sumerge profundamente en el agua y poste-riormente adopta una posición flotante (véase lafigura 6).

Se necesitan dos vigas de celosías verti-cales y paralelas fuertes en la estructura de lajacket, capaces de absorber las reacciones en elapoyo durante el lanzamiento. Con el fin de redu-cir las fuerzas y momentos en la jacket, se aco-plan balancines a la popa de la barcaza.

La siguiente fase consiste en colocar lajacket en posición vertical por medio del llenadocontrolado de los tanques de flotabilidad y a con-tinuación se coloca sobre el lecho marino. Lasjackets con capacidad de colocarse por sí mis-mas en posición vertical lo hacen así tras el lan-zamiento. El montaje se completa con el pilotajey la fijación de los pilotes/jacket.

7.2.3 Módulos, instalaciones yequipos sobre estructura vertical de hormigón (E.V.H.)Los módulos, instalaciones y equipos que

componen una plataforma, se montan sobre unaestructura de apoyo temporal sobre el mar y cer-cana a los astilleros. Después se la transporta enuna barcaza de unas dimensiones tales que enca-je entre las patas de la estructura de apoyo tem-

15

CONSTRUCCIÓN

poral y entre las patas de la E.V.H. Acontinuación se transporta la E.V.H., enun estado de flotación profunda, a unemplazamiento protegido, por ejemploun fiordo noruego. Se coloca la barcazaentre los pilares y se descarga de lastrela E.V.H. para que se ajuste y soporte losmódulos de la barcaza. Finalmente seremolca la E.V.H. flotante con los módu-lo hasta el emplazamiento en el mar y secoloca sobre el lecho marino.

7.2.4 Módulos de Jackets

En el caso de módulos de hastaaproximadamente 120 MN, es posible

efectuar su montaje en un sololevantamiento. La diapositiva 6muestra el montaje de un módu-lo de 60 MN realizado por grúasflotantes.

En el caso de la unidadmodularizada, se ha de instalaren primer lugar la estructura deapoyo para los módulos, segui-da inmediatamente por losmódulos.

7.3 Levantamientos en alta mar

El levantamiento de car-gas pesadas desde barcazas(diapositiva 6) constituye una delas actividades de construcciónde gran importancia y especta-cularidad y que requiere aten-ción a la hora de desarrollar losconceptos. Para estas operacio-nes son necesarias las llama-das “ventanas meteorológicas”,es decir, los periodos de condi-ciones meteorológicas adecua-das.

16

Balancín de retención de la jacket

Decalado inicial de la barcazaFase 1

Reacción en A máxima en la barcaza

Fase 2 Fase 3

Decalaje máximo de la barcaza

Inmersión máxima de la quilla

Punto de máxima inmersión de la base

Fase 4 Fase 5

Obsérvese que la barcaza está soportando totalmente la estructura (jacket)

Figura 6 Lanzamiento de una jacket

Diapositiva 6

7.3.1 Buque Grúa

El levantamiento de cargas pesadas en elmar exige el uso de buques grúa especializados.La figura 7 ofrece información sobre un buquegrúa típico con dos grúas. La tabla 1 (página 16)presenta una lista de algunos de los principalesbuques grúa.

7.3.2 Disposición de las Eslingas,Eslingas y GrilletesPara el levantamiento se utilizan eslingas

de acero en una disposición de cuatro cables

que descansan directamente en el gancho decuatro puntos del buque grúa (véase la figura 8).La eslinga más pesada disponible actualmentetiene un diámetro de aproximadamente 350 mm,una carga de rotura de aproximadamente 48 MNy una carga útil de seguridad (CUS) de 16 MN.Hay grilletes disponibles con una carga útil deseguridad de hasta 10 MN para conectar loscáncamos (padeyes) instalados en los pilaresde los módulos. Debido al espacio necesario, launión de más de un grillete al mismo pilar noresulta una opción muy atractiva. Así pues,cuando la carga de la eslinga supera los 10 MN,los muñones (trunnions) se convierten en unaopción.

17

CONSTRUCCIÓN

Cubierta superior

27,5

16

26

100

20

10

10

1000

20

00

3000

40

00

5000

60

00

7000

Cap

acid

ad d

e ca

rga

en to

nela

das

mét

ricas

40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150

Radio de levantamiento (metros)Zona operativa

Cables

Cables

2ª Auxiliar

2ª Auxiliar

1ª Auxiliar

1ª Auxiliar

60�

50�

40�

30�

20�

10�

0�

160�

150�

140�

130�

120�

110

100

90�

80

70

Principal con giro

Principal sin giro

Principal

Altu

ra d

e iz

ado

por

enci

ma

de la

cub

iert

a (e

n m

etro

s)

Bulón

Figura 7 Diagrama de la capacidad de carga para un buque-grúa grande y doble

7.4 Transporte Marítimo y Sujeción Durante el MismoEl transporte se efectúa a bordo de una

barcaza de cubierta plana o, si fuera posible,sobre la cubierta del buque grúa.

Es necesario sujetar el módulo a la bar-caza (véase la figura 9) con el fin de que resis-ta el movimiento de la barcaza en aguasembravecidas. El concepto de la sujecióndurante la travesía lo determinan las posicio-

18

Operador Nombre Tipo Modo Capacidad de carga (toneladas)

Heerema Thor Monocasco Fijo 2720

Giratorio 1820

Odín Monocasco Fijo 2720

Giratorio 2450

Hermod Semisumergidas Fijo 4536 + 3628 = 8164

Giratorio 3630 + 2720 = 6350

Balder Semisumergidas Fijo 3630 + 2720 = 6350

Giratorio 3000 + 2000 = 5000

McDermott DB50 Monocasco Fijo 4000

Giratorio 3800

DB100 Semisumergida Fijo 1820

Giratorio 1450

DB101 Semisumergida Fijo 3600

Giratorio 2450

DB102 Semisumergidas Giratorio 6000 + 6000 = 12000

Micoperi M7000 Semisumergida Giratorio 7000 + 7000 = 14000

ETPM DLB1601 Monocasco Giratorio 16000

Notas:

1. Capacidad de carga nominal en toneladas métricas.

2. Cuando los buques grúas están provistos de dos grúas, éstas se encuentran en la proa y popa del buque,aproximadamente a 60 m de distancia entre ejes.

3. Giratorio= Capacidad de carga con grúa totalmente giratoria.

Fijo = Capacidad de carga con grúa fija.

Tabla 1 Buques grúa más importantes

nes de la estructuradel módulo, así comolos “puntos fuertes” dela barcaza.

7.5 Izado aBordo

7.5.1 Intro-ducción

Para el izado abordo se aplican tresmétodos básicos:

• deslizamiento

• plataformas remol-que

• cabrias en A.

7.5.2 Deslizamiento

El deslizamiento es un método viablepara elementos de cualquier peso. Este siste-ma consiste en una serie de vigas metálicas,que sirven de vía, sobre las cuales se disponeun grupo de patines, cada uno de ellos conuna capacidad de carga de 6 MN. Cada patínestá provisto de un gato hidráulico para elcontrol de la reacción.

7.5.3 Plataformas Remolque

Es posible combinar unidades de re-molque especializadas (véase la figura 10)con el fin de que se comporten como una solaunidad para cargas de hasta 60-75 MN. Lasruedas están suspendidas individualmente ylos gatos integrados permiten el ajuste hasta300 mm.

La capacidad de carga sobre el área demódulo proyectada varía desde aproximada-mente 55 hasta 85 kN/milla cuadrada

19

CONSTRUCCIÓN

(a) Estándar (doble y sencillo)

(b) Con viga de reparto y puntos de elevación en la parte inferior del módulo

(c) Con estructura de distribución y puntos de elevación en la cubierta del módulo

Figura 8 Varias disposiciones de eslingas sobre cuatro puntos

Barcaza de carga típica 100x300x20 píes o 120x400x25 píes

Módulo

(a) Sólo se fija la base

(b) Se fija la base y se usan abrazaderas

Figura 9 Conceptos de fijación en el mar

Es posible conducir las unidades en todaslas direcciones, así como tomar curvas.

7.5.4 Cabrias en A o grúas tipoManitowocEl izado a bordo mediante cabrias en A o

grúas tipo Manitowoc resulta atractiva en el casode jackets pequeñas construidas en el muelle.Los módulos más pequeños (hasta 10-12 MN)pueden cargarse sobre la Jacket colocada pre-viamente en la barcaza, permitiendo de estamanera la instalación del módulo y de la Jacket

mediante un único levantamiento del buquegrúa.

7.6 Desmontaje de Plataformasen desusoDurante los últimos años, el desmontaje

de plataformas en desuso se ha convertido enalgo habitual. La manera de llevar a cabo estaoperación depende en gran medida de las regu-laciones de las autoridades locales. En la fase dediseño se deben considerar el proveer a la plata-forma de lo necesario para su retirada.

20

Transportador modular de propulsión

Posibilidad de acoplamiento

Guía electrónica multi-vía

Figura 10 Trailer autopropulsado modular para el remolque de la plataforma

8. ANÁLISIS ESTRUCTURAL

8.1 Introducción

La mayor parte de los análisis estructu-rales se basan en la teoría lineal de la elasti-cidad para el comportamiento total del siste-ma. Se lleva a cabo el análisis dinámico parael comportamiento del sistema bajo el ataquede las olas si el período natural es superior a3 segundos. Es posible que muchos elemen-tos muestren un comportamiento dinámico lo-cal, por ejemplo cimentaciones de compreso-res, chimeneas de combustión, pedestales degrúa, elementos robustos de la jacket, con-ductores.

8.2 Fase en la ObraSe llevan a cabo tres tipos de análisis:

• Estado de supervivencia, bajo el ataque deolas/corriente/viento con un período derecurrencia de 50 o 100 años.

• Estado operacional, bajo el ataque de o-las/corriente/viento con un período de recu-rrencia de 1 a 5 años, en condiciones depleno rendimiento.

• Evaluación de la fatiga.

• Accidental.

Todos estos análisis se efectúan sobre laestructura completa e intacta. Las evaluacionesde estructuras dañadas, por ejemplo a las que lesfalta un elemento y las evaluaciones de situacio-nes de colisión se llevan a cabo ocasionalmente.

8.3 Fase de ConstrucciónLas fases de construcción más importan-

tes durante las que la integridad estructuralpuede verse amenazada son:

• Izado a bordo

• Transporte marítimo

• Puesta en posición vertical de las jackets

• Levantamiento.

21

ANÁLISIS ESTRUCTURAL

9. ASPECTOS DE COSTES

9.1 Introducción

La viabilidad económica de un proyectode plataformas petrolíferas depende de muchosaspectos: inversión de capital (CAPEX), cargafiscal, derechos, gastos de explotación (OPEX).

En una explotación típica de un campomediante plataformas petrolíferas un tercio delCAPEX se dedica a la plataforma, un tercio a laperforación de pozos y un tercio a los oleoductos.

Normalmente los cálculos de costes sepreparan haciendo uso de un enfoque determi-nista. Recientemente, en muchos proyectos deexplotación se ha desarrollado el cálculo de cos-tes utilizando un enfoque probabilístico.

El CAPEX de los módulos de una plata-forma petrolífera instalada asciende a aproxima-damente 20 EURO/kg.

9.2 Inversión de Capital (CAPEX)

Los principales elementos del CAPEXpara una plataforma petrolífera son:

• gestión del proyecto y diseño

• compra de materiales y equipos

• fabricación

• transporte y montaje

• unión y puesta en servicio.

9.3 Gastos de Explotación(OPEX)En el Mar del Norte, aproximadamente el

20 por ciento del OPEX es necesario para la ins-pección, mantenimiento y reparaciones (IMR) delas plataformas petrolíferas.

La cantidad que resulte necesario dedicara IMR a lo largo de la vida del proyecto puedeascender a aproximadamente la mitad de lainversión original.

El IMR es el área en la que los ingenierosMecánicos aportan su contribución al diseño, laselección de materiales, mejora en la protecciónfrente a la corrosión, accesibilidad, provisionesbásicas para el andamiaje, eliminación de acce-sorios en las jackets que pudieran suponer unpeligro para los buzos, etc.

22

10. EXPLOTACIONES ENAGUAS PROFUNDAS

Las aguas profundas introducen unaamplia gama de dificultades extra para el opera-dor, la ingeniería y el constructor de plataformaspetrolíferas.

Recientemente se han instalado platafor-mas fijas en aguas de 410 m de profundidad,

concretamente la “Bullwinkle” desarrollada porShell Oil para un emplazamiento en el Golfo deMéxico. La jacket tenía un peso de casi 500 MN.

Actualmente la profundidad máxima delagua en emplazamientos de plataformas del Mardel Norte es de aproximadamente 220 m. Laexplotación del campo Troll, situado en aguas deuna profundidad aproximada de 305 m está pre-vista para 1993.

Varias plataformas fijas (Cerveza, Cog-nac) están en funcionamiento en el Golfo deMéxico y frente a las costas de California, enaguas de 250-350 m de profundidad. Exxon tie-ne torre para plataforma atirantada (Lena) enfuncionamiento en aguas de 300 m de profundi-dad.

Una opción para emplazamientos demayor profundidad consiste en la utilización depozos con tuberías de descarga a una platafor-ma fija cercana (una distancia máxima aproxi-mada de 10 km) situada en aguas de menor pro-fundidad. Alternativamente pueden utilizarsepozos con oleoductos ascendentes flexibleshasta una unidad de producción flotante. Enestos momentos, los pozos submarinos resultanviables para aguas de una profundidad de 300-900 m. Los pozos más profundos se han explo-tado frente a la costa de Brasil bajo condicionesmeteorológicas moderadas.

Las plataformas atirantadas (TLP) parecenser la unidad de producción en aguas profundasmás prometedora (figura 11). Consiste en un pon-tón semisumergible, sujeto al lecho marino median-te amarres pretensionados verticales. La primeraTLP fue la Hutton en el Mar del Norte y reciente-mente se instaló la TLP Jolliet en un emplazamien-to del Golfo de México de 530 m de profundidad.También los campos noruegos Snorre y Heidrun sehan explotado con TLP.

23

EXPLOTACIONES EN AGUAS PROFUNDAS

Figura 11 Plataforma de pilar de tracción

11. RESUMEN FINAL

• La lección comienza con la presentaciónde la importancia de la explotación dehidrocarburos mediante plataformas petro-líferas, las etapas básicas del proceso dedesarrollo (desde la exploración sísmica ala retirada de plataformas) y la introduc-ción de los conceptos estructurales princi-pales (cimentada sobre jacket, cimentadasobre E.V.H., Plataforma sumergible, flo-tante).

• Se identifican los reglamentos y normasaplicables.

• En el caso de los conceptos de plataformasfijas (jacket y E.V.H.), se explican breve-mente las diferentes fases de ejecución:diseño, fabricación y montaje. Se prestaespecial atención a los principios del diseñodel módulo.

• Se presenta una introducción básica aaspectos de costes.

• Finalmente se introducen los términos enun glosario.

12. GLOSARIO DE TÉRMINOS

ESPACIO DE AIRE Espacio libre entrela cresta máxima de las olas y la parte inferior delmódulo superior.

CONDUCTORES Los elementos tu-bulares que protegen la columna del taladro des-de su parte superior hasta 40-100 m bajo el le-cho marino. Tras la perforación protegen el re-vestimiento del pozo.

E.V.H. Estructura verticalde hormigón, que descansa sobre el lecho mari-no, estable gracias a su peso.

UNIONES (HOOK-UP) Unión de compo-nentes y sistemas, tras el montaje de la platafor-ma petrolífera.

ENCAMISADO (JACKET)Estructura tubular de apoyo de los módulos,situado en el agua y fundado sobre pilotes.

IZADO A BORDO La operacióndel traslado del objeto (módulo, jacket) desde elmuelle hasta colocarlo sobre la barcaza de trans-porte.

MUÑONES (TRUNNIONS) Salientes tubu-lares de gran grosor que reciben directamentelas eslingas y están soldados transversalmente ala estructura principal.

CÁNCAMOS Chapa de grangrosor con agujero que recibe el pasador del gri-llete, soldada a la estructura principal.

TUBERÍA DE CONDUCCIÓN La sección deloleoducto que asciende desde el nivel del lechomarino hasta el del módulo superior.

ANCLAJE MARÍTIMO La estructura uti-lizada para mantener el objeto conectado rígida-mente a la barcaza durante el transporte.

GRILLETES Elemento conector (estri-bo y chaveta) entre eslingas y cáncamos.

ESLINGAS Cables provis-tos de ojales de empalme en ambos extremos,para el levantamiento en el mar, cuyo extremosuperior descansa en el gancho de elevación.

BALANCÍN Estructura tubu-lar utilizada en la operación de levantamiento.

BANCADA Estructura en el lechomarino para guiar los conductores antes delmontaje de la jacket.

SUMIDEROS Tuberías verti-cales que se extienden desde la parte superiorhasta 5-10 m por debajo del nivel del agua parala toma y descarga.

MÓDULOS SUPERIORES Módulo supe-rior, la instalación de procesamiento compactaen el mar, con todos sus elementos auxiliares,emplazada por encima de las olas.

24

POSICIONAMIENTO EN VERTICALPosicionamiento de la jacket en posición vertical,antes de colocarla sobre el lecho marino.

VENTANA METEOROLÓGICA Un período decondiciones meteorológicas buenas, definido enbase a los límites operacionales para la opera-ción de las plataformas petrolíferas marinas.

ÁREA DEL POZO Área situada en elmódulo superior donde están emplazadas lascabezas de pozos, incluyendo las válvulas mon-tadas sobre las mismas.

13. BIBLIOGRAFÍA[1] API-RP2A: Recommended practice for plan-ning, designing and constructing fixed offshoreplatforms.

American Petroleum Institute 18th ed.1989.

El reglamento estructural para las plataformaspetrolíferas, rige la mayor parte de las plataformas.

[2] LRS Code for offshore platforms.

Lloyds Register of Shipping. London (UK) 1988.

Regulaciones de una de las principales autorida-des de certificación.

[3] DnV: Rules for the classification of fixed offs-hore installations.

Det Norske Veritas 1989.

Un importante conjunto de reglas.

[4] AISC: Specification for the design, fabricationand erection of structural steel for buildings.

American Institute of Steel Construction 1989.

Un reglamento estructural ampliamente utilizadopara las cubiertas superiores.

[5] AWS D1.1-90: Structural Welding Code-Steel.

American Welding Society 1990.

El reglamento para las soldaduras estructuralesen las plataformas petrolíferas.

[6] DnV/Marine Operations: Standard for insu-rance warranty surveys in marine operations.

Det norske Veritas June 1985.


[7] ABS: Rules for building and classing offshoreinstallations, Part 1 Structures.

American Bureau of Shipping 1983.


[8] BV: Rules and regulations for the construc-tion and classification of offshore platforms.

Bureau Veritas, Paris 1975.


[9] ANON: A primer of offshore operations.

Petex Publ. Austin U.S.A 2nd ed.1985.

Información fundamental acerca de los procesosde explotación de petróleo y gas mediante plata-formas petrolíferas.

[10] AGJ Berkelder et al: Flexible deck joints.

ASME/OMAE-conference The Hague 1989 Vol.IIpp. 753-760.

Presenta un interesante concepto nuevo en eldiseño de EBG.

14. BIBLIOGRAFÍA ADICIONAL1. BS 6235: Code of practice for fixed offshorestructures.

British Standards Institution 1982.

Un importante reglamento, principalmente para elsector de las plataformas petrolíferas británicas.

2. DoE Offshore installations: Guidance ondesign and construction, U.K. Department ofEnergy 1990.

Regulaciones británicas exclusivas para el sec-tor de las plataformas petrolíferas británicas.

25

BIBLIOGRAFÍA ADICIONAL

3. UEG: Design of tubular joints (3 volumes).

UEG Offshore Research Publ. U.R.33 1985.

Un importante libro teórico y práctico.

4. J. Wardenier: Hollow section joints.

Delft University Press 1981.

Una publicación teórica sobre el diseño tubular,incluyendo fórmulas de diseño prácticas.

5. ARSEM: Design guides for offshore structu-res welded tubular joints.

Edition Technip, Paris (France), 1987.

Un importante libro teórico y práctico.

6. D. Johnston: Field development options.

Oil & Gas Journal, May 5 1986, pp 132-142.

Una buena presentación de las opciones para laexplotación.

7. G. I. Claum et al: Offshore Structures: Vol 1:Conceptual Design and Hydri-mechanics; Vol 2 -Strength and Safety for Structural design.

Springer Verlag, London 1992.

Una publicación fundamental sobre el comporta-miento estructural.

8. W.J. Graff: Introduction to offshore structures.

Gulf Publishing Company, Houston 1981.

Una buena introducción general a las platafor-mas petrolíferas.

9. B.C. Gerwick: Construction of offshore struc-tures.

John Wiley & Sons, New York 1986.

Una presentación actualizada del diseño y cons-trucción de las plataformas petrolíferas.

10. T.A. Doody et al: Important considerationsfor successful fabrication of offshore structures.

OTC paper 5348, Houston 1986, pp 531-539.

Un valioso documento sobre aspectos de fabri-cación.

11. D.I. Karsan et al: An economic study onparameters influencing the cost of fixed plat-forms.

OTC paper 5301, Houston 1986, pp 79-93.

Una buena presentación de la evaluación delCAPEX para las plataformas petrolíferas.

26



Lección 17.2: Cargas I: Introducción y Cargas del Entorno

27

29

OBJETIVOS/CONTENIDO

OBJETIVOS/CONTENIDO

Introducir los tipos de cargas para las quees necesario proyectar una plataforma petrolífe-ra fija de acero. Hacer una breve presentación delas cargas generadas por factores del entorno.


Conocimientos básicos de análisis estruc-tural para cargas estáticas y dinámicas.

RESUMEN

Se introducen las categorías de cargapara las que es necesario proyectar una pla-

taforma petrolífera de acero sobre pilotes y, acontinuación, se presentan los diferentestipos de cargas del entorno. Estas cargasincluyen: cargas generadas por el viento,olas, corrientes, hielo y nieve, temperatura,movimientos del lecho marino, desarrollo dela vida marina y mareas. Las cargas debidasal viento, olas y seísmos se discuten conmayor detalle junto con sus hipótesis para losdiversos tipos de análisis. Se hacen frecuen-tes referencias a los reglamentos para lapráctica recomendados por el AmericanPetroleum Institute, Det Norske Veritas,British Standards Institution y el BritishDepartment of Energy, así como a las regula-ciones relevantes del Norwegian PetroleumDirectorate.

1. INTRODUCCIÓN

Las cargas para las que es necesario pro-yectar una plataforma petrolífera pueden clasifi-carse en las siguientes categorías:

1. Cargas permanentes (propias).

2. Cargas operacionales (dinámicas).

3. Cargas del entorno, incluyendo seísmos.

4. Cargas de construcción/montaje.

5. Cargas accidentales.

Mientras que el proyecto de los edifi-cios en tierra está influido, normal y principal-

mente, por las cargas permanentes y opera-cionales, el proyecto de las plataformas petro-líferas está dominado por las cargas delentorno, especialmente las olas, y por las car-gas surgidas durante las diversas etapas de laconstrucción y del montaje. Esta lección seocupa de las cargas del entorno, mientras quelas otras cargas se discuten en la lección17.3.

En la ingeniería civil los seísmos se con-sideran normalmente cargas accidentales(véase Eurocódigo 8 [1]), pero en el caso de laingeniería de las plataformas petrolíferas se tra-tan como si fueran cargas del entorno. Esta estambién la práctica que se ha adoptado en lasdos lecciones que se ocupan de las cargas, laslecciones 17.2 y 17.3.

30

2. CARGAS DEL ENTORNO

Las cargas del entorno son aquéllas cau-sadas por fenómenos tales como viento, olas,corrientes, mareas, seísmos, temperatura, hielo,movimientos del lecho marino y desarrollo de lavida marina. Sus parámetros característicos, quedefinen los valores de las cargas proyectadas, sedeterminan en estudios especiales efectuados enbase a los datos disponibles. De acuerdo con lasregulaciones estadounidenses y noruegas (o conlos reglamentos en práctica), el intervalo medio derepetición para el correspondiente caso proyecta-do debe ser de 100 años, mientras que según lasreglas británicas debe ser de 50 años o mayor.Los detalles acerca de los criterios del cálculo, lashipótesis de simplificación, los datos necesarios,etc, pueden encontrarse en las regulaciones ycódigos de práctica que se indican en [2]-[7].

2.1 Cargas del VientoLas cargas del viento actúan sobre la por-

ción de la plataforma situada por encima delnivel del agua, así como sobre otros equipa-mientos, alojamientos, grúas derrick, etc, situa-dos sobre el módulo. Un parámetro importanterelativo a los datos del viento es el intervalo detiempo para el que se hace la media de las velo-cidades del viento. Para obtener la media deintervalos inferiores a un minuto, las velocidadesdel viento se clasifican como rachas. Cuando lamedia se efectúa para intervalos de un minuto osuperiores, se clasifican como velocidades delviento sostenidas.

El perfil de la velocidad del viento puedetomarse de API-RP2A [2]:

Vh/VH = (h/H)1/n (1)

donde:

Vh es la velocidad del viento a una altura h,

VH es la velocidad del viento a una altura dereferencia H, normalmente situada a 10m por encima del nivel medio del agua,

1/n oscila entre 1/13 y 1/7, dependiendo delas condiciones del mar, de la distancia a

tierra y del intervalo de tiempo adoptadopara obtener la media. Es aproximada-mente igual a 1/13 en el caso de lasrachas y de 1/8 para los vientos sosteni-dos en el mar abierto.

Es posible calcular la fuerza estática delviento Fw(N) que actúa perpendicularmentesobre un área expuesta A(m2) a partir de la velo-cidad del viento V(m/s) de la siguiente manera:

Fw = (1/2) V2 Cs A (2)

donde:

Cs es el coeficiente de forma (Cs = 1,5 paralas vigas y los lados de edificios, Cs = 0,5para secciones cilíndricas y Cs = 1,0 parael área total proyectada de la plataforma).

Es posible tener en cuenta, según el crite-rio del proyectista, los efectos del blindaje y de lasolidez mediante la utilización de los coeficientesapropiados.

Para su combinación con las cargas delas olas, las reglas de DNV [4] y DOE-OG [7]recomiendan la más desfavorable de las dos car-gas siguientes:

a. velocidades del viento sostenidas duran-te 1 minuto combinadas con oleaje extre-mo.

b. rachas de 3 segundos.

API-RP2A [2] distingue entre los efectosglobales y locales de la carga del viento. Para elprimero de estos casos, proporciona valoresguía de las velocidades medias del viento, pro-medio de periodos de 1 hora, para su combina-ción con el oleaje y la corriente extremos. Para elsegundo caso, proporciona valores extremos delas velocidades del viento para su utilización sintener en cuenta las olas.

Generalmente las cargas del viento seconsideran estáticas. No obstante, cuando elratio de la altura con respecto a la dimensiónmenos horizontal del objeto expuesto al viento (oestructura) es superior a 5, es posible que esteobjeto (o estructura) sea sensible al viento. API-

31

CARGAS DEL ENTORNO

RP2A exige que se tengan en cuenta los efectosdinámicos del viento en este caso y se debeninvestigar las cargas del viento cíclicas inducidaspor la circulación debidas a la acción turbulenta.

2.2 Cargas OscilantesNormalmente las cargas oscilantes de

una plataforma petrolífera son la más importantede todas las cargas del entorno para las que esnecesario diseñar dicha estructura. Las fuerzasque actúan sobre la estructura están causadaspor el movimiento del agua debido a las olas quese generan como resultado de la acción del vien-to sobre la superficie del mar. La determinaciónde estas fuerzas requiere la solución de dos pro-blemas que, aunque independientes, están inte-rrelacionados. El primero de ellos es el estadodel mar calculado mediante una idealización delperfil de la superficie de las olas y de la cinemá-tica de la ola mediante una adecuada teoría deondas . El segundo consiste en el cálculo de lasfuerzas del oleaje sobre los miembros individua-les y sobre la totalidad de la estructura, en basea los movimientos de los fluidos.

Se utilizan dos conceptos de análisis dife-rentes:

• El concepto de diseño de ondas, en el que sedefine una onda regular de una cierta alturay período, se calculan las fuerzas debidas a

esta onda utilizando una teoría de ondas deorden superior. Normalmente se escoge unaonda de 100 años, es decir, la onda máximacon un período de retorno de 100 años. Nose tiene en cuenta el comportamiento diná-mico de la estructura. Este análisis estáticoresulta apropiado cuando los periodos de lasolas dominantes están muy por encima delperíodo de la estructura. Este es el caso delas olas extremas consecuencia de tormen-tas que actúan sobre las estructuras situadasen aguas poco profundas.

• Análisis estadístico en base al diagrama dedispersión de las ondas para el emplaza-miento de la estructura. Se definen losespectros apropiados de las ondas con elfin de efectuar el análisis en el dominio de lafrecuencia. Mediante la utilización de losmétodos estadísticos, la fuerza máximamás probable durante la vida de la estructu-ra se calcula utilizando la teoría lineal deondas. Es necesario escoger el análisisestadístico con el objeto de analizar laresistencia a la fatiga y el comportamientodinámico de la estructura.

2.2.1 Teorías de Ondas

Las teorías de la onda describen la cine-mática de las olas de agua en base a la teoría

potencial. Sirven, en particular,para calcular las velocidades yaceleraciones de las partículas yla presión dinámica como funcio-nes de la elevación de la superfi-cie de las olas. Se parte de lahipótesis de que las olas son decresta larga, es decir, que pue-den describirse mediante uncampo de flujo bidimensional yse caracterizan por los siguien-tes parámetros: altura de la olas(H), período (T) y profundidaddel agua (d), tal y como semuestra en la figura 1.

Existen diferentes teoríasde diversa complejidad, desarro-

32

c

L = cT

H

d

Cresta

Depresión

Nivel de agua en calma

c = Velocidad de la ola m/seg

Línea del fondo

Figura 1 Símbolos de la ola

33

CARGAS DEL ENTORNO

Fase

θ = kx ωt

dProfundidad relativa del agua —

L

Potencial de la velocidad θ

Elevación de la superficie ζ

∂ΦPresión dinámica Pdyn = –ρ ——

∂ t

Velocidades de las partículas del agua

∂Φ• horizontal u = –ρ ——

∂ x

∂Φ• vertical w = ——

∂ z

Aceleraciones de las partículas del agua

∂u• horizontal u· = ——

∂ t

∂w• vertical w· = ——

∂ t

ω LCeleridad de la onda c = — = —

k T

dωVelocidad de grupo cgr = ——

dk

2πFrecuencia circular ω = ——

T

2πLongitud de la onda L = ——

k

2πNúmero de la onda k = ——

L

Aguas profundas

d— ≥ 0,5L

ζag—— ekz sen θω

ζa cos θ

ρgζa ekz cos θ

ζa ωekz cos θ

ζa ωekz sen θ

ζa ω2 ekz sen θ

ζa ωekz cos θ

co =

g g— = —√ ko w

cgr =

co g— —2 2ω

w = √ Kog

gLo —— T2

2π

ω2ko —— g

Profundidad finita del agua

d— < 0,5L

ζag cosh k (z + d)—— ——————— sen θ

ω cosh kd

ζa cos θ

cosh k (z + d)ρgζa ——————— cos θ

cosh kd

cosh k (z + d)ζaω ——————— cos θ

senh kd

senh k (z + d)ζaω ——————— sen θ

senh kd

cosh k (z + d)ζaω2 ——————— sen θ

senh kd

senh k (z + d)−ζaω2 ——————— cos ζ

senh kd

gc = √— tanh kd

d

c 2kdcgr = — [1+ ————]2 senh 2kd

ω = √kg tanh kd

gT2 2 π dL = —— tan h (———)2π L

w2kd tanh kd = —— d

g

Tabla 1 Resultados de la Teoría Lineal de Airy [11]

(continua en la página siguiente)

lladas en base a hipótesis de simplificación, queresultan apropiadas para los diferentes camposde los parámetros de la onda. Entre las teoríasmás extendidas se encuentran: la teoría lineal deAiry, la teoría del quinto orden de Stokes, la teo-ría de la onda solitaria, la teoría conoidal, la teo-ría de la función de flujo de Dean y la teoríanumérica desarrollada por Chappelear. Para la

selección de la teoría más apropiada puede con-sultarse el gráfico que se muestra en la figura 2.A manera de ejemplo, la tabla 1 presenta losresultados de la teoría lineal de ondas en el casode condiciones de profundidad finita y de aguasprofundas. Los recorridos correspondientes delas partículas se ilustra en las figuras 3 y 4.Obsérvese la fuerte influencia de la profundidad

34

Olamás alta

Parámetros de la pendiente de la ola H/gT2

0,03�

0,02

0,01

00,02 0,04 0,06 0,08 0,10 0,12 0,14 0,16 0,18

Parámetros de profundidad del agua d/gT2

Solitaria

Soluciones de profundidad infinita

H/HB = 0,05

H/HB = 1,00

H/HB = 0,675

Stokes - 5º ordeng = 9,81 m/seg2

Numérica de Deans o Chappelear

= 0,02732H gT2

Figura 2 Gráfico para la selección de la teoría de la ola

Desplazamientos de las partículas del agua

• horizontal ξ

• vertical ζ

Trayectorias de las partículas

–ζa ekz sen θ

ζa ekz cos θ

Órbitas circulares

cosh k (z + d)–ζa ——————— sen θ

senh kd

senh k (z + d)ζa ——————— cos θ

senh kd

Órbitas elípticas

1 HDonde ζa = — x longitud de onda = —

2 2

(viene de la página anterior)

Tabla 1 Resultados de la Teoría Lineal de Airy [11]

del agua sobre la cinemática de la ola. Es posi-ble encontrar resultados de las teorías de laonda de orden superior en la bibliografía, porejemplo en [8].

2.2.2 Estadística de la Ola

En realidad las olas no se manifiestancomo ondas regulares, sino como estados irre-gulares del mar. Esta aparición irregular se pro-duce como resultado de la superposición linealde un número infinito de ondas regulares conuna frecuencia variable (figura 5). El mejor méto-do para la descripción de un estado aleatorio delmar consiste en la utilización del espectro de ladensidad de la energía de la ola S(

ω), habitual-mente denominado el espectro de la onda pormotivos de simplicidad. Éste se formula comouna función de la frecuencia de la onda circularω utilizando los siguientes parámetros: la alturasignificativa de la ola Hs y el período medio de laola (período cero-máximo) To. También es posi-ble tener en cuenta, como un parámetro adicio-nal, la amplitud del espectro.

35

CARGAS DEL ENTORNO

zx

kx = 0 kx = πkx = π2

kx = π 3

2

kz

0,00�

-0,25�

-0,50

-0,75�

-1,00�

-1,25�

-1,50�

-1,75�

-2,00

Presión Velocidad de las partículas locales

Perfil de la ola ς = ςa cos (kx - wt) = ςa cosθTrayectorias de las partículas de agua: recorridos circulares (radio ςaekz) Magnitud de la velocidad de la partícula ςa ω ekz

Magnitud de la aceleración de la partícula ςa ω2 ekz

Cresta de la ola p = ρ g ςa e

kz - ρgzω = k =

2πL

2πL

Depresión de la ola p = - ρ g ςa e

kz - ρgz

Velocidad de propagación c =

gT 2π

⇒

CUS

CUS

Profundidad finita < 0,5d L

Profundidad > 0,5d L

(a) Aguas poco profundas

(b) Aguas profundas

Figura 4 Comparación entre olas en aguas poco y muyprofundas

Figura 3 Recorridos de las partículas y dinámicas de la ola en aguas profundas según la teoría lineal

La respuesta de la estructura, es decir,fuerzas, movimientos, etc, se calcula multiplican-do el espectro de la energía de la onda por elcuadrado de una función de transferencia lineal.A partir del espectro de la respuesta resultante,es posible deducir fácilmente tanto la respuestaprevista significativa como la máxima en un inter-valo de tiempo concreto.

En el caso de las estadísticas a largo plazo,es necesario un diagrama de la dispersión de la olapara el emplazamiento de la estructura. Éste puedeobtenerse a partir de las medidas realizadas duran-te un largo período de tiempo o deducirse a partirde las observaciones meteorológicas en la región(el llamado método de la previsión retrospectiva).

El diagrama de dispersión contiene el cál-culo de probabilidades combinado de la existen-cia de pares de periodos de la onda medios y

alturas de la onda significativos. Para cada parde parámetros, el espectro de la onda se calculaen base a la fórmula normalizada, por ejemplode Pierson-Moskowitz (figura 6), que finalmenteproporciona el espectro de la respuesta desea-do. Para los análisis de fatiga es posible derivarde esta manera el número total y la amplitud delos ciclos de carga durante la vida de la estruc-tura. Para las estructuras que presentan una res-puesta dinámica importante a la excitación de laonda, las fuerzas y movimientos máximos ten-drán que calcularse mediante métodos estadísti-cos o mediante un análisis espacio temporal.

2.2.3 Fuerzas del Oleaje sobre losElementos de ConstrucciónLas estructuras expuestas al oleaje expe-

rimentan fuerzas sustanciales mucho mayores

36

Tn

T2

T1

H1

H2

Hn

a

a1(t) = sen( )H12

2πt T1

a2(t) = sen( )H22

2πt T2

an(t) = sen( )Hn2

2πt Tn

a(t) = Σ sen( )Hi2

2πt Ti

n

i=1

Figura 5 Análisis del oleaje aleatorio

que las cargas del viento. Estas fuerzas se pro-ducen como resultado de la presión dinámica yde los movimientos de las partículas del agua.Pueden distinguirse dos casos:

• Los cuerpos de gran volumen, denominadosestructuras compactas hidrodinámicas influyensobre el campo de las olas mediante la difrac-ción y la reflexión. Para la determinación de lasfuerzas que actúan sobre estos cuerpos esnecesario efectuar costosos cálculos numéri-cos basados en la teoría de la difracción.

• Las estructuras ligeras o de menor volu-men, hidrodinámicamente transparentes no

ejercen una influencia significativa sobre elcampo de la ola. Es posible calcular lasfuerzas de manera directa mediante laecuación de Morison. Como norma, laecuación de Morison puede aplicarse cuan-do D/L ≤ 0,2, donde D es el diámetro delmiembro y L es la longitud de la ola.

Normalmente, las jackets de acero de lasplataformas petrolíferas pueden considerarsecomo hidrodinámicamente transparentes. Por lotanto, es posible calcular las fuerzas del oleaje queactúan sobre los miembros sumergidos mediantela ecuación de Morison, que expresa la fuerza deloleaje como la suma de una fuerza de inercia pro-

37

CARGAS DEL ENTORNO

S(f) - Espectro de la densidad de la energía (ft2 seg)

Espectro de Pierson-Moskowitz S(f) = 2nS(w)

S(w) = (A/ws)e -(8/w4)

b = 16n3/Tm4

A = 8H2s/C

w = 2nf Hs = Altura significativa de la ola Tm = Período medio de la ola C = Parámetro de la anchura del espectro

D (f.θ) - Función de propagación

s(f) = Dispersión

θo(f) = Dirección media

α = Parámetro normalizador

θ-θo(f) 2

θo(f) θ

Figura 6 Descripción tipo del espectro de una ola direccional

D(f,θ) = α{cos[ ]}2s(f)

porcional a la aceleración de las partículas y unafuerza de resistencia no lineal proporcional al cua-drado de la velocidad de las partículas:

F =

donde

F es la fuerza del oleaje por longitudunitaria sobre un cilindro circular(N)

v, v son la velocidad de las partículasdel agua perpendiculares al cilin-dro, calculadas mediante la teoríade la onda seleccionada, en el ejedel cilindro (m/s)

v.

son la aceleración de las partícu-las perpendiculares al cilindro,calculada mediante la teoría de laonda seleccionada, en el eje delcilindro (m2/s2)

Q es la densidad del agua (kg/m3)

D es el diámetro del elemento, inclu-yendo el desarrollo de la vidamarina sobre ella (m)

CD, CM son los coeficientes de inercia y dela resistencia, respectivamente.

De esta forma, la ecuación es válida paracilindros tubulares fijos. Para el análisis de la res-puesta del movimiento de una estructura esnecesario modificar esta ecuación a fin de quetenga en cuenta el movimiento del cilindro. Losvalores de CD y CM dependen de la teoría de laonda que se utilice, de la rugosidad de la super-ficie y de los parámetros del flujo. De acuerdocon API-RP2A, CD ≅ 0,6 a 1,2 y CM ≅ 1,3 a 2,0.En las reglas de DNV [4] es posible encontrarinformación adicional.

La fuerza del oleaje total sobre cada ele-mento se obtiene mediante la integración numéri-ca a lo largo de la longitud del elemento. Las velo-cidades y aceleraciones del fluido en los puntosde integración se obtienen mediante la aplicacióndirecta de la teoría de la onda seleccionada.

De acuerdo con la ecuación de Morison lafuerza de arrastre es no lineal. Esta formulaciónno lineal se utiliza en el concepto de la onda. Noobstante, para la determinación de una funciónde transferencia necesaria para los cálculos deldominio de la frecuencia, es necesario linealizarla fuerza de arrastre de manera apropiada [8].

Además de las fuerzas propor-cionadas por la ecuación deMorison, las fuerzas verticales FD ylas fuerzas estructurales debidas agolpes de mar FS, que normalmen-te no se tienen en cuenta en loscálculos globales de la respuesta,pueden ser importantes para eldiseño de los elemento estructura-les. Para una sección de barra delongitud unitaria, estas fuerzaspueden calcularse de la siguientemanera:

FL = (1/2) Q CL Dv2 (4)

FS = (1/2) Q Cs Dv2 (5)

donde CL, CS son los coeficientesde las fuerzas verticales ascenden-

v v 2

D Q C + D

4D Q

C2

Mπ

38

Unidad de profundidad

1,0�

0,75�

0,5�

0,25�

0

0,70

0,58

0,46

0,18

0,91 (m/seg)

Figura 7 Perfil típico de una corriente de marea y viento en el Golfo deMéxico

CDCM v·

tes y de los esfuerzos estructurales debidos a losgolpes de mar y el resto de los símbolos son taly como se define en la ecuación de Morison. Lasfuerzas verticales ascendentes son perpendicu-lares al eje del elemento y la velocidad del fluidov y la aceleración están relacionadas con la fre-cuencia de la caída del vórtice. Los esfuerzosestructurales debidos a golpes de mar que actú-an sobre la parte inferior de los elementos hori-zontales situadas cerca del nivel medio del aguason impulsivos y casi verticales. Las fuerzas ver-ticales ascendentes pueden calcularse adoptan-do CL ≈ 1,3 CD. Para las barras tubulares Cs ≈ π.

2.3 Las Cargas de las Corrientes

Existen corrientes generadas por tormen-tas, circulación y mareas. La figura 7 muestra elperfil de una corriente de marea típica del Golfode México. Cuando las mediciones de campodisponibles son insuficientes, las velocidades dela corriente pueden obtenerse a partir de varias

fuentes, por ejemplo el Apéndice A de DNV [4].En el diseño de las plataformas, los efectos de lacorriente superimpuestos sobre el oleaje se tie-nen en cuenta añadiendo vectorialmente lasvelocidades del fluido correspondiente. Puestoque la fuerza de arrastre varía con el cuadradode la velocidad, esta suma puede aumentar engran medida las fuerzas que actúan sobre unaplataforma. En el caso de los elementos estruc-turales ligeros, las cargas cíclicas inducidas porlos vórtices también pueden ser importantes ydeben examinarse.

2.4 Cargas de los Seísmos

Normalmente, las plataformas petrolíferasen regiones de actividad sísmica se proyectanpara dos niveles de intensidad sísmica: el seís-mo de nivel de resistencia y el de nivel de ducti-lidad. Para el seísmo de nivel de resistencia,definido como el que “no es razonablemente pro-bable que sea superado durante la vida de la pla-

39

CARGAS DEL ENTORNO

270�

0�

-270

24�

0�

-24

5,4�

0�

-5,4

5 10 15 20 25 30

5 10 15 20 25 30

5 10 15 20 25 30

Tiempo (seg)

Tiempo (seg)

Tiempo (seg)

Aceleración (cm/seg)

Velocidad (cm/seg)

Desplazamiento (cm/seg)

BA43 KALAMATA 86 FECHA = 86 09 13 HORA = 17 24 35 Grabado en Kalamata Autom,dig. Comp = we Los datos están filtrados por bandas entre 0,10 y 0,30 y entre 30 y 32 herzios Valores punta: Aceleración = -267,9 g cm/seg x 2

Velocidad 23,66 cm/seg: Desplazamiento = 5,34 cm

Figura 8 Aceleración y velocidad del suelo y curvas de desplazamiento de un terremoto en Grecia

taforma” (intervalo medio de repetición ~ 200-500 años), la estructura se proyecta de maneraque responda elásticamente. Para el seísmo denivel de ductilidad, definido como “el seísmomáximo creíble” en el emplazamiento, la estruc-tura se proyecta para una respuesta inelástica yde manera que disponga de la resistencia dereserva adecuada para evitar el colapso.

En el caso del diseño para el nivel deresistencia, es posible especificar la carga sísmi-ca bien mediante series de acelerogramas (figu-ra 8) o mediante los espectros de respuesta(figura 9). La utilización de los espectros presen-ta varias ventajas frente a las soluciones basa-das en la evolución en función del tiempo (entra-da de la aceleración base). Debido a esta razón,

los espectros de respuesta constituyen el enfo-que preferible para los cálculos del nivel de resis-tencia. Si la intensidad espectral, característicadel riesgo sísmico en el emplazamiento, sedenota mediante amax, API-RP2A recomienda lautilización de amax para las dos direcciones hori-zontales principales y 0,5 amax para la direcciónvertical. Las reglas de DNV, por otra parte, reco-miendan amax y 0,7 amax para las dos direccio-nes horizontales (dos combinaciones diferentes)y 0,5 amax para la vertical. El valor de amax y, confrecuencia, los perfiles espectrales se determi-nan mediante estudios sismológicos específicosdel emplazamiento.

Los cálculos para los seísmos de nivel deductilidad exigen normalmente análisis inelásti-

40

5,0�

2,0�

1,0�

0,5�

0,2�

0,10,04 0,1 0,2 0,5 1,0 2,0 5,0

Esp

ectr

o de

la a

cele

raci

ón

SA

Ace

lera

ción

del

sue

lo e

fect

iva

G=

SA = Aceleración espectral

SV = SA = Velocidad espectral

SD = SA = Desplazamiento espectral

T 2πT2

2π2

Período T (segundos)

S A/G

=20

T

SA/G = 2,5

5% de amortiguamiento crítico

A B C

Tipo de suelo

SA /G

=1,8 T

SA /G

=1,2 T

SA /G

=0,8 T

Tipo de suelo

A Roca - conglomerado cristalino o pizarra - como material que presenta en general velocidades de

ondas de corte de 3000 píes/seg (914 m/s)

B Material de aluvión fuerte de poca profundidad como por ejemplo arenas, limo y arcillas rígidas

con resistencias al corte predominantes de unos 1500 Psf (72 kPa), limitados a profundidades de

menos de 200 píes aproximadamente (61 m), y que se encuentr an sobre materiales rocosos

C Capas profundas, resistentes a aluviones, de arenas, limos y arcillas rígidas con espesores

predominantes de unos 200 píes (61m) y que están superpuestos a materiales rocosos

Figura 9 Espectros de la respuesta proyectada recomendados API RP2A

cos y, por lo tanto, la especificación de la cargasísmica. Esta especificación se efectúa median-te acelerogramas de tres componentes, reales oartificiales, representativos de los movimientosextremos del suelo que podrían sacudir elemplazamiento de la plataforma. No obstante,también es posible establecer las característicasde este tipo de movimientos mediante los espec-tros de respuesta, que normalmente son el resul-tado de un estudio sismotectónico específico delemplazamiento. En las lecciones 21: DiseñoSísmico, se proporcionan más detalles relativosa los análisis sísmicos.

2.5 Cargas de Hielo y de Nieve

En las zonas árticas y subárticas, el hieloconstituye un problema de primer orden paralas plataformas petrolíferas. La formación y laexpansión del hielo puede generar grandes pre-siones que ocasionan fuerzas tanto horizonta-les como verticales. Además, los grandes blo-ques de hielo arrastrados por las corrientes,vientos y oleaje a velocidades que puedenaproximarse a 0,5 o hasta 1,0 m/s pueden gol-pear la estructura y producir cargas debidas alefecto dinámico.

Como primera aproximación, las fuerzashorizontales del hielo, aplicadas estáticamente,pueden calcularse de la siguiente manera:

Fi = CifcA (7)

donde:

A es el área expuesta de la estructura

fc es la resistencia a la compresión del hielo

Ci es el coeficiente que tiene en cuenta elperfil, el índice de la aplicación de lacarga y otros factores, con valores habi-tuales que oscilan entre 0,3 y 0,7.

Generalmente, los estudios detalladosbasados en mediciones de campo, ensayos delaboratorio y trabajos analíticos son necesariospara desarrollar fuerzas del hielo de cálculo fia-

bles para un emplazamiento geográfico concre-to.

Además de estas fuerzas, la formación dehielo y la acumulación de nieve aumentan lascargas por gravedad, y la acumulación de nieveaumenta las áreas expuestas a la acción delviento. En el Eurocódigo 1 [10] es posible encon-trar información más detallada relativa a las car-gas de nieve.

2.6 Cargas Debidas a lasVariaciones de laTemperaturaLas plataformas petrolíferas pueden verse

sometidas a gradientes de la temperatura queproducen tensiones térmicas. Con el fin de teneren cuenta estas tensiones, es necesario calcularlos valores extremos de las temperaturas del mary del aire que es posible que se produzcandurante la vida de la estructura. En BS 6235 [6]se proporcionan datos relevantes para el Mar delNorte. Además de las fuentes del entorno, tam-bién existen factores humanos que puedengenerar cargas térmicas, por ejemplo medianteel escape accidental de material criogénico, fac-tores que es necesario considerar en el cálculocomo cargas accidentales. También se debeconsiderar la temperatura del petróleo y del gasproducidos.

2.7 Desarrollo de la Vida Marina

El desarrollo de la vida marina se acumu-la sobre los elementos sumergidos. Su efectoprincipal consiste en el aumento de las fuerzasdel oleaje sobre los elementos mediante el incre-mento no sólo de áreas y volúmenes, sino tam-bién de la resistencia debido a la mayor rugosi-dad superficial. Además, incrementa la masaunitaria del elemento, lo cual produce unas car-gas por gravedad más elevadas y unas frecuen-cias más reducidas. Dependiendo del emplaza-miento geográfico, el espesor del desarrollo de lavida marina puede alcanzar 0,3 m o más. Estefenómeno se tiene en cuenta en el cálculomediante los incrementos adecuados en el diá-

41

CARGAS DEL ENTORNO

metro y en la masa de los elementos sumergi-das.

2.8 Mareas

Las mareas afectan indirectamente a lascargas del oleaje y de las corrientes mediante ladesviación del nivel de la superficie del mar. Lasmareas se clasifican en: (a) mareas astronómi-cas, que se producen fundamentalmente comoresultado de la atracción gravitatoria de la luna ydel sol y (b) marejadas causadas por tempora-les, que son el resultado de la acción combinadadel viento y de los diferenciales de la presiónbarométrica durante una tormenta. El efectocombinado de ambos tipos de marea se denomi-na la marea de temporal. En la figura 10 semuestran los niveles del agua dependientes delas mareas y las definiciones asociadas, segúnse utilizan en el diseño de las plataformas petro-líferas. El campo de la marea astronómicadepende de la localización geográfica y de lasfases de la luna. Su nivel máximo, las mareasvivas, se producen con el novilunio. El campovaría desde algunos centímetros a varios metrosy puede obtenerse a partir de mapas especiales.

Las mareas de temporal dependen del períodode retorno que se considere y su campo es delorden de 1,0 a 3,0 m. A la hora de diseñar unaplataforma, el oleaje de temporal extremo sesuperpone sobre el nivel de las aguas en calma(véase la figura 10). En el caso del diseño relati-vo a los niveles de los desembarcaderos, defen-sas para las barcazas, límites superiores para eldesarrollo de los organismos marinos, etc, se uti-lizan las desviaciones diarias de las mareasastronómicas.

2.9 Movimientos del LechoMarinoEl movimiento del lecho marino puede

producirse como resultado de procesos geológi-cos activos, presiones producidas por los tempo-rales, terremotos, reducción de la presión en lasreservas de producción, etc. Las cargas genera-das por este tipo de movimientos afectan no sóloal proyecto de los pilotes, sino también al de lajacket. Este tipo de fuerzas se determinanmediante investigaciones y estudios geotécnicosespeciales.

42

Nivel de las aguas en calma

Marea astronómica más alta

Nivel medio del agua

Marea astronómica más baja

Marea de temporal

Campo de la marea astronómica

Figura 10 Nivel del agua según las mareas y las definiciones asociadas

3. RESUMEN FINAL

• En el entorno de una plataforma existe unaimportante categoría de cargas que gobier-nan muchos aspectos del proyecto de lasplataformas.

• Las principales cargas del entorno sondebidas al viento, ondas, corrientes, seís-mos, hielo y nieve, desviaciones de la tem-peratura, desarrollo de organismos mari-nos, mareas y movimientos del lechomarino.

• Algunas reglas de práctica ampliamenteaceptadas, que se indican como [1]-[13],proporcionan valores guía para la mayorparte de las cargas del entorno.

• En el caso de las estructuras más importan-tes, la especificación de diseño de las cargasdel entorno exige estudios específicos.

• Algunas cargas del entorno pueden serextremadamente imprevisibles.

• La definición de ciertas cargas del entornodepende del tipo de análisis utilizado en elcálculo.

4. BIBLIOGRAFÍA

[1] Eurocode 8: “Structures in Seismic Regions -Design”, CEN (en preparación).

[2] API-RP2A, “Recommended Practice forPlanning, Designing and Constructing FixedOffshore Platforms”, American PetroleumInstitute, Washington, D.C., 18th ed., 1989.

[3] OCS, “Requirements for Verifying theStructural Integrity of OCS Platforms”, United

States Geologic Survey, National Centre,Reston, Virginia, 1980.

[4] DNV, “Rules for the Design, Construction andInspection of Offshore Structures”, Det NorskeVeritas, Oslo, 1977 (con correcciones 1982).

[5] NPD, “Regulation for Structural Design ofLoad-bearing Structures Intended forExploitation of Petroleum Resources”,Norwegian Petroleum Directorate, 1985.

[6] BS6235, “Code of Practice for Fixed OffshoreStructures”, British Standards Institution,London, 1982.

[7] DOE-OG, “Offshore Installation: Guidanceon Design and Construction”, U.K., Dept. ofEnergy, London 1985.

[8] Clauss, G. T. et al: “Offshore Structures, Vol1 - Conceptual Design and Hydromechanics”,Springer, London 1992.

[9] Anagnostopoulos, S.A., “Dynamic Responseof Offshore Structures to Extreme Waves inclu-ding Fluid - Structure Interaction”, Engr.Structures, Vol. 4, pp. 179-185, 1982.

[10] Eurocode 1: “Basis of Design and Actionson Structures”, CEN (en preparación).

[11] Hsu, H.T., “Applied Offshore StructuralEngineering”, Gulf Publishing Co., Houston,1981.

[12] Graff, W.J., “Introduction to OffshoreStructures”, Gulf Publishing Co., Houston,1981.

[13] Gerwick, B.C. Jr., “Construction of OffshoreStructures”, John Wiley, New York, 1986.

43

BIBLIOGRAFÍA



Lección 17.3: Cargas (II): Otras Cargas

45

47

OBJETIVOS/CONTENIDO

OBJETIVOS/CONTENIDO

Introducir y describir brevemente todaslas cargas, excepto las cargas del entorno, asícomo las combinaciones de cargas para la quees necesario proyectar una plataforma petrolífe-ra.


Unos conocimientos básicos del análisisestructural para las cargas estáticas y dinámi-cas.

RESUMEN

Se introducen las diversas categorías decargas, excepto las del entorno, para las que esnecesario proyectar una plataforma petrolífera

fundada sobre pilotes. Estas categorías incluyenlas cargas permanentes (propias), operativas(dinámicas), cargas generadas durante la fabri-cación y el montaje (debidas al levantamiento,izado, transporte, lanzamiento y posicionamientoen vertical) y cargas accidentales. Además, seofrecen las diferentes combinaciones para todoslos tipos de cargas, incluyendo las del entorno,según lo exijan (o sugieran) las normativas apli-cables (o reglamentos de práctica).

Las categorías de cargas que se descri-ben en esta lección son las siguientes:

1. Cargas permanentes (propias)

2. Cargas operativas (dinámicas)

3. Cargas durante la fabricación y el montaje

4. Cargas accidentales

Las categorías principales de las cargasdel entorno no se incluyen. Estas cargas ya sediscutieron en la lección 17.2.

1. CARGAS PERMANENTES(PROPIAS)

Las cargas permanentes incluyen lassiguientes:

a. El peso de la estructura en el aire,incluyendo el peso de la lechada de cemento ydel lastre, cuando éstos resulten necesarios.

b. El peso de los equipos, uniones oestructuras asociadas que estén montadas demanera permanente sobre la estructura.

c. Las fuerzas hidrostáticas queactúan sobre los elementos situados por debajodel nivel del agua. Estas fuerzas incluyen la flo-tabilidad y las presiones hidrostáticas.

Las elementos tubulares herméticosdeben diseñarse para el caso más desfavorable,tanto inundadas como no inundadas.

48

2. CARGAS OPERATIVAS(DINÁMICAS)

Las cargas dinámicas surgen como resul-tado de las operaciones realizadas sobre la pla-taforma e incluyen el peso de todos los equiposy materiales no permanentes, así como las fuer-

zas generadas durante la operación de los equi-pos. Más concretamente, las cargas operativasincluyen las siguientes:

a. El peso de todos los equipos no perma-nentes (por ejemplo equipos de perfora-ción, producción), instalaciones (por

49

CARGAS OPERATIVAS (DINÁMICAS)

Cargas que es necesario Para porciones de la Para la estructuraconsiderar (kN/m2) estructura en su totalidad

Zona considerada Suelos y Otrosviguetas componentes (3)

Zona del proceso (en lasproximidades de pozos yaparatos a gran escala) 5 (1) 5 (1) 2.5

Zona de perforación 5 (1) 5 (1) 2.5

Pasarelas y plataformas depaso (excepto salidas deemergencia 3 2.5 1

Escaleras (excepto salidasde emergencia) 4 3 0

Techos de los módulos 2 1.5 1

Salidas de emergencia 5 5 0

ALMACENAMIENTO

Zonas de almacenamiento– pesados 18 12 8 (2)

Zonas de almacenamiento– ligeros 9 6 4 (2)

Zona de entrega 10 10 5

Área de usos generales 6 4 3

Tabla 1 Especificación de las cargas dinámicas mínima de diseño

(1) Acumulada con una carga concentrada igual al peso de la pieza más pesada que es probable que se retire, con unvalor mínimo de 5 kN. Se asume que las cargas concentradas se están aplicando a una superficie de 0,3

× 0,3 m.

(2) Aplicadas sobre la totalidad de la superficie de la plataforma (incluyendo tráfico).

(3) Esta columna proporciona las cargas que es necesario tener en cuenta para el cálculo global de la estructura. Estosvalores constituyen los datos de entrada para programas informatizados.

ejemplo alojamientos, mobiliario, siste-mas de apoyo para la vida en la platafor-ma, helipuerto, etc), materiales fungibles,líquidos, etc.

b. Las fuerzas generadas durante las ope-raciones de la plataforma como, porejemplo, perforación, amarre de barcos,aterrizaje de helicópteros, operacionesde las grúas, etc.

Tanto el operario como los fabricantes delos equipos proporcionan los datos necesariospara el cálculo de todas las cargas operaciona-les. Es necesario que el ingeniero evalúe crítica-mente los datos. En la tabla 1 se proporciona unejemplo del reglamento detallado de una cargadinámica, en la que los valores en la primera ysegunda columna corresponden al diseño de lasporciones de la estructura que resultan directa-mente afectadas por las cargas, y los valoresreducidos de la última columna corresponden ala estructura en su totalidad. Cuando no se dis-ponga de estos datos, en BS 6235 [1] se reco-miendan los siguientes valores:

a. alojamientos de la tripulación y pasillos:3,2 KN/m2

b. áreas de trabajo: 8,5 KN/m2

c. áreas de almacenamiento: γH KN/m2

donde

γ es el peso específico de los materialesalmacenados, cuyo valor adoptado nodebe ser inferior a 6,87 KN/m3,

H es la altura de almacenamiento (m).

Con frecuencia, las fuerzas generadasdurante el proceso de trabajo son de naturalezadinámica o impulsiva y deben ser tratadas comotales. Por ejemplo, de acuerdo con las reglas deBS 6235, es necesario considerar dos tipos deaterrizaje de los helicópteros, los aterrizajespesados y los de emergencia. En el primer caso,es necesario considerar la carga de impactocomo 1,5 veces el peso máximo de despegue,mientras que en el segundo caso, este coeficien-te se convierte en 2,5. Además, es necesariotener en cuenta una carga horizontal aplicada enlos puntos de impacto cuyo valor se fija en lamitad de peso máximo de despegue.Normalmente, las cargas producto de la maqui-naria rotativa, equipos de perforación, etc, pue-den tratarse como fuerzas armónicas. Cuandose procede al amarre de barcos, las fuerzas pro-yectadas se calculan para el caso del barcomayor que es probable que se aproxime a velo-cidades operacionales. De acuerdo con BS6235, el impacto mínimo que es necesario con-siderar es el de un buque de 2500 toneladas a0,5 m/s.

50

3. CARGAS PRODUCIDASDURANTE LA FABRICACIÓNY EL MONTAJEEstas cargas son temporales y surgen

durante la fabricación y el montaje de la platafor-ma o de sus componentes. Durante la fabrica-ción, los levantamientos de diversos componen-tes estructurales generan fuerzas verticalesascendentes, mientras que durante la fase delmontaje las fuerzas se generan durante el izadoa bordo de la plataforma, el transporte al empla-zamiento, el lanzamiento y el posicionamiento envertical, así como durante los levantamientosrelacionados con el montaje.

De acuerdo con las reglas de DNV [2], elperíodo de retorno para el cálculo de las condi-ciones del entorno diseñadas para el montaje, y

la fabricación, debe tener, normalmente, tresveces la duración de la fase correspondiente. Porotra parte, API-RP2A [3] deja la duración de esteperíodo de retorno a discreción del propietario,mientras que las reglas BS 6235 [1] recomien-dan un intervalo de repetición mínimo de 10años para las cargas del entorno calculadas aso-ciadas al transporte de la estructura hasta elemplazamiento de la plataforma.

3.1 Fuerzas VerticalesAscendentesLas fuerzas ascendentes son funciones

del peso del componente estructural que se estálevantando, del número y emplazamiento de loscáncamos de suspensión utilizados para ellevantamiento, del ángulo entre cada eslinga y el

eje vertical y de las condicionesbajo las que se efectúa el levan-tamiento (figura 1). Es necesariodiseñar todas las elementos yuniones de un componente a serizado según las fuerzas que seproducen como resultado delequilibrio estático del pesolevantado y de las tracciones dela eslinga. Además, API-RP2Arecomienda que, con el fin decompensar cualquier movimien-to lateral, los cáncamos de sus-pensión y las uniones a los ele-mentos estructurales de apoyose proyecten para la acción com-binada de la carga estática de laeslinga y una fuerza horizontaligual al 5% de esta carga, apli-cada perpendicularmente al cán-camo en el centro del agujerodel perno. Todas estas fuerzascalculadas se aplican en formade cargas estáticas cuando loslevantamientos se llevan a caboen el astillero de fabricación. Noobstante, en caso de que la grúaderrick utilizada o la estructuraque se ha de levantar seencuentren a bordo de un buqueflotante, es necesario aplicar los

51

CARGAS PRODUCIDAS DURANTE…

Derrick

(a) Grúa y estructura sobre tierra

(b) Grúa en tierra, estructura sobre barcaza flotante

(c) Grúa y estructura en el mar

Eslingas de elevación

w

w

s s

Tablero

Barcaza

Grúa

Figura 1 Levantamientos en condiciones diversas

coeficientes de la carga dinámica a las fuerzasascendentes estáticas. Concretamente, para elcaso de los levantamientos efectuados en el mar,

API-RP2A recomienda dos valores mínimos delos coeficientes de la carga dinámica: 2,0 y 1,35.El primero es para el proceso del cálculo de los

52

HW LW

Am

plitu

d de

la

mar

ea

HW

LW

M 5�4�3�2�1�0

3 4 5 6 7 8 9 101112131415161718

Calado

5,54m

6,14m�

6,59m�

7,20m�

7,54m

Desplaza- miento

37.000t

40.220t�

43.000t�

47.780t�

50.500t

Progreso de la jacket

0

65m�

95m�

125m�

142m

Peso transferido a la barcaza

0

8.500t�

12.800t�

17.000t�

17.000t

Fase DAgua extraída por bombeo: 1.600t

Agua extraída por bombeo: 830t Lastre transferido: 170t

Fase 1

Agua extraída por bombeo: 160t Lastre transferido 180t

Fase 2

Agua extraída por bombeo: 1490t

Fase 3

Agua bombeada dentro: 1870t

Fase 4 Lastre transferido: 650t

0 1 2 3 4Curva de la marea el 5 de Mayo de 1979

Fases

Figura 2 Varias fases de lanzamiento de la jacket por deslizamiento

cáncamos, así como para todas las elementos ysus uniones de los extremos, de refuerzo de launión a la que se une el cáncamo, mientras queel segundo es para todas las demás elementosque transmiten fuerzas ascendentes. Para elizado a bordo practicado en emplazamientosresguardados, los coeficientes de la carga míni-mos correspondientes para ambos grupos decomponentes estructurales se convierten, deacuerdo con API-RP2A, en 1,5 y 1,15 respecti-vamente.

3.2 Fuerzas de Izado

Se trata de las fuerzas generadas cuandola jacket se embarca a bordo de la barcaza

desde el astillero de fabricación. Si el izado seefectúa mediante un levantamiento directo,entonces, a menos que la disposición para ellevantamiento sea diferente a la utilizada para elmontaje, no es necesario calcular las fuerzasascendentes, puesto que el levantamiento enmar abierto crea unas condiciones de cargamás intensas que requieren coeficientes de lacarga dinámica más elevados. Si el embarquese efectúa mediante el deslizamiento de laestructura sobre la barcaza, es necesario teneren cuenta varias condiciones de carga estática,con la jacket apoyada lateralmente. Este tipo decondiciones de carga surgen como resultado delas diferentes posiciones de la jacket durante lasfases del izado (tal y como se muestra en la figu-ra 2) que son consecuencia del movimiento dela barcaza debido a las fluctuaciones de lamarea, el tráfico marítimo o de la modificacióndel calado, así como también de posibles asen-tamientos del apoyo. Puesto que el movimientode la jacket es lento, es posible considerar está-ticas todas las condiciones de carga. Los valo-res típicos de los coeficientes de fricción para elcálculo de las fuerzas de deslizamiento son lossiguientes:

• acero sobre acero sin lubricación. . . . 0,25

• acero con acero con lubricación . . . . 0,15

• acero sobre teflón . . . . . . . . . . . . . . 0,10

• teflón sobre teflón . . . . . . . . . . . . . . . 0,08

3.3 Fuerzas del Transporte

Estas fuerzas se generan durante eltransporte marítimo de los componentes de lasplataformas (jacket, tablero) sobre barcazas outilizando su propia flotabilidad. Estas fuerzasdependen del peso, de la geometría y de las con-diciones de apoyo de la estructura (mediantebarcaza o mediante flotabilidad) y también de lascondiciones del entorno (oleaje, vientos ycorrientes) que prevalecen durante el transporte.En la figura 3 se muestra un ejemplo de los tiposde movimiento que puede experimentar unaestructura flotante. Con el fin de minimizar los

53


Levantamiento

Cabezada

Balanceo

Vaivén

Agitación

Guiñada

Figura 3 Tipos de movimiento de un objeto flotante

riesgos asociados y garantizar un trasporteseguro desde el astillero de fabricación hasta elemplazamiento de la plataforma, es importanteplanear cuidadosamente la operación teniendoen cuenta, de acuerdo con API-RP2A [3], losiguiente:

1. Experiencia previa a lo largo de la ruta deremolque

2. Tiempo de exposición y fiabilidad de las“ventanas meteorológicas” previstas

3. Accesibilidad de puertos seguros

4. Patrón estacional del tiempo

5. Un período de retorno apropiado para ladeterminación de las condiciones dediseño del viento, oleaje y corrientes,teniendo en cuenta las características delremolcado tales como magnitud, estruc-tura, sensibilidad y costes.

Las fuerzas del transporte se generanmediante el movimiento del remolque, es decir,de la estructura y de la barcazasobre la que ésta se apoya. Estasfuerzas se determinan a partir de losvientos, el oleaje y las corrientescalculadas. Si la estructura es autoflotante, es posible calcular las car-gas directamente. De acuerdo conAPI-RP2A [3], los análisis del remol-cado deben basarse en los resulta-dos de ensayos en dársena conmodelos o en métodos analíticosapropiados y deben tener en cuentalas direcciones del viento y del olea-je paralelas, perpendiculares y a 45°al eje del remolque. Las cargas deinercia pueden calcularse en base aun análisis del cuerpo rígido delremolque mediante la combinacióndel balanceo y del cabeceo con losmovimientos de viraje cuando lamagnitud del remolque, la magnitudde las condiciones del mar y laexperiencia hagan que estas hipóte-sis resulten razonables. En el caso

de las condiciones del mar abierto, los siguientesvalores pueden considerarse como valores cal-culados típicos:

Balanceo de amplitud simple: 20°

Cabeceo de amplitud simple: 10°

Período del balanceo o cabeceo: 10 segundos

Aceleración del viraje: 0,2 g

Cuando se procede al transporte de unajacket de gran tamaño utilizando una barcaza, laestabilidad contra la zozobra constituye una con-sideración fundamental del diseño debido a lagran altura del centro de gravedad de la jacket.Además, puede ser necesario tener en cuenta larigidez relativa de la jacket y de la barcaza, juntocon las fuerzas de impacto del oleaje que podrí-an producirse durante un acusado movimientode balanceo del remolque (figura 4) a la hora deefectuar los análisis estructurales para el proyec-to de los tirantes de amarre y de los elementosde la jacket afectados por las cargas inducidas.También existen programas informáticos espe-

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FijacionesA

A

G1

G2

M

F

Barcaza

F = Componente de la gravedad más la inercia G1 = Centro de gravedad de la jacket G2 = Centro de la gravedad del remolque M = Centro de gravedad del conjunto del remolque A = Áreas de impacto potencial

Figura 4 Vista esquemática de una barcaza de lanzamiento y una jacketsometidas a movimiento

ciales disponibles para el cálculo de las cargasde transporte en el sistema estructura-barcaza,así como de las tensiones resultantes para todotipo de condiciones del entorno específicas.

3.4 Fuerzas de Lanzamiento y dePosicionamiento en VerticalEstas fuerzas se generan durante el lan-

zamiento de una jacket desde la barcaza al mary durante el posicionamiento subsiguiente hastaalcanzar la posición vertical adecuada para des-cansar sobre el lecho marino. En la figura 5 semuestra una vista esquemática de estas opera-ciones. Una operación de lanzamiento-posicio-namiento en vertical consta de cinco etapas:

a. La jacket se desliza sobre las vigas dedeslizamiento

b. La jacket gira sobre los balancines

c. La jacket gira y se desliza de manerasimultánea

d. La jacket se separa completamente yalcanza su posición de equilibrio en flota-ción

e. Se coloca la jacket en posición verticalmediante una combinación de llenado de

agua controlado y levantamiento simultá-neo utilizando una grúa derrick.

Es posible evaluar las cargas, tanto diná-micas como estáticas, inducidas durante cadauna de estas etapas y la fuerza necesaria paraponer la jacket en movimiento mediante los aná-lisis apropiados, que también consideran laacción del viento, oleaje y corrientes previstosdurante la operación.

Para iniciar el lanzamiento, es necesariolastrar la barcaza hasta que alcance un calado yun ángulo de asiento del casco apropiados y, acontinuación, se debe tirar de la jacket hacia lapopa mediante un cabestrante. El deslizamientode la jacket comienza tan pronto como la fuerzaque actúa hacia abajo (el componente gravitato-rio y la tracción del cabestrante) sea superior ala fuerza de fricción. A medida que la jacket sedesliza, su peso se apoya sobre los dos patasque son parte de las vigas de celosía del lanza-miento. Cuando comienza la rotación, la longi-tud del apoyo continua disminuyendo hastaalcanzar un mínimo, que es igual a la longitudde las vigas del balancín. Normalmente, es eneste momento cuando se producen las fuerzasde lanzamiento más elevadas como reacción alpeso de la jacket. Durante las etapas (d) y (e),se producen fuerzas hidrostáticas variables quees necesario tener en cuenta en todas los ele-mentos afectados. Los cálculos de la flotabilidad

55


Brazo de balanceo

Figura 5 Secuencias de lanzamiento y posicionado de una jacket para plataforma petrolífera

son necesarios para cada una de las etapas dela operación con el fin de asegurar un movi-miento controlado y estable. Existen programasinformáticos disponibles para efectuar la deter-

minación de las tensiones necesarias para ellanzamiento y posicionamiento en vertical ytambién para ilustrar gráficamente la operaciónen su totalidad.

56

4. CARGAS ACCIDENTALES

De acuerdo con las reglas de DNV [2],las cargas accidentales son cargas, definidasde manera insatisfactoria con respecto a laintensidad y a la frecuencia, que pueden produ-cirse como resultado de circunstancias acci-dentales o excepcionales. Las cargas acciden-tales también se especifican como unacategoría independiente en las regulacionesNPD [4], pero no en las reglas API-RP2A [3],BS 6235 [1] o DOE-OG [5]. Ejemplos de cargasaccidentales lo constituyen las cargas debidasa la colisión con buques, incendios o explosio-nes, objetos caídos y llenado involuntario de los

depósitos de flotabilidad. Normalmente seadoptan medidas especiales con el objeto dereducir el riesgo de las cargas accidentales. Porejemplo, la protección frente a la caída de unobjeto para las cabezas de pozos u otros equi-pos críticos puede obtenerse mediante cubier-tas resistentes a los impactos diseñadas espe-cialmente. De acuerdo con las regulaciones deNPD [4], es posible desestimar una carga acci-dental cuando su probabilidad anual de apari-ción es inferior a 10-4. Este número se incluyecomo un cálculo de orden de magnitud y resul-ta extremadamente difícil de calcular. En elcaso de las plataformas petrolíferas, los seís-mos se consideran cargas del entorno.

57

CARGAS ACCIDENTALES

5. COMBINACIONES DE CARGAS

Las combinaciones de cargas utilizadaspara el diseño de plataformas petrolíferas fijasdependen del método de cálculo que se utilice,es decir, si se emplea el cálculo de la cargaadmisible o del estado límite. Las combinacionesde carga recomendadas para su utilización conlos procedimientos de la tensión admisible son:

a. Cargas propias más cargas del entornooperativas más cargas dinámicas máxi-mas, apropiadas para los procesos detrabajo normales de la plataforma.

b. Cargas propias más cargas del entornooperativas más cargas dinámicas míni-mas, apropiadas para los procesos detrabajo normales de la plataforma.

c. Cargas propias más cargas del entornoextremas (previstas) más cargas dinámi-cas máximas, apropiadas para su combi-nación con condiciones extremas.

d. Cargas propias más cargas del entornoextremas (previstas) más cargas dinámi-cas mínimas, apropiadas para su combi-nación con condiciones extremas.

Además, las cargas del entorno, con laexcepción de las cargas de los seísmos, debencombinarse de manera consistente con sus pro-babilidades combinadas de aparición durante elestado de carga en cuestión. Las cargas de losseísmos, si fueran aplicables, se han de imponercomo una carga del entorno independiente, esdecir, no se deben combinar con el oleaje, vien-to, etc. Las condiciones del entorno operativasse definen de manera que sean representativasde unas condiciones intensas, aunque no nece-sariamente limitadoras que, en caso de superar-se, exigirían la suspensión de las operaciones dela plataforma.

Las reglas DNV [2] permiten el diseño delas cargas admisibles, pero recomiendan elmétodo de cálculo del estado límite semiproba-

bilístico, que es también el que requieren lasreglas NPD [4]. BS 6235 permite ambos méto-dos, pero las ecuaciones que facilita son para elmétodo de la tensión admisible [1]. De acuerdocon las reglas de DNV y de NPD para el proyec-to del estado límite, es necesario verificar cuatroestados límite:

1. Estado límite último

En el caso de este estado límite, deben uti-lizarse las dos combinaciones de carga siguien-tes:

Habitual: 1,3 P + 1,3 L + 1,0 D + 0,7 E, y

Extrema : 1,0 P + 1,0 L + 1,0 D + 1,3 E

donde P, L, D y E representan las cargasPermanente (propia), Operativas (dinámica),Deformación (por ejemplo la temperatura, asen-tamiento diferencial) y Del Entorno, respectiva-mente. Para un control adecuado de las cargaspropias y dinámicas durante la fabricación y elmontaje, el coeficiente de la carga de 1,3 puedereducirse a 1,2. Además, en el caso de estruc-turas sin tripulación durante condiciones de tem-poral y que no se utilizan para el almacena-miento de petróleo y de gas, el coeficiente de lacarga de 1,3 para las cargas del entorno (con laexcepción de los terremotos) puede reducirse a1,15.

2. Estado del límite de fatigaTodos los coeficientes de carga se fijan en

1,0.

3. Estado límite del Colapso ProgresivoTodos los coeficientes de carga se fijan en

1,0.

4. Estado límite de la utilidad Todos los coeficientes de carga se fijan en

1,0.

Los llamados valores característicos de lascargas utilizadas en las combinaciones anterio-res, así como los estados límites se resumen enla tabla 2, que se ha tomado de las reglas NPD.

58

59

CO

MB

INA

CIO

NE

S D

E C

AR

GA

S

ESTADOS LÍMITE ESTADOS LÍMITEPARA LAS FASES TEMPORALES PARA LAS OPERACIONES NORMALES

TIPO DE CARGA Colapso Progresivo Colapso Progresivo

Utilidad Fatiga Utilidad Fatiga LímiteLímiteEfectos Estado de Efectos Estado de

anormales los daños anormales los daños

PROPIA VALOR PREVISTO

DINÁMICA VALOR ESPECIFICADO

DEFORMACIÓN VALOR EXTREMO PREVISTO

DEL Depen- Historia Valor dependiente Depen- Historia Proba- Proba- Proba-ENTORNO diente de carga de las medidas diente de carga bilidad bilidad bilidad

de los prevista adoptadas de los prevista anual de anual de anual derequisitos requisitos supera- supera- supera-operativos operativos ción10–2 ración10–4 ción10–2

ACCIDENTAL NO PROCEDE Dependiente NO PROCEDE Proba- NOde los bilidad PRO-requisitos anual de CEDEoperativos supera-

ción 10–4

Tabla 2 Cargas características de acuerdo con NPD (4)

6. RESUMEN FINAL

• Además de las cargas del entorno, una pla-taforma petrolífera debe diseñarse para lascargas propias y dinámicas, cargas de fabri-cación y del montaje, así como para las car-gas accidentales.

• Normalmente, para especificar este tipo decargas, se utilizan reglas de prácticaampliamente aceptadas que se indican enlas referencias de esta lección.

• El tipo y la magnitud de las cargas de fabri-cación, transporte y montaje dependen delos métodos y secuencias utilizados paralas fases correspondientes.

• Normalmente, los efectos dinámicos y delos impactos se tienen en cuenta mediantelos coeficientes de la carga dinámica apro-piados.

• Las cargas accidentales no están bien defi-nidas con respecto a la intensidad y proba-bilidad de su aparición. Normalmente, exigi-rán medidas de protección especiales.

• Las combinaciones de cargas y los coefi-cientes de las cargas dependen del métodode cálculo que se utilice. API-RP2A y BSIpermiten el método de la carga admisible yel método del estado límite, mientras queDNV y NPD recomiendan el método delestado límite.

7. BIBLIOGRAFÍA

[1] BS 6235, “Code of Practice for FixedOffshore Structures”, British StandardsInstitution, London, 1982.

[2] “Rules for the Design, Construction andInspection of Offshore Structures”, Det NorskeVeritas (DNV), Oslo, 1977 (con correcciones1982).

[3] API-RP2A, “Recommended Practice forPlanning, Designing and Constructing FixedOffshore Platforms”, American PetroleumInstitute, Washington, D.C., 18th ed., 1989.

[4] “Regulation for Structural Design of Load-bearing Structures Intended for Exploitation ofPetroleum Resources”, Norwegian PetroleumDirectorate (NPD), 1985.

[5] DOE-OG, “Offshore Installation: Guidanceon Design and Construction”, U.K. Department ofEnergy, London 1985.

8. BIBLIOGRAFÍA ADICIONAL

1. OCS, “Requirements for Verifying theStructural Integrity of OCS Platforms”., UnitedStates Geologic Survey, National Centre,Reston, Virginia, 1980.

2. Hsu, H.T., “Applied Offshore StructuralEngineering”, Gulf Publishing Co., Houston,1981.

3. Graff, W.G., “Introduction to OffshoreStructures”, Gulf Publishing Co., Houston, 1981.

4. Gerwick, B.C. Jr., “Construction of OffshoreStructures”, John Wiley, New York, 1986.

60



Lección 17.4: Análisis I

61

63

OBJETIVOS/CONTENIDO

OBJETIVOS/CONTENIDO

Presentar los principales procedimientosde análisis para las plataformas petrolíferas.


Lección 17.1: Estructuras Petrolíferas:Introducción General

Lección 17.2: Cargas I: Introducción yCargas del Entorno

Lección 17.3: Cargas II: Otras Cargas

LECCIONES AFINES

Lección 17.5: Análisis II

RESUMEN

Se describen brevemente los modelosanalíticos utilizados en la ingeniería de las plata-formas petrolíferas. Se presentan los criterios deaceptación para la verificación de las platafor-mas petrolíferas.

Se proporcionan reglas sencillas para eldimensionamiento de los elementos y se descri-ben los procedimientos para los análisis dinámi-cos y estáticos in situ.

1. INTRODUCCIÓN

El análisis de una plataforma petrolíferaes una extensa labor, que implica la considera-ción de diferentes etapas, es decir, la ejecución,el montaje y las etapas en servicio, durante lavida de dicha plataforma. Estos análisis abarcanmuchas disciplinas como, por ejemplo, la arqui-tectura naval, geotécnica, estructural y la meta-lurgia.

Tanto esta lección como la lección 17.5 limi-tan sus objetivos a la presentación de una visión glo-bal de los métodos de análisis disponibles y a pro-porcionar unos puntos de referencia para que ellector pueda apreciar la validez de sus hipótesis yresultados. Estas lecciones van dirigidas fundamen-talmente a las jackets, que son las estructuras máshabituales en comparación con los tableros y losmódulos y que, además, son las que más se ase-mejan a las plantas petroquímicas situadas en tierra.

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2. MODELO ANALÍTICO

Los modelos analíticos utilizados en laingeniería de las plataformas petrolíferas son, enciertos aspectos, similares a los que se adoptanpara otros tipos de estructuras metálicas. Enesta lección se presentan únicamente las carac-terísticas distintivas de los modelos de las plata-formas petrolíferas.

A lo largo de todo el análisis se utiliza elmismo modelo, efectuando tan sólo pequeñosajustes para que se adapte a condiciones espe-cíficas, como, por ejemplo, en apoyos, relaciona-das con cada análisis concreto.

2.1 Calculo de vigas (Stick model)

La utilización de modelos para el calculode estructuras está ampliamente extendida en elcaso de las estructuras tubulares (jackets, puen-tes, elementos de las chimeneas de combustión)y las cerchas de celosía (módulos, tableros).

2.1.1 Uniones

Normalmente, cada elemento esta fijadarígidamente por sus extremos a los demás ele-mentos del modelo.

Si se precisa de una mayor exactitud,especialmente en el caso de la evaluación de losmodos de vibración naturales, la flexibilidad localde las uniones puede representarse medianteuna matriz de la rigidez de la unión.

2.1.2 Elementos

Además de por sus propiedades geomé-tricas y del material, cada barra se caracterizapor los coeficientes hidrodinámicos, relativos,por ejemplo, a la resistencia, inercia y desarrollode la vida marina, que permiten el cálculo auto-mático de las fuerzas del oleaje.

2.2 Modelos de Chapa

El casco y los módulos integrados de lasplataformas flotantes que incluyen mamparasde gran tamaño se describen mediante elemen-tos planos. Las características hipotéticas quese asignan a los elementos planos dependendel estado principal de la tensión a la que seven sometidos. A menudo se toman las tensio-nes cuando el elemento tan sólo está sometidoa una carga axial y a esfuerzo cortante. Lastensiones en la chapa se adoptan cuando esnecesario tener en cuenta la flexión y la presiónlateral.

65

MODELO ANALÍTICO

3. CRITERIOS DE ACEPTACIÓN

3.1 Verificación de losReglamentos

La verificación de un elemento consisteen la comparación de su resistencia(s) caracte-

rística(s) con respecto a una fuerza o tensiónproyectada. Esta verificación incluye:

• una verificación de la resistencia, en la quela resistencia característica se relacionacon el límite elástico del elemento,

• una verificación de la estabilidad para loselementos a compresión en los que la resis-tencia característica se relaciona con ellímite de pandeo del elemento.

Los elementos (tubulares o planos) severifican por secciones típicas (al menos ambosextremos y el centro del vano) en lo relativo a laresistencia y al pandeo. Esta verificación tambiénincluye el efecto de la presión del agua en el casode las plataformas situadas en aguas profundas.

Las uniones tubulares se verifican conrespecto a la perforación bajo diversos patronesde carga. Estas verificaciones pueden indicar lanecesidad de refuerzos locales del cordónmediante la utilización de sobreespesor o de rigi-dizadores circulares internos.

También se debe, cuando sea relevante,verificar los elementos contra la fatiga, corrosión,temperatura o durabilidad.

3.2 Método de la Tensión AdmisibleActualmente, este método está especifica-

do en reglamentos estadounidenses (API, AISC).

No se les asignan coeficientes a las car-gas y tan sólo se aplica un único coeficiente a laresistencia característica con el objeto de obte-ner una tensión admisible de la manera que seindica a continuación:

“Normal” y “Extremo” representan, res-pectivamente, las condiciones más graves:

• bajo las que la planta puede operar sin quese produzcan paradas.

• que la plataforma soportará durante su vidaútil.

3.3 Método del Estado Límite

Las autoridades europeas y noruegas hanimplementado este método, que también haadoptado API, debido a que ofrece una mayoruniformidad en su fiabilidad.

Se aplican coeficientes parciales a lascargas, así como a la resistencia característicadel elemento, coeficientes que reflejan tanto elgrado de confianza que se otorga al valor pro-yectado de cada parámetro como el nivel de ries-go que se acepta bajo un estado límite, es decir:

• Estado Límite Último (ELU):

corresponde a un caso extremo teniendoen cuenta la resistencia estructural con ungrado de reserva apropiado.

• Estado Límite de Fatiga (ELF):

relativo a la posibilidad de colapso bajocarga cíclica.

• Estado Límite del Colapso Progresivo(ELCP):

66

Flexión del Flexión deEstado Axial eje mayor eje menor

Normal 0,60 0,66 0,75

Extremo 0,80 0,88 1,00

refleja la capacidad de resistencia de laestructura frente al colapso bajo condicio-nes accidentales o extraordinarias.

• Estado Límite de Servicio (ELS):

corresponde a los criterios para la utiliza-ción normal o durabilidad (con frecuenciaespecificado por el operario de la planta).

3.3.1 Coeficientes de Ponderación

Las autoridades noruegas (2, 4) especifi-can las siguientes series de coeficientes de pon-deración:

donde las categorías de carga respectivasson:

P son cargas permanentes (peso estructu-ral, equipos no sumergidos, lastre, pre-sión hidrostática).

L son las cargas no permanentes (almace-namiento, personal, líquidos).

D son las deformaciones (apoyos o asien-tos inclinados).

E son las cargas del entorno (oleaje, co-rrientes, viento, seísmos).

A son cargas accidentales (objetos caídos,choques de buques, explosiones, incen-dios).

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CRITERIOS DE ACEPTACIÓN

Estado Categorías de Carga

Límite P L D E A

ELU (normal) 1,3 1,3 1,0 0,7 0,0

ELU (extremo) 1,0 1,0 1,0 1,3 0,0

FLS 0,0 0,0 0,0 1,0 0,0

ELCP (accidental) 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0

ELCP (tras los daños) 1,0 1,0 1,0 1,0 0,0

ELS 1,0 1,0 1,0 1,0 0,0

3.3.2 Coeficientes del Material

Normalmente, los coeficientes del mate-rial parciales para el acero se fijan en 1,15 parael cálculo del ELU y en 1,00 para el cálculo delELCP y ELS.

3.3.3 Clasificación de lasCondiciones de Diseño

En la siguiente tabla se proporciona unaguía para la clasificación de las condiciones típi-cas en estados límite típicos:

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EstadoCargas Criterio del

P/L E D A proyecto

Construcción P ELU, ELS

Embarque P Viento Dispersión ELUsuave del apoyo

Viento y oleajeTransporte P durante el ELU

transporte

Remolcado Comparti-

(accidental) P mento ELCPinundado

Lanzamiento P ELU

Lenvantamiento P ELU

In situ P + L Viento, oleaje Real ELU, ELS(normal) nieve

In situ P + L Viento y ola Real ELU(extremo) de 100 años ELS

In situ P + L Viento y ola Real ELCP(excepcional) de 10.000 años

Seísmo P + L Terremoto 10–2 ELU

Seísmo inusual P + L Terremoto 10–4 ELCP

Explosión P + L Explosión ELCP

Incendio P + L incendio ELCP

Objeto P + L Collar de ELCPcaído perforación

Colisión P + L Impacto ELCPcon buque con buque

Estructura P + L Viento y oleaje ELCPdañada reducida suaves

4. DIMENSIONAMIENTO PRELIMINAR DE LASBARRASEl análisis de una estructura es un proce-

so iterativo que requiere un ajuste progresivo dela magnitud de los elementos con respecto a lasfuerzas que transmiten, hasta alcanzar un pro-yecto económico y seguro.

Por lo tanto, es de la mayor importanciacomenzar el análisis principal en base a unmodelo que se encuentre próximo al modelo finaloptimizado.

Las reglas sencillas que se ofrecen a con-tinuación constituyen una manera simple deseleccionar magnitudes realistas para los ele-mentos principales de las plataformas petrolífe-ras situadas en aguas de profundidad moderada(hasta 80 m) en las que los efectos dinámicosson despreciables.

4.1 Magnitudes de los Pilotes de la Jacket

• calcular la resultante vertical (peso propio,cargas no permanentes, flotabilidad), elcizallamiento global y el momento de vuelco(fuerzas del entorno) en el nivel del lodo.

• partiendo de la hipótesis de que la jacket secomporta como un cuerpo rígido, derivar lafuerza axial y el esfuerzo cortante máximosen la parte superior del pilote.

• seleccionar un diámetro del pilote de acuer-do con el diámetro previsto de las patas ycon la capacidad del equipo para el hinca-miento de los pilotes.

• derivar la penetración a partir de los diagra-mas del apoyo de la punta y de la friccióndel cuerpo.

• partiendo de la hipótesis de un módulo deexplanación del subsuelo equivalente y de unempotramiento perfecto en la cimentación dela jacket, calcular el momento máximo en elpilote y calcular el espesor de su pared.

4.2 Magnitudes de las Patas de la Plataforma

• adaptar el diámetro de las patas al del pilo-te.

• determinar la longitud efectiva de laspatas para lograr una rigidez del módulo(dependiendo de la altura de la cubiertainferior).

• calcular el momento causado por las cargasdel viento sobre la estructura superior delos módulos e instalaciones sobre la cubier-ta de la plataforma y derivar el espesorapropiado.

4.3 Arriostramientos de la Jacket

• seleccionar el diámetro con el fin de obtenerun ratio luz/diámetro de entre 30 y 40.

• calcular el esfuerzo axial en el arriostra-miento a partir del cizallamiento global y dela flexión local causados por el oleaje, asu-miendo que existe un empotramiento total oparcial.

• determinar un espesor tal que el ratio diá-metro/espesor sea de entre 20 y 70 y elimi-nar cualquier tendencia al pandeo hidrostá-tico mediante la imposición de D/t <170/3

√H (H es la profundidad del miembropor debajo de la superficie libre).

4.4 Arriostramiento del módulo• seleccionar una separación entre los rigidi-

zadores (normalmente 500 a 800 mm).

• determinar el espesor de la chapa a partirde fórmulas que tengan en cuenta lasdeformaciones locales producida por la pre-sión del neumático de la carretilla elevadoradiseñada.

• determinar, en base a fórmulas directas dela viga, las magnitudes de las vigas princi-pales bajo cargas no permanentes “extendi-das” y/o el peso respectivo de los equiposmás pesados.

69

DIMENSIONAMIENTO PRELIMINAR…

5. ANÁLISIS ESTÁTICO IN SITU

El análisis estático in situ es el análisisbásico y generalmente el más simple de todos.Se modela la estructura con la misma forma conla que operará durante su vida en servicio y sesomete a cargas pseudo-estáticas.

Este análisis siempre se efectúa en unaetapa muy temprana del proyecto, con frecuen-cia a partir de un modelo simplificado, con el finde dimensionar los elementos principales de laestructura.

5.1 Modelo Estructural

5.1.1 Modelo PrincipalEl modelo principal debe tener en cuenta

las excentricidades y los refuerzos locales en lasuniones.

Los modelos típicos para las jackets utili-zadas en el Mar del Norte pueden constar demás de 800 nudos y 4000 barras.

5.1.2 Equipos Accesorios

Normalmente se ignora la contribución delos equipos accesorios (columnas ascendentes,tubos en J, caissons, conductores, defensas debotes, etc.) a la rigidez global de la estructura.

Debido a ello, su análisis se efectúa inde-pendientemente y sus reacciones se aplicancomo cargas en las interfases con la estructuraprincipal.

5.1.3 Modelo de la Cimentación

Debido a que su comportamiento es nolineal, con frecuencia las cimentaciones se ana-lizan independientemente del modelo estructu-ral.

Se representan mediante una matriz de larigidez secante dependiente de la carga equiva-

lente; los coeficientes se determinan medianteun proceso iterativo en el que se equiparan lasfuerzas y los desplazamientos en los límitescomunes de los modelos estructural y de lacimentación.

Puede resultar necesario ajustar estamatriz a la reacción media correspondiente acada una de las condiciones de la carga.

5.2 Cargas

El objetivo de esta sección consiste enrecordar los tipos de cargas, que se describencon más detalle en las lecciones 17.2 y 17.3.

5.2.1 Cargas Gravitatorias

Las cargas gravitatorias consisten de:

• el peso propio de la estructura y de los equi-pos.

• las cargas no permanentes (equipos, flui-dos, personal).

Dependiendo del área de la estructuraobjeto del estudio, se deben disponer las cargasno permanentes de manera que se produzca laconfiguración más intensa (compresión o trac-ción); esto puede ocurrir, por ejemplo, cuando seprocede a la colocación de la unidad de perfora-ción.

5.2.2 Cargas del Entorno

Las cargas del entorno consisten en lascargas del oleaje, corrientes y viento que, hipo-téticamente, se asume que actúan simultánea-mente en la misma dirección.

Por regla general, se seleccionan ochoincidencias del oleaje; para cada una de ellas sedebe establecer la posición de la cresta en rela-ción con la plataforma tal que se produzcan elmomento de vuelco y/o el cizallamiento máximosen el nivel del lodo.

70

5.3 Combinaciones de Cargas

El análisis estático in situ se efectúa bajodiferentes condiciones en las que la cargas seaproximan mediante su equivalente pseudo-es-tático.

Las cargas básicas relevantes para unestado concreto se multiplican por los coeficien-tes de ponderación apropiados y se combinancon el objeto de producir el efecto más intensoen cada una de las barras individuales de laestructura.

71

ANÁLISIS ESTÁTICO IN SITU

6. ANÁLISIS DINÁMICO

Normalmente un análisis dinámico esobligatorio para todas las plataformas petrolífe-ras, aunque en el caso de las estructuras rígidaspuede restringirse a los modos principales.

6.1 Modelo Dinámico

El modelo dinámico de una estructura sederiva del modelo estático principal.

No obstante, es posible que se produzcanalgunas simplificaciones:

• es posible que se ignoren los refuerzos y lasexcentricidades locales de las uniones.

• las masas se concentran en los extremosde los elementos.

• el modelo de la cimentación puede derivar-se del comportamiento cíclico del suelo.

6.2 Ecuaciones de Movimiento

Las ecuaciones dinámicas que gobiernanlos sistemas de varios grados de libertad puedenexpresarse mediante la expresión matricial:

MX + CX· + KX = P(t)

donde

M es la matriz de masa

C es la matriz de amortiguamiento

K es la matriz de rigidez

X, X·, X son los vectores de desplaza-miento, velocidad y aceleración(función del tiempo).

P(t) es el vector de fuerza cronode-pendiente; en el caso más gene-ral, también puede depender delos desplazamientos de la estruc-

tura (es decir, del movimientorelativo de ésta con respecto a lavelocidad de la onda en la ecua-ción de Morison).

6.2.1 Masa

La matriz de masa representa la distribu-ción de las masas por la estructura.

Las masas incluyen la masa de la estruc-tura en sí, la de los equipos accesorios, líquidosretenidos en pilares o tanques, la masa añadidadel agua (masa del agua desplazada por la barray determinada en base a la teoría del flujo poten-cial) y la masa del desarrollo de la vida marina.

Generalmente, las masas se concentranen puntos discretos del modelo. Por lo tanto, lamatriz de masa pasa a ser diagonal pero losmodos vibratorios locales de las barras simplesse ignoran (estos modos pueden ser importantesen el caso de ciertas barras sometidas a un seís-mo). La elección de los puntos de concentraciónpuede afectar significativamente a la soluciónresultante.

Con el fin de lograr una mayor simplifica-ción de los modelos de mayor tamaño que inclu-yen un número considerable de grados de liber-tad, es posible condensar el sistema en unaspocas libertades, reteniendo al mismo tiempo sudistribución de energía básica.

6.2.2 Amortiguamiento

De entre todos los parámetros que gobier-nan la respuesta dinámica de las estructuras, elamortiguamiento es el más difícil de calcular.

Puede consistir de amortiguamientoestructural e hidrodinámico.

Amortiguamiento Estructural

El amortiguamiento estructural está aso-ciado con la pérdida de energía mediante la fric-ción interna del material.

72

Aumenta con la pérdida de energía, sien-do aproximadamente proporcional a la energíade deformación que incluya cada uno de ellos.

Amortiguamiento Hidrodinámico

El amortiguamiento que proporciona elagua que rodea la estructura se añade normal-mente al anterior, aunque alternativamentepuede tenerse en cuenta como parte de la fun-ción forzada cuando las vibraciones estén próxi-mas a la resonancia (caída del vórtice en parti-cular).

Representación del Amortiguamiento

El amortiguamiento viscoso representa laforma más común y sencilla de amortiguamien-to. Puede adoptar una de las siguientes repre-sentaciones:

• amortiguamiento modal: un ratio de amorti-guamiento específico ζ que expresa el porcen-taje frente al crítico asociado con cada modo(normalmente ζ = 0,5% estructural; ζ = 1,5%hidrodinámico).

• amortiguamiento proporcional: definido comouna combinación lineal de las matrices demasa y de rigidez.

Todos los demás tipos de amortiguamien-to no viscoso deben expresarse preferiblementecomo una matriz del amortiguamiento viscosoequivalente.

6.2.3 Rigidez

La matriz de rigidez es similar en todoslos aspectos a la que se utiliza en los análisisestáticos.

6.3 Frecuencias y Perfiles delModo Vibratorio LibreEl primer paso de un análisis dinámico

consiste en la determinación de las frecuenciasy perfiles del modo vibratorio natural principal de

las estructuras de varios grados de libertad noamortiguadas hasta un cierto orden (30º al 50º).

Para hacerlo es necesario solucionar elproblema del valor propio:

KX = λMX

En el caso de estructuras rígidas que tie-nen un período vibratorio fundamental muy pordebajo del campo de los periodos de onda (nor-malmente inferior a 3 s), el comportamiento diná-mico se tiene en cuenta sencillamente multipli-cando las cargas cronodependientes por uncoeficiente de amplificación dinámico (CAD):

CAD =

donde β = TN/T es el ratio del período de laestructura con respecto al período de onda.

6.4 Método de Superposición ModalUna técnica conveniente consiste en

resolver las ecuaciones mediante los métodosnormales del sistema.

Este método tan sólo es aplicable si:

• todas las matrices de masa, rigidez y amor-tiguamiento son no cronodependientes.

• las fuerzas no lineales se linealizan de ante-mano (resistencia).

La respuesta total se obtiene combinandolas respuestas de los osciladores de un únicogrado de libertad individuales asociados a cadamodo normal de la estructura.

Este método ofrece la ventaja de que losmodos propios proporcionan la suficiente com-prensión del problema y pueden reutilizarse paratantos cálculos subsiguientes de las respuestacomo sean necesarios en etapas posteriores.

)(2 + ) - (1

1222 βζβ

73

ANÁLISIS DINÁMICO

No obstante, puede que este métodorequiera demasiado tiempo cuando son necesa-rios un gran número de modos para representarla respuesta con exactitud. Por lo tanto:

• el método de superposición simple (modo-desplazamiento) se aplica a un númerotruncado de modos inferiores para predecirla respuesta al seísmo.

• debe corregirse mediante la contribuciónestática de los modos más elevados (méto-do de modo-aceleración) en el caso de lascargas del oleaje.

6.4.1 Análisis del Dominio de la FrecuenciaEste tipo de análisis resulta más apropia-

do para la evaluación de la respuesta en régimenpermanente de un sistema sometido a cargascíclicas, puesto que la parte transitoria de la res-puesta desaparece rápidamente bajo los efectosdel amortiguamiento.

La función de carga se desarrolla enseries de Fourier hasta un orden η:

p(t) =

La representación gráfica de las amplitu-des pj frente a las frecuencias circulares ωj seconoce como los espectros energéticos de laamplitud de la carga. Normalmente, los valoressignificativos de pj tan sólo se producen dentrode un estrecho campo de frecuencias y es posi-ble limitar el análisis a estos campos.

La relación entre los vectores de fuerza yde respuesta se expresa mediante la matriz detransferencia H, como, por ejemplo:

H = [-M ω2 + i x C ω + K]

cuyos elementos representan:

Hj,k =

La densidad espectral de la respuesta enel grado de libertad j frente a la fuerza es:

SKj =

La transformada de Fourier rápida (FFT)constituye el algoritmo más eficaz asociado coneste tipo de análisis.

6.4.2 Análisis Espacio temporalAlternativamente, la respuesta del modo

número i puede determinarse recurriendo a laintegral de Duhamel:

Xj(t)=

Entonces se obtiene la respuesta globalcombinando en cada etapa las respuestas indivi-duales en todos los modos significativos.

6.5 Métodos de IntegraciónDirecta

La integración directa paso a paso de lasecuaciones de movimiento es el método másgeneral y es aplicable a:

• problemas no lineales que incluyan formasespeciales de amortiguamiento y de cargasdependientes de la respuesta.

• respuestas que incluyan muchos modosvibratorios que hayan de determinarse enun intervalo de tiempo reducido.

El equilibrio dinámico en un instante τestá gobernado por el mismo tipo de ecuacio-nes, en las que todas las matrices (masa, amor-tiguamiento, rigidez, carga) son simultáneamen-te dependientes tanto del tiempo como de larespuesta estructural.

τττ∫ d ) - h(t )( P jt0

(f) S H Pk2

jk1=k

∑η

k libre fuerzaj libre nódeflecci =

P

X

k

j

e p ) + t( ij

1 = jjj φω

η∑

74

deflección libre j

Todas las técnicas de integración disponi-bles se caracterizan por su estabilidad (es decir,la tendencia a que se produzca una divergenciaincontrolada de la amplitud con el aumento de

las etapas del tiempo). Siempre son preferibleslos métodos incondicionalmente estables (porejemplo, Newmark-beta con β = 1,4 o Wilson-theta con θ = 1,4).

75

ANÁLISIS DINÁMICO

7. RESUMEN FINAL

• El análisis de las plataformas petrolíferasconstituye una extensa tarea.

• Los modelos analíticos utilizados en la inge-niería de las plataformas petrolíferas son enciertos aspectos similares a los que se utili-zan para otros tipos de estructuras metáli-cas. Durante la totalidad del proceso delanálisis se utiliza el mismo modelo.

• La verificación de un elemento consiste enla comparación de su(s) resistencia(s) ca-

racterística(s) con respecto a una fuerza otensión de diseño. Existen varios métodosdisponibles.

• Para proceder al dimensionamiento prelimi-nar de los elementos existen reglas simplesdisponibles.

• Los análisis estáticos en el plano siempre seefectúan en una etapa temprana de los pro-yectos con el fin de dimensionar los elemen-tos principales de la estructura. Normalmentees obligatorio un análisis dinámico para todaslas plataformas petrolíferas.

76



Lección 17.5: análisis II

77

79

OBJETIVOS/CONTENIDO

OBJETIVOS/CONTENIDO

Presentar los métodos de análisis paralas plataformas petrolíferas relacionados con lafatiga, condiciones anormales o accidentales,izado a bordo y transporte, montaje y proyectolocal.


Lección 17.1: Estructuras Petrolíferas: Intro-ducción General

Lección 17.2: Cargas I: Introducción y Car-gas del Entorno)

Lección 17.3: Cargas II: Otras Cargas

LECCIONES AFINES

Lección 17.4: Análisis I

RESUMEN

Se describen los métodos del análisis defatiga, incluyendo el modelo de fatiga (modelosestructural, de cargas hidrodinámicas y de la ten-sión en las uniones), así como los métodos de laevaluación de los daños debidos a la fatiga.

Se consideran las condiciones anormaleso accidentales relacionadas con seísmos,impactos y colapso progresivo.

Se exponen a grandes rasgos los análisisnecesarios para el izado a bordo, el transporte yel montaje. Se identifican los análisis localespara partes específicas de la estructura que esmejor tratar mediante modelos especializadosfuera del marco del análisis global.

1. ANÁLISIS DE FATIGA

Los análisis de fatiga se efectúan en elcaso de las estructuras que se muestran sensi-bles a la acción de las cargas cíclicas, tales como:

• oleaje (jackets, estructuras flotantes).

• viento (elementos de chimeneas de com-bustión, torres de escaleras).

• estructuras situadas bajo equipos rotato-rios.

1.1 Modelo de Fatiga

1.1.1 Modelo EstructuralPara el análisis de fatiga se utiliza el

modelo in situ.

Con frecuencia se escogen los análisiscuasiestáticos; esta elección permite que todaslas tensiones locales estén completamenterepresentadas. Los efectos dinámicos se consi-deran mediante la aplicación del coeficiente CADpertinente sobre las cargas.

También es posible utilizar el análisismodal en lugar del cuasiestático; este análisisofrece una mayor eficacia en el cálculo, pero esposible que ignore modos de respuesta localesimportantes, especialmente cerca del nivel delagua, donde la acción directa del oleaje ocasio-na una elevada flexión fuera de plano (véase elapartado 5.2). El método del modo-aceleraciónpuede superar este problema.

1.1.2 Modelo de la CargaHidrodinámicaEs posible que resulte necesario un gran

número de procesos informáticos con el objetode evaluar el campo de tensiones en los nudos.La ola se genera repetidamente para:

• diferentes bloques de alturas de olas (típi-camente desde 2 m a 28 m en pasos de 2

m), cada uno de ellos asociado con un perí-odo característico de onda y no superpues-tas.

• diferentes incidencias (normalmente ocho).

• diferentes fases para determinar el rango deesfuerzos para una onda concreta en cadanudo.

1.1.3 Modelo de la Tensión en los nudosLos esfuerzos nominales en los nudos se

calculan en ocho puntos situados alrededor de lacircunferencia del refuerzo. La tensión máximalocal (del punto crítico) se obtiene multiplicandola tensión nominal por un coeficiente de concen-tración de tensiones (CCT) obtenido mediantefórmulas paramétricas que son funciones de lageometría de la unión y del patrón de carga(equilibrado/desequilibrado).

1.1.4 Modelo de los Daños por FatigaEl colapso por fatiga de las uniones de las

plataformas petrolíferas depende fundamental-mente de los rangos de esfuerzo y de su núme-ro de apariciones, formulados mediante curvasS-N.

log Ni = log

α + m log ∆σi

El número de ciclos hasta el colapso Nicorresponde a una carrera de tensión. El efectode las tensiones constantes, fundamentalmentelas tensiones residuales del soldeo, se tiene encuenta implícitamente en esta formulación.

Los daños acumulados causados por niciclos de tensión ∆σi, a lo largo de la vida útil dela plataforma (30 a 50 años) se obtienen median-te la regla de Palmgren-Miner:

D =N

n

i

i

i∑

80

El límite de este ratio depende de la posi-ción de la unión con respecto a la zona de salpi-caduras (normalmente +/- 4 m a cada lado delnivel medio del mar). Normalmente este ratio nodebe ser superior a:

• 1,0 por encima,

• 0,1 dentro,

• 0,3 por debajo de la zona de salpicadu-ras.

1.1.5 Expresión de Forma Cerrada

Alternativamente, es posible expresar losdaños de forma cerrada:

D =

donde

α, m son coeficientes de la curva S-Nseleccionada.

∆σ es la carrera de tensión superada unavez en N ciclos.

k es un parámetro de la distribución alargo plazo, dependiente de la posi-ción del nudo en la estructura.

N es el número total de ciclos.

1.2 Análisis Determinista

Este análisis consiste en el análisis espa-cio-temporal de la estructura. La ventaja másimportante de esta representación consiste enque los efectos no lineales (resistencia, las teorí-as del oleaje de orden superior) reciben un trata-miento explícito.

Para cada ángulo de aproximación sedescribe un mínimo de cuatro olas regulares entérminos de altura y período asociado.

1.3 Análisis Espectral

Las olas de una cierta altura no se carac-terizan por una única frecuencia, sino más bienpor un rango de frecuencias. Si este campocorresponde a un máximo en la respuestaestructural, la vida a la fatiga prevista por elmétodo determinista puede verse seriamentedistorsionada.

Este problema se supera mediante la uti-lización de un diagrama de dispersión, en el quese cuantifican la altura y período de la ola .También resulta posible tener en cuenta la direc-cionalidad del oleaje. En último caso, la repre-sentación más completa del estado del mar con-siste en:

• el espectro de frecuencia construido enbase a las alturas del oleaje y a los periodoscero-máximo medios significativos.

• la función de direccionalidad derivada de ladirección media y de la función de disper-sión asociada.

Este enfoque exige que el proceso físicosea aproximadamente lineal (o que se linealiceadecuadamente) y estacionario. Las funcionesde transferencia TF se determinan en base aanálisis espacio-temporales que incluyen variasalturas de la ola, cada una de ellas con un perí-odo e incidencia diferentes.

Normalmente la respuesta presenta unespectro de banda estrecha y puede describirsemediante una distribución de Rayleigh.

La aproximación a la frecuencia máxi-mo de los ciclos de tensiones se efectúamediante:

Tz =

donde mn es el momento de orden nº n de la res-puesta.

mm2

2

oπ

H = ),( TF

σ∆θω

1) + (km ][Ln(N)

N

km

mΓσ∆

α

81

ANÁLISIS DE FATIGA

La carrera de tensión significativa paracada estado del mar se obtiene fácilmente de lasiguiente manera:

σsig =

donde S(ω,θ) es el espectro de la energía de laola direccional.

1.4 Fatiga Debida al Viento

1.4.1 Rachas de VientoNormalmente, los daños de fatiga causa-

dos por la parte fluctuante del viento (rachas) enlas estructuras ligeras como, por ejemplo, ele-mentos de chimeneas de combustión y puentes,se predicen mediante métodos espectrales.

La característica principal de este tipo deanálisis consiste en la introducción de funcionesde coherencia que se hacen cargo de la correla-ción de las fuerzas a lo largo de la longitud.

1.4.2 Remolinos

El fallo producido por remolino se produceen el caso de los tubos sometidos a un flujo defluido uniforme u oscilante.

Dentro de un campo específico de veloci-dades de fluido, los remolinos caen a una fre-cuencia cercana a la frecuencia de resonanciadel elemento.

Este fenómeno incluye desplazamientosforzados que es posible determinar mediantemodelos tales como los que se sugieren en [1].

θ∆ω∆θωθω∑∑θω

),S(]),( [TF 4 2

82

2. CONDICIONES ANORMALESY ACCIDENTALES

Este tipo de análisis está dirigido a lascondiciones que es posible que afecten demanera considerable a la integridad de la estruc-tura, pero cuyo riesgo de aparición tan sólo eslimitado.

Normalmente, todos los acontecimientoscuyo nivel de cálculo de probabilidades sea infe-rior al valor umbral 10-4 no son tenidos en cuenta.

2.1 Análisis de Seísmos

2.1.1 ModeloEs necesario prestar una atención espe-

cial a:

• cimentaciones: el terreno próximo (es decir,la masa del suelo situado inmediatamentejunto a la estructura) debe representar elcomportamiento carga-deflexión de maneraprecisa. Por regla general, el comportamien-to de la cimentación lateral está controladofundamentalmente por los movimientos hori-zontales del terreno localizados en las capassuperficiales del suelo.

• el amortiguamiento modal (en general fijadoen un 5% y 7% del crítico para los análisisELU y ELCP, respectivamente).

2.1.2 Requisitos de Ductilidad

Las fuerzas sísmicas que actúan en unaestructura muestran un alto grado de dependen-cia de las características dinámicas de ésta. APIproporciona recomendaciones para el proyectocon el objeto de determinar una geometría efi-caz. Estas recomendaciones exigen:

• proporcionar la suficiente redundancia ysimetría en la estructura.

• optar por los arriostramientos en X en lugarde los arriostramientos en K.

• evitar los cambios bruscos en la rigidez.

• mejorar el comportamiento posterior al pan-deo de los arriostramientos.

2.1.3 Método de Análisis

Los análisis de los seísmos pueden efec-tuarse de acuerdo con los métodos generalesque se presentaron en la lección 17.4.

No obstante, su característica distintivaconsiste en que fundamentalmente representanun problema de movimiento de la cimentación yque, por lo tanto, las cargas sísmicas se mues-tran dependientes de las características dinámi-cas de la estructura.

Normalmente se utiliza el análisis de larespuesta espectral modal. Éste consiste ensuperposición de la respuesta modal máxima yforma una curva del espectro de la respuestacaracterística del movimiento de entrada. Esteespectro es el resultado de las evoluciones enfunción del tiempo de un sistema SDOF paraperiodos vibratorios y de amortiguamiento natu-rales diferentes.

Es posible utilizar la integración tempo-ral directa en su lugar, en el caso de acelero-gramas específicos adaptados al emplaza-miento.

2.2 Impacto

El análisis de las cargas de impacto de lasestructuras se efectúa localmente utilizandomodelos plásticos simples [2].

En caso de que fuera necesario un análi-sis más sofisticado, esto puede conseguirsemediante la utilización de las técnicas espacio-temporales que se presentaron en el apartado 6de la lección 17.4.

Es necesario que la energía en su totali-dad sea absorbida dentro de unas deformacio-nes aceptables.

83

CONDICIONES ANORMALES Y ACCIDENTALES

2.2.1 Impacto de ObjetoCaído/Buque

Cuando la cubierta de protección de unacabeza de pozo recibe el impacto de un collar deperforación, o un buque de suministro aplasta untubo (patas de la jacket, defensa), se producensimultáneamente dos mecanismos de carga/de-formación.

• perforación local a través del material oabolladura (tubo).

• deformación global a lo largo de las rótulasplásticas con la posible aparición de fuerzasresiduales.

2.2.2 Explosión e Incendio

Debido a la actual carencia de un aseso-ramiento definitivo con respecto a las explosio-nes e incendios, hasta el momento el comporta-miento de las estructuras en estos casos se hapredicho únicamente mediante modelos simplesbasados en:

• sobrepresión estática equivalente y defor-mación plástica de las chapas para los aná-lisis de explosión.

• la reducción de la resistencia del material ydel módulo de elasticidad bajo un aumentode la temperatura.

No obstante, es posible que, en vista delas repercusiones de algunos accidentes recien-tes, se imponga la obligatoriedad de análisis másprecisos, basados en una mejor comprensión dela evolución temporal de las presiones y de laresistencia efectiva y la respuesta de las estruc-turas ante las explosiones y los incendios.

2.3 Colapso Progresivo

Es posible que algunos elementos de laestructura (pilares, arriostramientos, mamparas)pierdan parcial o completamente su resistenciacomo resultado de daños accidentales.

El propósito de estos análisis consiste engarantizar que la resistencia de reserva de laestructura remanente sea suficiente para permi-tir una redistribución de las cargas.

Debido a que una configuración de estetipo tan sólo es temporal (período de moviliza-ción anterior a las reparaciones) y a que las ope-raciones en las proximidades del área dañadatambién estarán limitadas, generalmente seacepta una reducción de las cargas del entornoy dinámicas.

En este análisis, los elementos dañadosse eliminan del modelo. Su resistencia residualpuede representarse mediante fuerzas aplica-das en los nudos frontera con la estructuraintacta.

84

3. EMBARQUE Y TRANSPORTE

3.1 Embarque

El procedimiento de izado a bordo consisteen el transporte de la jacket o del módulo desde suemplazamiento de construcción hasta la barcazade transporte mediante deslizamiento o mediantela utilización de remolques colocados debajo.

La barcaza puede estar en posición, flo-tante y se deslastra de manera continua a medi-da que se va izando el paquete a bordo, o puedeestar sujeta a tierra en el fondo del puerto.

3.1.1 Deslizamiento

La configuración más difícil durante eldeslizamiento se produce cuando la parte de laestructura se encuentra en voladizo en:

• apoyada en el muelle antes de tocar la bar-caza.

• apoyada en la barcaza justo después deabandonar el muelle.

El análisis también debe investigar la posibi-lidad de fuertes reacciones locales surgidas comoresultado del asiento de la vía de deslizamiento ode errores en el procedimiento de balastaje.

3.1.2 Izado a Bordo MedianteRemolquePuesto que es posible mantener constante

la reacción de cada remolque, para los análisis delizado a bordo efectuado mediante remolque tansólo es necesaria una etapa para determinar ladistribución óptima de los remolques.

3.2 Transporte

3.2.1 Modelo de Arquitectura NavalEste modelo consiste de un montaje de

cuerpo rígido de la barcaza y de la estructura.

Por regla general, las barcazas se carac-terizan por una baja relación eslora/manga y poruna relación manga/calado elevada, así comopor esquinas vivas que introducen un fuerteamortiguamiento.

Para el transporte de la jacket, se debetener un cuidado especial con la representaciónde las partes sobresalientes (pilares, tanques deflotabilidad) que contribuyen significativamenteal momento de inercia.

Las cubiertas y módulos transportadospor medios terrestres pueden representarse sim-plemente mediante sus masas y momentos deinercia.

Estos análisis proporcionarán las acele-raciones y desplazamientos lineales y angula-res de la estructura que se han de introduciren el modelo estructural como fuerzas de iner-cia, así como el reparto y la intensidad de lasfuerzas de flotabilidad y de impacto hidrodiná-mico.

3.2.2 Modelo Estructural

El modelo de la jacket es una versiónsimplificada del modelo in situ, del que puedenomitirse las excentricidades y los refuerzoslocales.

La barcaza se modela en forma de cua-drícula en el plano, en la que los elementos tie-nen las propiedades equivalentes de los mam-paros longitudinales y transversales.

A medida que la barcaza se desplazasobre el seno o la cresta de una ola, tan sólouna porción de la barcaza se apoya en la flo-tabilidad (es posible que las barcazas largasabarquen la totalidad de un seno o que lamitad de su casco se encuentre en voladi-zo).

Por lo tanto, el modelo representa la jac-ket y la barcaza como dos estructuras unidasmediante los elementos para el amarre utilizadosdurante el transporte marítimo.

85

EMBARQUE Y TRANSPORTE

4. MONTAJE

4.1 Lanzamiento

4.1.1 Modelo de Arquitectura NavalSe efectúa un análisis tridimensional con

el fin de evaluar las fuerzas globales que actúansobre la jacket en diferentes etapas de tiempodurante la secuencia del lanzamiento.

En cada una de estas etapas, el sistemade cuerpo rígido formado por la jacket y la bar-caza se reposiciona con el fin de equilibrar lasfuerzas internas y externas producidas por:

• las fuerzas del peso de la jacket, inercia, flo-tabilidad y resistencia.

• las fuerzas del peso de la barcaza, flotabili-dad y lastre.

• las reacciones verticales y las fuerzas defricción entre la jacket y la barcaza.

Normalmente, la reacción máxima sobreel balancín se obtiene justo cuando la jacketcomienza a girar por la rótula del balancín.

4.1.2 Modelo Estructural

El modelo estructural es idéntico en todoslos aspectos al que se utiliza para el análisis detransporte, quizás con una representación másdetallada de las patas de lanzamiento.

El balancín también se representa comouna viga vertical articulada aproximadamente enmitad del vano. Las cargas de las superficies decontacto obtenidas mediante el análisis de cuer-po rígido se introducen en las condiciones deentorno de los pilares de lanzamiento. Todos losmiembros de la interfase deben permanecer acompresión; en caso contrario se procede a suinactivación y se reinicia el análisis para esaetapa.

Una vez que la fase de basculamiento hacomenzado, se analiza la jacket por lo menos para

cada nudo de las patas principales que esténsituadas en la vertical del pivote del balancín.

4.2 Posicionamiento en Vertical

No es necesario un modelo estructuralespecífico para esta fase, ya que se trata funda-mentalmente de un problema de arquitectura naval.

En el caso de posicionamientos en verti-cal efectuados con ayuda de grúas se lleva acabo un análisis local de las orejetas.

4.3 Amarre

El amarre de una jacket sobre una banca-da preinstalada en el fondo marino requiere unanálisis con respecto al impacto local. Este es elmismo requisito que se aplica a los topes cuan-do se procede a la instalación de los módulos.

4.4 Estabilidad sin el Apoyo de los PilotesLas condiciones en las que la jacket

puede permanecer durante un tiempo sobre ellecho del mar sin los pilotes se analizan para eloleaje de montaje previsto.

Se investiga la estabilidad de la jacket ensu totalidad (tendencia al vuelco), junto con laresistencia de las placas de lodo frente a la pre-sión del terreno.

4.5 Pilotaje

Los pilotes se inspeccionan durante elhincamiento en lo relativo a las tensiones diná-micas causadas por la onda del impacto delgolpe de martinete. Es necesario establecer lalongitud máxima del pilote en voladizo (sobresa-liente) para el propio peso del pilote y del marti-nete combinados, teniendo en cuenta losmomentos de primer y segundo orden que sur-gen como consecuencia de la inclinación de lospilotes. Para el hincamiento sumergido se aña-den las acciones hidrodinámicas.

86

También es necesario verificar los ele-mentos situados en las proximidades de los pilo-tes (guías/collares), véase el apartado 5.1.

4.6 Levantamiento

4.6.1 ModeloEl modelo utilizado para el análisis del

levantamiento de una estructura consiste en elmodelo in situ más la representación de la dis-posición de los aparejos (eslingas, balanci-nes).

En el caso de los levantamientos simples,las eslingas convergen hacia la unión del gancho,que constituye el único apoyo vertical del modeloy se colocará exactamente en la vertical a travésdel centro de gravedad (CG) del modelo.

En el caso de levantamientos más pesa-dos realizados con grúa doble, el CG se situaráen el plano vertical definido por las dos unionesde los ganchos.

La inestabilidad matemática del modelocon respecto a las fuerzas horizontales se evita

mediante la utilización de resortes horizontalesblandos en los cáncamos. Tanto la fuerza comoal alargamiento de estos resortes siempre debenpermanecer reducidos.

4.6.2 Coeficientes de diseño

Durante las operaciones de levantamientose aplican diferentes coeficientes a las fuerzasbásicas de la eslinga con el fin de tener en cuen-

ta los efectos específicos.

4.6.2.1 Coeficiente dePonderación de cargas (CPC)

Este coeficiente representa el efecto delas tolerancias admisibles en la fabricación yel desajuste de las eslingas para el reparto dela carga en una disposición de aparejos está-ticamente indeterminada (4 eslingas o más).Es posible calcular los coeficientes de carga,bien directamente mediante la aplicación deuna diferencia de temperatura a un par deeslingas opuestas de tal manera que su alar-gamiento/encogimiento se corresponda con eldesajuste, o determinándolos de manera arbi-traria (normalmente un reparto 1/3 - 2/3).

4.6.2.2 Coeficiente deAmplificación Dinámico(CAD)

Este coeficiente tiene en cuenta los efec-tos dinámicos globales que se experimentan nor-

malmente durante las operaciones de levanta-miento. DnV [24] recomienda los siguientesvalores mínimos:

4.6.2.3 Coeficiente del Efectode la Inclinación

Este coeficiente tiene en cuenta la cargaadicional de la eslinga originada por la rotación

87

MONTAJE

Peso levantado Hasta 100 1.000 t más deW (toneladas) 100 t a 1.000 t a 2.500 t 2.500 t

CAD 1,30 1,20 1,15 1,10Emplazamiemtoalejado de la costa

CAD 1,15 1,10 1,05 1,05Emplazamientocostero

del objeto levantado con respecto a un eje hori-zontal, así como por la desviación longitudinal delos ganchos con respecto a su posición teóricaen el caso de un levantamiento efectuado convarios ganchos. Normalmente se basará en unainclinación de 5

° y 3° respectivamente, depen-diendo de si las grúas están situadas sobre dife-rentes barcos o no.

4.6.2.4 Coeficiente del efectode la rotación de la barcaza (CER)

Este coeficiente tiene en cuenta la rota-ción del objeto levantado con respecto a un ejevertical (generalmente igual a 1,05).

4.6.3 Coeficientes deConsecuencias

Las fuerzas de los elementos verificadosbajo condiciones de levantamiento se multiplicanpor un coeficiente que refleja la consecuenciaque el agotamiento de ese elemento específicotendría sobre la integridad de la estructura global:

• 1,30 para los balancines, puntos de levan-tamiento (cáncamos) y su unión a laestructura.

• 1,15 para todas los miembros que transmi-ten la carga a los puntos de levanta-miento.

• 1,00 para otros elementos.

88

5. ANÁLISIS Y DISEÑO LOCAL

El análisis local tiene como objetivo laspartes de la estructura que es mejor tratarmediante modelos específicos fuera del marcodel análisis global.

La lista de análisis que se ofrece a conti-nuación no es exhaustiva y se puede encontrarmás información en [1-24], donde se proporcionaun procedimiento de proyecto completo en cadacaso particular.

5.1 Uniones Pilote/Camisa

Normalmente la unión pilote/camisa bajoagua se lleva a cabo mediante el enlechado del ani-llo entre la parte exterior del pilote y el collar interior.

Las verificaciones más importantes vandirigidas a:

• los esfuerzos cortantes en el hormigón.

• los daños por fatiga en las chapas derefuerzo y en las soldaduras de unión a lajacket principal acumulados durante el hin-camiento de los pilotes y durante la vida dela plataforma.

5.2 Elementos Situados en laZona de SalpicadurasLos elementos horizontales (especial-

mente las estructuras guía de los conductores)situados en la zona de salpicaduras (aproxima-damente +/- 5 m a cada lado del nivel medio delmar) se analizarán con respecto a la fatiga cau-sada por los repetidos impactos del oleaje.

Con frecuencia el coeficiente de impactohidrodinámico que se selecciona es Cs=3,5.

5.3 Nudos reforzados

Los nudos reforzados típicos (nudos conrefuerzo circular, nudos de los botelleros o haces

de tubos para pilotes con diafragma) se analizanmediante modelos de elementos finitos, a partirde los cuales se obtienen fórmulas envolventesparamétricas que se aplican a todos los nudosrepresentativos de la misma clase.

5.4 Equipos Accesorios

5.4.1 Tubería de conducción depetroleo (raisers) , Caissons yTubos en J

Análisis In Situ y de Fatiga

Las columnas ascendentes, caissons ytubos en J se verifican mediante programasestructurales o de la red de tubos con respecto ala acción de las fuerzas del entorno, presióninterna y temperatura. Es necesario prestar unaatención especial a las curvaturas que no siem-pre están representadas adecuadamentemediante los programas estructurales, así comoal emplazamiento del punto de contacto queahora se conoce a priori.

También se efectúa un análisis de fatigacon el fin de evaluar los daños de fatiga de lasabrazaderas y las uniones a la jacket.

Introducción

Los tubos en J son conductos vacíos quesirven de guía continua a una columna ascen-dente colocada en su interior que se instala conposterioridad. Estos tubos se verifican mediantemodelos plásticos empíricos frente a las fuerzasgeneradas durante la introducción por la friccióndel cable y la deformación del cabezal de trac-ción (véase [22]).

5.4.2 Conductores o guías

Los conductores se analizan in situ comocolumnas cargadas excéntricamente sobre apo-yos simples . Estos apoyos son las elevacionesde la jacket (normalmente con un tramo de 20 a25 m).

89

ANÁLISIS Y DISEÑO LOCAL

Es necesario considerar la secuencia demontaje de las diferentes tuberías conductorascon el fin de evaluar la distribución de esfuerzosen la sección compuesta que forma el resto delas tuberías.

La porción de la fuerza de compresión delconductor causada por las tuberías de revesti-miento suspendidas se considera como unesfuerzo (similar al pretensado) que, por lo tanto,no es responsable de ninguna tendencia al pan-deo (véase [23]).

5.5 HelipuertoNormalmente, el helipuerto se proyecta

de manera que resista una carga de impactoigual a 2,5 veces el peso de despegue del heli-cóptero más pesado multiplicado por un coefi-ciente CAD de 1,30.

Las teorías de deformación son aplicablespara el proyecto de la chapa y de los rigidizado-

res, mientras que el armazón principal se anali-za elásticamente.

5.6 Elementos de las antorchas

Los análisis de los elementos de las an-torchas consideran especialmente:

• las posiciones variables durante el montaje(horizontal cuando se saca de la barcaza,vertical en el levantamiento).

• Detrimento de las características del mate-rial debido a las altas temperaturas en lasproximidades de la boca durante la opera-ción.

• la respuesta dinámica bajo vientos rachea-dos.

• la acción local de las diagonales debida alas turbulencias del viento.

90

6. RESUMEN FINAL

• Debido la tendencia hacia plataformaspetrolíferas más profundas y esbeltas enentornos cada vez más agresivos, sonnecesarias teorías más elaboradas con elfin de analizar situaciones complejas. Existeel riesgo de que los ingenieros se vean obli-gados cada vez en mayor medida a depen-der únicamente de los resultados de losanálisis efectuados por ordenador a costade una buena práctica de diseño.

• Con el fin de mantener el control adecuadodel análisis del proceso se ofrecen lassiguientes recomendaciones:

• verificar las interfases entre los diferentesanálisis y asegurar la consistencia de lasentradas/salidas.

• verificar la validez de los datos como resul-tado de análisis complejos frente a unmodelo simplificado, que también puede uti-lizarse para evaluar la influencia de un pará-metro concreto.

• hacer pleno uso de “unos buenos criteriosde ingeniería” con el fin de criticar los resul-tados inesperados de los análisis.

7. BIBLIOGRAFÍA

[1] Skop R.A. & Griffin O.M., An HeuristicModel for Determining Flow-Induced Vibrationsof Offshore Structures/OTC paper 1843, May1973.

[2] De Oliveira J.G., The Behaviour of SteelOffshore Structures under AccidentalCollisions/OTC paper 4136, May 1981.

[3] API-RP2A, Recommended Practice forPlanning, Designing and Constructing FixedOffshore Platforms/18th edition, September1989.

[4] DnV, Rules for the Classification of FixedOffshore Structures, September 1989.

[5] DnV, Standard for Insurance WarrantySurveys in Marine Operations, June 1985.

[6] NPD, Regulation for Structural Design ofLoadbearing Structures Intended for Exploitationof Petroleum Resources, October 1984 andVeiledning om Utforming, Beregning ogDimensjonering av Stalkonstruksjoner iPetroleumsvirksomheten, December 1989.

[7] DoE, Offshore Installations: Guidance onDesign and Construction/London, April 1984.

[8] McClelland B. & Reifel M.D., Planning andDesign of Fixed Offshore Platforms/VanNostrand Reinhold, 1986.

[9] UEG, Node Flexibility and its Effect on JacketStructures/CIRIA Report UR22, 1984.

[10] Hallam M.G., Heaf N.J. & Wootton L.R.,Dynamics of Marine Structures/ CIRIA ReportUR8 (2nd edition), October 1978.

[11] Wilson J.F., Dynamics of OffshoreStructures/Wiley Interscience, 1984.

[12] Clough R.W. & Penzien J., Dynamics ofStructures/McGraw-Hill, New York, 1975.

[13] Newland D.E., Random Vibrations andSpectral Analysis/Longman Scientific (2nd edi-tion), 1984.

[14] Zienkiewicz O.C., Lewis R.W. & Stagg K.G.,Numerical Methods in Offshore Engineering/Wiley Interscience, 1978.

[15] Davenport A.G., The Response of SlenderLine-Like Structures to a Gusty Wind/ICE Vol.23,1962.

[16] Williams A.K. & Rhinne J.E., FatigueAnalysis of Steel Offshore Structures/ICE Vol.60,November 1976.

[17] Anagnostopoulos S.A., Wave andEarthquake Response of Offshore Structures:Evaluation of Modal Solutions/ASCE J. of theStructural Div., vol. 108, No ST10, October 1982.

91

BIBLIOGRAFÍA

[18] Chianis J.W. & Mangiavacchi A., A CriticalReview of Transportation Analysis Procedures/OTC paper 4617, May 1983.

[19] Kaplan P. Jiang C.W. & Bentson J,Hydrodynamic Analysis of Barge-PlatformSystems in Waves/Royal Inst. of NavalArchitects, London, April 1982.

[20] Hambro L., Jacket Launching Simulation byDifferentiation of Constraints/ Applied OceanResearch, Vol.4 No.3, 1982.

[21] Bunce J.W. & Wyatt T.A., Development ofUnified Design Criteria for Heavy Lift OperationsOffshore/OTC paper 4192, May 1982.

[22] Walker A.C. & Davies P., A Design Basis forthe J-Tube Method of Riser Installation/J. ofEnergy Resources Technology, pp. 263-270,September 1983.

[23] Stahl B. & Baur M.P., Design Methodologyfor Offshore Platform Conductors/J. of PetroleumTechnology, November 1983.

[24] DnV - Rules for the Classification of SteelShips, January 1989.

92



Lección 17.6: Cimentaciones

93

95

OBJETIVOS/CONTENIDO

OBJETIVOS/CONTENIDO

Clasificar los diferentes tipos de pilotes

Comprender los principales métodos deproyecto

Cubrir los diversos métodos de montaje


Lección 2.2.2: Bases de Diseño en EstadoLímite y Coeficientes deSeguridad

Lecciones 12.6: Uniones por esfuerzo rasante

Lecciones 14.4: Comportamiento de la Fatigaen Secciones Huecas

Lección 17.12: Uniones en Estructuras deTablero de PlataformasPetrolíferas

Lección 21.5: Requisitos y Verificación deEstructuras Sísmicamente Re-sistentes

También son necesarios unos conoci-mientos generales acerca del proyecto de lasplataformas petrolíferas y una comprensión delmontaje de las mismas.

RESUMEN

En esta lección se presentan las cimenta-ciones mediante pilotes para plataformas petrolí-feras. La lección comienza con la clasificación delos suelos. A continuación se explican las etapasprincipales del proyecto de los pilotes. Se descri-ben los diferentes tipos de pilotes y martinetes.Se discuten brevemente las tres etapas fases deejecución más importantes: trabajo de taller,transporte y montaje.

1. INTRODUCCIÓN

1.1 Clasificación de los Suelos

La estratigrafía del lecho marino es elresultado de un complejo proceso geológicodurante el cual diversos materiales se deposita-ron, remoldearon y compactaron.

La textura del suelo está formada porpequeñas partículas minerales u orgánicasque se caracterizan básicamente por su tama-ño de grano e interacción mutua (fricción,cohesión).

Las propiedades de los suelos depen-den fundamentalmente de los siguientes facto-res:

• densidad.

• contenido de agua.

• índice de sobreconsolidación.

Para los propósitos del proyecto, lainfluencia de estos factores sobre el comporta-miento del suelo se expresa en términos de dosparámetros fundamentales:

• ángulo de fricción.

• esfuerzos cortantes residuales Cu.

Puesto que con frecuencia se ignora el pará-metro menos significativo de los dos anteriores,es posible clasificar los suelos en categorías“ideales”:

• suelos granulares.

• suelos cohesivos.

1.2 Suelos GranularesLos suelos granulares son suelos no plás-

ticos con una cohesión entre partículas despre-ciable. Incluyen:

• arenas: caracterizadas por tamaños departícula grandes y medios (1 mma 0,05 mm) que ofrecen una ele-vada permeabilidad.

• lodos: caracterizados por tamaños de partí-cula de entre 0,05 y 0,02 mm; generalmen-te están sobreconsolidados; pueden mos-trar cierto grado de cohesión.

1.3 Suelos Cohesivos

Las arcillas son suelos plásticos con untamaño de partícula inferior a 0,002 mm quetienden a unirse; su permeabilidad es reducida.

1.4 Estratos Formados por Varias CapasNormalmente, la naturaleza y las caracte-

rísticas del suelo que rodea un pilote varían conla profundidad. Para los propósitos de análisis,se divide el suelo en varias capas, cada una deellas con unas propiedades constantes a lo largode toda su sección. El número de capas depen-de de la precisión que requieran los análisis.

96

2. DISEÑO

Normalmente, las plataformas petrolíferasestán cimentadas sobre pilotes, profundamentehincados en el suelo (figura 1). Los pilotes tienenque transferir las cargas que actúan sobre la jac-ket al lecho marino. En este apartado se presen-tan los aspectos teóricos del diseño de los pilo-tes. La verificación del pilote en sí se describedetalladamente en el Problema Resuelto.

2.1 Cargas de diseñoEstas cargas son las que se transfieren

desde la jacket a la cimentación. Secalculan en el nivel del lodo.

2.1.1 Cargas Gravitatorias

Las cargas gravitatorias (cargamuerta de la plataforma y cargas nopermanentes) se distribuyen comofuerzas de compresión axiales sobrelos pilotes dependiendo de su respec-tiva excentricidad.

2.1.2 Cargas del EntornoLas cargas del entorno debidas

al oleaje, corrientes, viento, seísmos,etc, son básicamente horizontales. Suresultante en el nivel del lodo está for-mada por:

• esfuerzo cortante distribuido enforma de fuerzas horizontalessobre los pilotes.

• momento de vuelco en la jacket,equilibrado por la tracción/com-presión axiales en los pilotes dis-puestos simétricamente (upstre-am/downstream).

2.1.3 Combinaciones deCargas

Las cargas gravitatorias y delentorno básicas multiplicadas por los

coeficientes de carga pertinentes se combinancon el fin de producir el efecto(s) más intenso(s)en el nivel del lodo, efectos que ocasionan:

• compresión vertical o fuerza de estiramiento, y

• esfuerzo cortante lateral más flexión.

2.2 Resistencia Axial Estática del Pilote

La resistencia global del pilote frente alesfuerzo axial es la suma de la fricción del cuer-po y del soporte final.

97

DISEÑO

Carga muerta y no permanente

Fuerza del oleaje

Jacket Inclinación típica 1:6

T C

y y

P PArcillaZona de

fuerte flexión

Peso muerto

Arena

Fricción superficial Fricción superficial

(las deformaciones por flexión están exageradas a propósito)

T

RT

RT = Tsenθ

θC

RC

RC = Csenθ

θ

Tapó

n

Figura 1 Interacción pilote/suelo

2.2.1 Fricción Lateral a lo Largo delCuerpo (Fricción del Cuerpo)

El rozamiento superficial se moviliza a lolargo del cuerpo del pilote tubular (y posiblemen-te también a lo largo de la pared interior cuandono se retira el tapón de suelo).

La fricción del cuerpo unitaria:

• para las arenas:es proporcional a la presiónde sobrecarga,

• para las arcillas:se calcula mediante elmétodo “alpha” o “lambda” y es una cons-tante igual al esfuerzo cortante Cu a granprofundidad.

La fricción lateral se produce a lo largo dela totalidad de la penetración del pilote.

2.2.2 Esfuerzo en el apoyo

El esfuerzo en el apoyo es la resultante dela presión de apoyo en el área total del extremodel pilote, es decir, con o sin el área del tapón, sifuera este el caso.

La presión de apoyo:

• para las arcillas: es igual a 9 × Cu.

• para las arenas: es proporcional a la pre-sión de sobrecarga, tal y como se explicó enel apartado 6.4.2 de API-RP2A [1].

2.2.3 Penetración del Pilote

La penetración del pilote será la suficien-te para generar la fricción y resistencia del apoyonecesarios contra la compresión máxima dediseño, multiplicada por el coeficiente de seguri-dad apropiado. La resistencia del apoyo nopuede actuar contra el estiramiento, la friccióndisponible debe equipararse a la fuerza de esti-ramiento multiplicada por el coeficiente de segu-ridad apropiado.

2.3 Resistencia Lateral del Pilote

El esfuerzo cortante en el suelo generadopor cargas del entorno se equilibra mediante elapoyo lateral del pilote sobre el suelo. Estaacción puede ocasionar importantes deformacio-nes y elevados momentos de flexión en la partedel pilote que está inmediatamente debajo delnivel del lodo, especialmente en suelos blandos.

2.3.1 Curvas P-y

Las curvas P-y representan la resistencialateral del suelo frente a la flecha. El perfil deestas curvas varía con la profundidad y con eltipo de suelo a dicha profundidad. El perfil gene-ral de las curvas para un aumento del desplaza-miento se caracteriza por:

• comportamiento elástico (lineal) para lasflechas de pequeña magnitud,

• comportamiento elástico/plástico para lasflechas de magnitud media,

• resistencia constante para las flechas degran tamaño o pérdida de resistencia cuan-do la estructura del suelo se deteriora (espe-cialmente las arcillas bajo carga cíclica).

2.3.2 Análisis Lateral del PilotePara los propósitos del análisis, el suelo

se modela en forma de resortes no lineales con-centrados distribuidos a lo largo del pilote. Laecuación diferencial de cuarto orden que expre-sa la deformación del pilote está integrada poriteraciones sucesivas, actualizándose la rigidezsecante de los resortes del suelo en cada paso.

En el caso de deformaciones importantes,la contribución de segundo orden de la compre-sión axial al momento flector (efecto P-Delta)deberá ser tenida en cuenta.

2.4 Hincamiento del Pilote

Los pilotes instalados mediante hinca-miento se introducen en el suelo por medio de

98

los golpes de una maza en su parte superior. Elimpacto se transmite a lo largo del pilote en formade onda, que se refleja en el extremo del pilote. Laenergía se disipa progresivamente mediante lafricción plástica en los lados y mediante el apoyoen el extremo del pilote.

2.4.1 Fórmulas Empíricas

Existe un considerable número de fórmu-las empíricas para predecir el hincamiento de lospilotes. Normalmente cada una de ellas se limitaa un tipo de suelo y de martinete en concreto.

2.4.2 Ecuación de Onda

Este método de análisis del proceso delhincamiento consiste en la representación delconjunto pilote/suelo/martinete como un montajeunidimensional de masas, resortes y amortigua-dores:

• se toma el pilote como un montaje discretode masas y de resortes elásticos.

• se idealiza el suelo como un medio sinmasas caracterizado por resortes elásticos-perfectamente-plásticos y amortiguadores

lineales.

• se toma el martinete como una masa quecae con una velocidad inicial.

• se representa el amortiguador mediante unresorte sin pesantez (véase la figura 3).

• se representa el sombrerete del pilotemediante una masa de rigidez infinita.

La energía de la maza al golpear la cabe-za del pilote genera una onda de tensión en éste,que se disipa progresivamente mediante la fric-ción entre el pilote y el suelo y mediante la refle-xión en los extremos del pilote.

El desplazamiento plástico de la punta enrelación con el suelo es el objetivo que se consi-gue con los golpes. Es posible dibujar curvas conel fin de representar el número de golpes por uni-dad de longitud necesarios para hincar el pilote,de manera que alcance diferentes niveles depenetración.

La ecuación de la onda, si bien represen-ta la evaluación más rigurosa hasta la fecha delproceso del hincamiento, todavía adolece de unafalta de precisión, debida en su mayor parte a lasinexactitudes del modelo del suelo.

99

DISEÑO

3. DIFERENTES TIPOS DE PILOTES

Los pilotes hincados constituyen el tipo decimentación más habitual y eficaz en función delos costes para las plataformas petrolíferas.

Tal y como se muestra en la figura 2,cuando el hincamiento no resulta ser una opciónpráctica pueden elegirse las siguientes alternati-vas:

• pilotes insertados

• pilotes perforados y hormigonados.

• pilotes acampanados.

3.1 Pilotes HincadosNormalmente los pilotes hincados están

formados por tramos. Tras colocar e hincar el pri-mer tramo largo, los tramos de extensión, deno-

minados añadidos, se colocan pieza a pieza amedida que se prosigue con el hincamientohasta alcanzar la longitud proyectada total.

Durante los últimos años, en el Mar delNorte se han utilizado habitualmente pilotes deuna sola pieza, ya que de esta manera se redu-ce considerablemente el trabajo que es necesa-rio realizar en el mar.

El espesor de pared puede variar. En oca-siones es necesaria una pared de mayor espe-sor:

• en secciones situadas por debajo del niveldel lodo hasta una profundidad especifica-da, tramo en el que las tensiones de flexiónson particularmente elevadas,

• en la punta del pilote (zapata de penetra-ción) con el fin de resistir las tensiones deapoyo durante el hincamiento.

No obstante, es preferible un espesor depared uniforme ya que evita problemas de cons-trucción y de montaje.

3.2 Pilotes insertados

Los pilotes insertados son pilotes demenor diámetro que se hincan a través del pilo-te principal al que se le ha extraído el tapón . Porlo tanto, no se ven sometidos a rozamientosuperficial en la longitud del pilote principal ypueden alcanzar una penetración adicional signi-ficativa.

El pilote de inserción se suelda al piloteprincipal en la parte superior de la jacket y elespacio circular existente entre ambos tubos serellena mediante enlechado.

Este tipo de pilote se utiliza:

• en situaciones planeadas de antemano: elrendimiento es satisfactorio, a pesar de quelos costes del material y del montaje sonmayores que en el caso de los pilotes hin-cados normales.

100

Hincado Perforación controlada

Perforación incontrolada

Pilote de inserción Pilote enlechado Pilote acampanado

Figura 2 Tipos de pilote

• como procedimiento de emergencia: cuan-do los pilotes programados no pueden hin-carse hasta alcanzar la penetración nece-saria. Esta situación, por lo tanto, ocasionaalguno de los inconvenientes que se indicana continuación:

• es posible que una sección del pilote princi-pal de mayor espesor de pared quede den-tro de los límites de la altura de la jacket enlugar de por debajo del nivel del lodo.

• una reducción del área de fricción y de lapresión de apoyo en el extremo.

• a menudo se observan dificultades en cuan-to al fraguado del volumen necesario de hor-migón; el problema consiste en la fuga delechada o en la imposibilidad de efectuar elrelleno con la cantidad de lechada calculada.

3.3 Pilotes Perforados yRellenados Mediante Inyección

Este procedimiento es el único mediopara instalar pilotes con resistencia a la tracciónen suelos duros o rocas blandas; es similar alprocedimiento seguido para la perforación de unpozo conductor.

Se perfora inicialmente un pozo sobredi-mensionado hasta alcanzar la profundidad depenetración del pilote propuesta. A continuaciónse baja el pilote, en ocasiones centrándolo en elagujero mediante separadores, y se efectúa elenlechado en el espacio hueco existente entre elcuerpo del pilote y el suelo circundante.

Los inconvenientes del diseño son:

• la formación dura del suelo se reblandececuando se ve expuesta al agua o al lodo uti-lizados durante la perforación y presentauna menor resistencia al rozamiento super-ficial.

• en el caso de las arenas calcáreas, el relle-no externo simplemente aplasta la arena,ampliando ligeramente el diámetro efectivodel pilote pero sin aumentar la fricción demanera significativa.

3.4 Pilotes Acampanados

Mientras que en tierra los pilotes acampa-nados se utilizan con el objeto de reducir la ten-sión de apoyo bajo los pilotes, en las plataformaspetrolíferas proporcionan una superficie deapoyo grande con el fin de aumentar la resisten-cia del extremo al levantamiento.

El pilote principal, normalmente hinca-do, sirve en este caso de tubo de revestimien-to a través del cual un equipo de perforaciónperfora un agujero ligeramente sobredimen-sionado. A continuación, una herramientapara abocinar (trépano ensanchador) agrandala cavidad hasta formar una campana cónicacon un diámetro de base algunas veces mayorque el del pilote principal. Se introduce unaestructura de armadura dentro de la campanaque a continuación se rellena de hormigón uti-lizando un árido fino (10 mm de tamaño máxi-mo).

101

DIFERENTES TIPOS DE PILOTES

4. FABRICACIÓN E INSTALACIÓN

4.1 FabricaciónNormalmente los pilotes están formados

por “can” cilindros de chapa con una unión longi-tudinal. Generalmente, los tramos tienen unalongitud de 1,5 m o superior. Las juntas longitu-dinales de dos tramos adyacentes están desfa-sadas por lo menos un ángulo de 90°.

En caso de que la diferencia de los espe-sores de pared entre canes adyacentes fuerasuperior a 3 mm, se hace necesario biselar launión. La tolerancia mínima en rectitud estáespecificada (0,1% en longitud).

La clase de acero que se utiliza normal-mente es la X52 o X 60.

La superficie exterior de los pilotes relle-nos de hormigón debe estar libre de cascarillasde laminación y barnizada.

En ciertos casos, los pilotes de acero seprotegen bajo el agua mediante ánodos de sacrifi-cio o mediante protección catódica por diferenciade potencial eléctrico. En la zona de salpicadurasse proporciona un espesor adicional con el fin decontrarrestar la acción de la corrosión (por ejemplo3 mm), así como revestimiento epoxídico o cau-chutado o enchapado con metal monel o nicolita.

4.2 Transporte

4.2.1 Transporte en BarcazaLos tramos de pilotes se amarran a la bar-

caza con el fin de impedir que caigan al marcuando el estado de la mar sea malo. La chapadel pilote debe tener el espesor suficiente queimpida que se produzcan deformaciones debi-das por apilamiento.

4.2.2 Modo de Auto Flotación

Este método resulta adecuado en loscasos en los que es necesario levantar tramos

de pilote de gran longitud e introducirlos en guíassituadas muy por debajo de la superficie del mar(pilotes en zócalo, por ejemplo).

Los extremos de los pilotes se sellanmediante chapas de cierre de acero o diafrag-mas de caucho que deben poder resistir losimpactos del oleaje durante el remolcado.

4.2.3 Transporte Dentro de la JacketLos pilotes se preinstalan dentro de los

pilares principales o en las guías/collares, lo quegenera un peso adicional y posible flotabilidad (sise cierran). Se los mantiene en esta posiciónmediante calzas que evitan que se salgan de susguías durante las fases de lanzamiento y delposicionamiento en vertical de la jacket.

Tan pronto como la jacket descansa sobreel fondo se hincan varios pilotes con el objeto deproporcionar una estabilidad inicial frente a laacción del oleaje y de la corriente.

4.3 Martinetes

Los pilotes se colocan:

• dentro de los pilares de la jacket, extendién-dose a lo largo de toda la altura de ésta,

• introducidos en collares que sobresalen dela carena de la jacket, en posición vertical oparalela en relación con los pilares (la incli-nación típica es 1/12 a 1/6).

El hincamiento de los pilares se puede lle-var a cabo utilizando cualquier tipo de martinete(o una combinación de tipos). En la figura 3 seilustran los martinetes.

4.3.1 Martinetes de Vapor

Los martinetes de vapor se utilizan habi-tualmente para el montaje de las jackets en las pla-taformas petrolíferas. Normalmente son de simple

102

103

FABRICACIÓN E INSTALACIÓN

Salida de vapor

Salida de vapor

CámaraAbertura de evaluación y válvula

Entrada de vapor

Pistón de entrada de vapor

Válvula de control

Barra de control de carrera

Barra de control de carrera

Columna-guíaPistón

Drao

Drao

Envuelta

Amortiguador

Amortiguador

Cabeza de pilote

Cabeza de pilote

Pilote

Pilote

Pistón móvil Pistón fijo

Pistón de control de vapor

Pistón fijo

(1) Martinetes de vapor

Palanca propulsora

Drao

Cilindro

Yunque

(a) Propulsión en el inicio de la carrera

(b) Inyectante de carburante

(c) Compresión e impacto

(d) Explosión de diesel

(e) Punto alto de la carrera

Toma de aire/ abertura de evacuación

Leva de la bomba de carburanteBomba de carburante

Amortiguador

Caperuza para la inca

(2) Martinetes diesel

(3) Martinetes hidráulicos

Envuelta

AceitePistón flotanteNitrógenoPistón cilíndricoCabeza de impactoCilindro hidráulico (de doble acción)

YunqueManguitoPilote

DRAO

Pistón (de doble acción)

Fluido hidráulico

Aire

Amortiguador de choques

Manguito de pilote

Drao

Envuelta

Yunque

Pilote

(a) Tipo Hidroblok(b) Tipo Menck

Figura 3 Martinete

efecto con velocidades de hasta 40 golpes/minuto.La potencia de los martinetes actuales osciladesde 60.000 hasta 1.250.000 ft/lb/golpe. (82KNma 1725KNm por golpe).

Durante el hincamiento, el martinete con lacabeza de penetración acoplada se apoya sobreel pilote en lugar de estar sujeto por cables. Elcable de suspensión de la maza desde la plumade la grúa se afloja con el fin de evitar la trans-misión del impacto y de la vibración a la pluma.

4.3.2 Martinetes Diesel

Los martinetes diesel se utilizan frecuen-temente en las plataformas petrolíferas. Son másligeros para el manejo y su consumo de energíaes menor que en el caso de los martinetes devapor, aunque su energía efectiva es limitada.

4.3.3 Martinetes Hidráulicos

Los martinetes hidráulicos se utilizan parael hincamiento por debajo del nivel del agua(pilotes en zócalo que terminan muy por debajode la superficie del mar).

Los martinetes hidráulicos Menck se utili-zan frecuentemente. Utilizan una maza sólida deacero y un sombrerete del pilote de acero flexiblecon el fin de limitar las fuerzas de impacto. Sonde doble efecto. Se utiliza un fluido hidráulico aalta presión para accionar un pistón o serie depistones que, a su vez, provocan el movimientoascendente y descendente de la maza.

En la tabla 1 se muestran las propiedadesde algunos de los martinetes que se utilizan enlas plataformas petrolíferas. Asimismo, en latabla 2 se muestra una selección de martinetespara el hincamiento de pilotes de plataformaspetrolíferas en el proceso de hincamiento depilotes pesados.

Elección de la magnitud del martinete

La elección de la magnitud del martinetese basa en:

• la experiencia de situaciones similares(véase Control de Calidad: apartado 4.6),

• la modelación numérica del hincamientopara cada emplazamiento concreto (véaseHincamiento del Pilote: apartado 2.4)

En la tabla 3 se muestran, para el caso delos martinetes de vapor, los valores típicos de lasmagnitudes de los pilotes, espesores de pared ypotencias de los martinetes.

4.4 Instalación

4.4.1 Manejo y Colocación de los PilotesLa figura 4 muestra las diferentes mane-

ras de proporcionar puntos de levantamientopara la colocación de las secciones de los pilo-tes. Generalmente se utilizan cáncamos (solda-dos en el astillero de fabricación; su proyectodebe tener en cuenta las modificaciones en ladirección de la carga durante el levantamiento. Acontinuación se cortan los cáncamos cuidadosa-mente antes de bajar la siguiente sección delpilote.

El Croquis E muestra las diferentes eta-pas para la colocación de las secciones de lospilotes.

• levantamiento del pilote, o del añadido, dela barcaza.

• rotación de la grúa para colocar el añadi-do.

• instalación y bajada del añadido del pilote.

4.4.2 Uniones del pilote

Se utilizan diferentes soluciones para laconexión recíproca de los tramos del pilote:

• mediante soldeo, con soldadura manual osemiautomática, sujetando los tramos tem-poralmente mediante guías, tal y como se

104

105

FAB

RIC

AC

IÓN

E IN

STA

LA

CIÓ

N

A. Martinetes neumáticos/de vapor

Peso del Peso delPeso sombrerete martinete Presión Consumo Consumo TuboRégimende la

Carreradel pilote típico de trabajo de de flexible BMP

Marca Modelo de potenciamaza

máx.norma- (con nominal vapor aire ST/F nominal(ft-lbs)

(kips)(m)

lizado cables) (psi) (lbs ht) (lbs ht) .....kips (kips)

Conmaco 6850 510.000 85 72 57,5 312 180 31.500 7.500 2 @ 4 405650 325.000 65 60 59,0 262 160 – – 3 @ 4 455300 150.000 30 60 12,7 92 160 8.064 1.711 4 46

300 90.000 30 36 12,7 86 150 6.944 1.471 3 54200 60.000 20 36 12,7 74 120 5.563 1.195 3 59

Menck 12500 1.582.220 275,58 69 154,32 853 171 53.910 26.500 2 @ 6 36(MRBS) 8800 954.750 194,01 59 103,62 600 150 32.400 16.700 8 36

8000 867.960 176,37 59 85,98 564 142 30.860 15.900 8 387000 632.885 154 49 92,4 583 156 30.800 14.830 4 @ 4 355000 542.470 110,23 59 66,14 335 150 20.940 10.400 6 404600 499.070 101,41 59 52,91 313 142 19.840 9.900 6 423000 325.480 66,14 59 33,07 205 142 12.130 6.000 5 421800 189.850 38,58 59 22,05 125 142 7.060 3.700 4 44

850 93.340 18,96 50 11,5 64 142 3.530 1.950 3 45

MKT OS-60 18.000 60 36 – – – – – – –OS-40 120.000 40 36 – – – – – – –OS-20 60.000 20 36 – 38,65 150 – – 3 60

(continua en la página siguiente)

Tabla 1 Características de algunos martinetes utilizados en plataformas no costeras

106

C. Martinetes hidráulicos

Peso delRégimen Peso de sombrerete Peso del Presión de Flujo de

Marca Modelo de potencia la maza del pilote martinete trabajo aceite BMP

(ft-lb) (kips) normalizado (kips) típica nominal nominal

(kips) (psi) (gal. min)

HMB 4000 1.200.000 205 – 490 – – 40-703000A 800.000 152 – 414 – – –3000 725.000 139 33 – – – –1500 290.000 55 17,6 172 – – –900 170.000 30,8 88 – – –500 72.000 9,5 1,1 27,5 – – –

Menck MRBU 760.000 132 84 415 3400 845 50-80MHU 1700 1.230.000 207 77 617 3400 845 32-65MHU 900 650.000 110 – 386 3100 580 48-65MH 195 141.000 22,0 6,0 59 3550 98 38MH 165 119.000 19,0 6,0 51 3190 103 42MH 145 105.000 16,5 6,0 46 2755 102 42MH 120 87.000 13,9 6,0 40 2320 103 44MH 96 69.000 11,0 1,9 27 2830 75 48MH 80 58.000 9,3 1,9 24 2465 75 48

Tabla 1 Características de algunos martinetes utilizados en plataformas no costeras


107

FAB

RIC

AC

IÓN

E IN

STA

LA

CIÓ

N

Peso incluyendoGolpes el alojamiento

Martinete Tipo por en la plataforma,minuto si lo hubiera (ft.lb) Sobre Sobre

(toneladas métricas) × 1.000 KNm yunque pilote

Vulcan 3250 De vapor de simple efecto 60 300 750 1.040 673 600HBM 3000 Hidráulico sumergido 50-60 175 1.034 1.430 542 542HBM 3000 A Hidráulico sumergido 40-70 190 1.100 1.520 796 796HBM 3000 P Hidráulico sumergido esbelto 40-70 170 1.120 1.550 800 800Menck MHU 900 Hidráulico sumergido esbelto 48-65 135 – – 651 618Menck MRBS 8000 De vapor de simple efecto 38 280 868 1.200 715 629Vulcan 4250 De vapor de simple efecto 53 337 1.000 1.380 901 800HBM 4000 Hidráulico sumergido 40-70 222 1.700 2.350 1.157 1.157Vulcan 6300 De vapor de simple efecto 37 380 1.800 2.490 1.697 1.440Menck MRBS 12500 De vapor de simple efecto 38 385 1.582 2.190 1.384 1.147Menck MHU 1700 Hidráulico sumergido esbelto 32-65 235 – – 1.230 1.169IHC S-300 Hidráulico sumergido esbelto 40 30 220 300 – –IHC S-800 Hidráulico sumergido esbelto 40 80 580 800 – –IHC S-1600 Hidráulico sumergido esbelto 30 160 1.160 1.600 – –IHC S-2000 Hidráulico sumergido esbelto – 260 1.449 2.000 – –IHC S-2300 Hidráulico sumergido esbelto – – 1.566 2.300 – –

Energía de choquenominal

Energía neta prevista(ft-lb × 1.000)

Tabla 2 Martinetes de gran tamaño para el hincamiento de pilotes

muestra en la figura 4. El tiempo de soldeodepende de:

- el espesor de la pared del pilote: 3horas para un grosor de 1 pulgada(24,4 mm); 16 horas para un espesorde 3 pulgadas, (76,2 mm) (típico).

- número y cualificación de los soldado-res.

- condiciones ambientales.

• mediante conectores mecánicos (tal y comose muestra en la figura 4):

- bloque de cierre (método de giro).

- tipo de orejetas (método hidráulico).

4.4.3 Colocación del Martinete

La figura 5 muestra las diferentes etapasde esta operación:

• levantamiento desde la cubierta de la bar-caza.

• colocación sobre el pilote mediante elmanejo del brazo (la campana del martine-te actúa como una guía estabilizadora, locual resulta una gran ayuda en aguasembravecidas).

• alineación del sombrerete del pilote.

• bajada de los cables tras la colocación delmartinete.

108

Diámetro exterior Espesor Potencialdel pilote de la pared del martinete

(pulgadas) (mm) (pulgadas) (mm) (ft-lb) (kN-m)

24 600 5/8 – 7/8 15 - 21 50.000 - 120.000 70 - 168

30 750 3/4 19 50.000 - 120.000 70 - 168

36 900 7/8 –1 21 - 25 50.000 - 180.000 70 - 252

42 1.050 1 - 11/4 25 - 32 60.000 - 300.000 84 - 120

48 1.200 11/8 - 13/4 28 - 44 90.000 - 500.000 126 - 700

60 1.500 11/8 - 13/4 28 - 44 90.000 - 500.000 126 - 700

72 1.800 11/4 - 2 32 - 50 120.000 - 700.000 168 - 980

84 2.100 11/4 - 2 32 - 50 180.000 - 1.000.000 252 - 1.400

96 2.400 11/4 - 2 32 - 50 180.000 - 1.000.000 252 - 1.400

108 2.700 11/2 - 21/2 37 - 62 300.000 - 1.000.000 420 - 1.400

120 3.000 11/2 - 21/2 37 - 62 300.000 - 1.000.000 420 - 1.400

Nota 1: En el caso de los martinetes más pesados del campo que se ha proporcionado, el espesor de la pared debeaproximarse al campo superior de los que se han ofrecido con el fin de evitar una sobretensión (fluencia) enel pilote bajo condiciones difíciles de hincamiento.

Nota 2: En el caso de los martinetes diesel, la energía efectiva del mar tinete es de la mitad a dos tercios de los valo-res que normalmente proporcionan los fabricantes y, por lo tanto, es necesario ajustar la tabla anterior.Normalmente los martinetes diesel tan sólo se utilizarían con pilotes de un diámetro de 36 pulgadas o inferior.

Nota 3: Los mar tinetes hidráulicos tienen un golpe más sostenido y, por lo tanto, se puede modificar la tabla anter iorpara que se ajuste al patrón de la onda de solicitación.

Tabla 3 Valores típicos de las magnitudes de los pilotes, espesores de pared y potencias de los martinetes

Los añadidos deben proyectarse con elobjeto de evitar la rotura por flexión o el pandeodurante el montaje y como consecuencia de lascondiciones in situ.

4.4.4 Hincamiento

Es normal que se produzca una ciertapenetración como resultado del mismo peso delpilote. En condiciones de suelo blando, es nece-sario adoptar medidas especiales con el fin deevitar una penetración incontrolada.

A continuación, sehinca el pilote hasta el má-ximo que este permite pro-duciendose lo que se llamarechazo del pilote.

El rechazo del pilotese define como la velocidadmínima de penetración pordebajo de la cual ya no esposible conseguir un mayoravance del pilote, debidotanto al tiempo necesariocomo a los posibles dañosdel pilote y del martinete.Una velocidad habitual-mente aceptada para la de-finición del rechazo es 300golpes/pie (980 golpes me-tro).

4.5 UnionesPilote/Jacket

4.5.1 Calzas solda-das

Las calzas se inser-tan en la parte superior delpilote, dentro del anillo en-tre el pilote y el pilar de lajacket (véase la figura 6) yse sueldan posteriormente.

4.5.2 Sistema de Bloqueo Mecánico

Esta unión de metal a metal se consiguemediante una herramienta hidráulica que seintroduce dentro del pilote, expandiéndola paraintroducirla en unas ranuras labradas que se pro-porcionan en los collares a dos o tres alturasdiferentes, tal y como muestra la figura 7.

Este tipo de unión es la más popular paraplantillas submarinas goza de una gran populari-dad en las galgas submarinas. Proporciona unaresistencia inmediata, así como la posibilidad de

109


Grilletes por agujeros cerca de la cabeza del pilote

Cáncamos Obstrucción con eslingas

Retenida Elevador

(1) Métodos de elevación

(2) Guía de entubado

(3) Conectores mecánicos

Superpuesto

Soldaduras

Fricción de encaje en la junta

Pilote

Guía de entubado interna

Colocado por gravedad Conector del bloque de cierre

Detalle de un conector hidráulico

Guía de entubado externa

Superpuesto

Soldaduras

Pilote

Cabeza de hinca

Junta (No soldada)

Camisa de pilote

A la grúa

Figura 4 Complementos del pilote

reintroducir la conexión en caso de que la intro-ducción resultara incompleta.

4.5.3 Hormigonado

Esta unión híbrida es la que se utiliza conmayor frecuencia para conectar los pilotes a laestructura principal (en el área del nivel del lodo).Las fuerzas se trasmiten mediante esfuerzo cor-tante a través de la lechada.

La figura 8 muestra los dos tipos de obtu-radores que se utilizan habitualmente. La lecha-da expansiva e inencogible debe llenar por com-pleto el anillo existente entre el pilote y el pilar (ocollar).

La fijación debe ser excelente; se mejora

mediante conectores (chavetas deseguridad, flejes de acero o cordo-nes de soldadura dispuestos sobrela superficie del collar y el pilote encontacto con el hormigón).

La anchura del anillo existen-tenerse entre el pilote y el collar debemantenerse constante mediante la uti-lización de centradores y ha de man-tenerse dentro de los siguientes lí-mites:

• 1,5 pulgadas mínimo, (38,1mm)

• aproximadamente 4 pulgadas(101,6 mm) máximo (con elobjeto de evitar la destrucciónde la resistencia a la tracciónde la lechada por microfisura-ción interna).

Los obturadores se utilizancon el fin de confinar la lechada yevitar que escape por la base delcollar. Con frecuencia los obturado-res resultan dañados durante el pilo-taje y, por lo tanto:

• se instalan por duplicado.

• se unen a la base del collar con el fin deofrecerles protección durante la introduc-ción e hincamiento del pilote.

Debe verificarse que el llenado ha sidocompleto mediante los dispositivos adecuadoscomo, por ejemplo, medidores de la resistenciaeléctrica, rastreadores radioactivos, dispositivospara la diagrafía del pozo o tubos de desborda-miento inspeccionados por buzos.

4.6 Control de Calidad

El control de calidad:

• confirmará la adecuación de la cimentacióncon respecto al proyecto.

110

Bloque de grúa Unidad aditiva

Línea del estivador

Unidad aditiva levantada desde la barcaza

Giro de la grúa hasta posicionamiento de la unidad aditiva

Entubado en la parte superior del pilote

Inserción de la unidad aditiva en el alojamiento del pilote

Bajada de los pesos tras el posicionamiento del martinete

El martinete se posiciona sobre el pilote

Posicionado del cepo mediante un martinete basculante

Martinete levantado desde la barcaza

(1) Sucesión en el alojamiento del pilote

(2) Sucesión en el posicionado del martinete

Figura 5

• proporcionará un registro del montaje paraque sirva de referencia tanto para el hinca-miento subsiguiente de pilotes cercanoscomo para modificaciones futuras de la pla-taforma.

El informe del montaje habrá de mencio-nar:

• la identificación del pilote (diámetro y espe-sor).

• las longitudes medidas de los añadidos y delos recortes.

• la auto penetración del pilote (debida a supropio peso y bajo el peso estático del mar-tinete).

• el conteo de golpes de la totali-dad del proceso de hincamiento,junto con la identificación delmartinete utilizado y de la poten-cia, tal y como se muestra en lafigura 9.

• el registro de incidentes y aconteci-mientos extraordinarios:

- comportamiento inesperado delpilote y/o del martinete.

- interrupciones del hincamiento(con el tiempo de preparación yconteo de golpes subsiguientenecesarios para liberar el pilote).

- daños en el pilote, si los hubiera.

• izados del tapón de suelo y de lasuperficie de agua interna tras elhincamiento.

• información relativa a la conexiónpilote/estructura:

- equipos y procedimiento utiliza-dos.

- volumen global y calidad de la le-chada.

- registro de las interrupciones y retra-sos.

4.7 Plan de Emergencia

Los documentos de emergencia debenproporcionar soluciones de respaldo en caso deque se produjeran acontecimientos “imprevis-tos”, tales como:

• imposibilidad de alcanzar la penetraciónnecesaria del pilote.

• avería mecánica del martinete.

• bloqueo del tubo de inyección de lechada.

111


Detalle 1

Detalle 1

Detalle 2

Detalle 2

AA

Calzo

Calzo

Sección A - A

5o

Detalle de protección

Figura 6 Calzos soldados

112

Unidad de cabrestante

Cabria

Tubo-guía

Tubo de cola

Sistema centralizador

Dispositivo de variación del diámetro

Unidad de inspección abretubos

Cono de alienación

Pilote conductor

(1) Dispositivo de variación de diámetro en posición

(2) Terminación del ensanchamiento del diámetro del pilote dentro del manguito

(3)

Figura 7 Sistema de bloqueo mecánico

113


Centralizador de acero y protector del sellado de cemento

Pilar de la Jacket

Combinación de contacto móvil y sellado de cemento

Cerradura tipo diagrama atravesada por el pilote

(1) Sellado de cemento mecánico

Conducto de cemento

Cemento

Pilar principal

Conducto de aire

Jacket

Obturador hinchable

Protectores de acero para el sellado

Conducto de inserción de aire

Pilote

Sellados de contacto y obturadores para hermetizar el pilar de la jacket

Dispositivo para sellado con cemento

(2) Obturador hinchable

Figura 8 Obturadores

Velocidad de penetración (percusiones/pie)

0 50 100 150 2000�

50�

100�

150

200�

250�

300�

350

Penetración por debajo de la línea del lodo, en pies

Desfase de 3 horas

Desfase de 3 días- 18 horas

Desfase de 12 horas- 36 minutos

Desfase de minutos

Caída libre por peso propio

Menck 3000

Menck 3000

Menck 3000

Menck 3000 · 2

Menck 3000 · 1

P2

P3

P4

P5

P6

Arena fina y limoArena fina y limo mezclados con arcilla

Limo arenoso Arcilla

Sondeo típico mostrando: • Registro de percusiones: percusiones registradas por

cada aumento de penetración de un pie • Longitud de desfase • Estratigrafía del suelo • Plan de la adición de pilares • Martinetes usados

Figura 9 Registro de un sondeo

5. RESUMEN FINAL

Esta lección ha descrito:

• los aspectos que ofrecen dificultades en elcaso de cimentaciones en diversos suelos.

• la multiplicidad de soluciones y los diferen-tes tipos de pilotes y martinetes.

• la complejidad del proceso, desde el pro-yecto hasta el montaje.

6. BIBLIOGRAFÍA[1] API-RP2A, “Recommend Practice forPlanning, Designing and Constructing FixedOffshore Platforms”, American PetroleumInstitute, Washington, D.C., 18th ed., 1989.

7. BIBLIOGRAFÍA ADICIONAL1. McClelland, B. and Reifel, M. D., Planning anddesign of fixed offshore platforms, Von MostrandReinhold Company (1982).

2. Bowles, J. E., Foundation analysis and design,MacGraw Hill Book Company (4th edition 1988).

3. Bowles, J. E., Analytical and computer met-hods in Foundation Engineering, MacGraw HillBook Company (1983).

4. Poulos, H. G. and Davis, E. H., Pile foundationanalysis and design, John Wiley and Sons(1980).

5. Graff, W. J., Introduction to offshore structu-res, Gulf Publishing Company (1981).

6. Le Tirant, P., Reconnaissance des sols enmer pour l’implantation des ouvrages Pétroliens,Technip (1976)

7. Pieux dans les formatines carbonates -Technip ARGEMA (1988).

8. Capacité patante des pieux - Technip ARGE-MA (1988).

9. Dawson, T. H., Offshore StructuralEngineering, Prentice Hall Inc (1983).

10. Gerwick, Ben C., Construction of OffshoreStructures, John Wiley and Sons (1986).

114



Problema Resuelto 17.1: Cimentaciones

115

117

CONTENIDO

CONTENIDO

1. RESUMEN

2. HIPÓTESIS GENERALES

2.1 Perfil Asumido de las Curvas

2.2 Presión de Sobrecarga

3. MODELO (Véase también la figura 1)

3.1 Tamaño del Pilote

3.2 Características del Sustrato

3.2.1 Capa de arcilla blanda

3.2.2 Capa de arcilla dura

3.2.3 Capa de arena

3.3 Cargas sobre el Pilote en el Nivel del Lodo

4. CAPA DE ARCILLA BLANDA

4.1 Curvas P-Y

4.1.1 Expresiones Generales

4.1.2 Curva p-y típica

4.2 Curvas t-z

4.2.1 Expresiones generales

4.2.2 Curva t-z típica

4.3 Curvas de la Interacción Suelo/Pilote

5. CAPA DE ARCILLA DURA

5.1 Curvas P-Y



5.2 Curvas t-z




6. CAPA DE ARENA

6.1 Curvas p-y



6.2 Curvas t-z




6.4 Resistencia de la Punta

7. DESPLAZAMIENTOS Y FUERZAS EN EL PILOTE

7.1 Modelo Viga-Pilar utilizando Ecuaciones Diferenciales

7.1.1 Comportamiento axial

7.1.2 Comportamiento lateral

7.2 Modelo Viga-Pilar utilizando el Procedimiento de la Diferencia Finita

7.3 Resultados del Cálculo de la Diferencia Finita



7.3.3 Acción combinada (Efecto de segundo orden)

8. BIBLIOGRAFÍA

118

1. RESUMEN

Un pilote de acero con una penetración de 30 m por debajo del nivel del lodo está sometidosimultáneamente a carga axial, carga transversal y momento flector en el nivel del lodo.

Basándose en el conocimiento de las características del suelo situado por debajo del nivel dellodo, se han de efectuar las siguientes verificaciones:

A. Cálculo del comportamiento axial:

• verificación de la capacidad del aparato de apoyo del pilote

• cálculo de la flecha vertical del pilote en el nivel del lodo.

B. Cálculo del comportamiento lateral:

• cálculo del desplazamiento horizontal máximo del pilote

• cálculo de los esfuerzos del pilote

C. Evaluación de la acción combinada de todas las fuerzas

119

RESUMEN

2. HIPÓTESIS GENERALES

Por motivos de simplicidad, se han adoptado las siguientes hipótesis:

• El sustrato está compuesto básicamente por tres capas, cada una de ellas típica de unacategoría de acuerdo con la definición de API-RP2A [8], figura 1.

• es posible representar el comportamiento del suelo mediante un reducido número de pará-metros (densidad, ángulo de fricción, resistencia al cizallamiento sin escurrir) que se asumepermanecen constantes en cada capa.

• se ignoran otros parámetros (tales como el ratio de sobre-consolidación de las arcillas pocoflexibles).

• las curvas p - y son las curvas carga/flecha derivadas para las cargas cíclicas: esto tiene sujustificación en el hecho de que los esfuerzos transversales están causados fundamental-mente por el oleaje.

Definiciones:

p es la presión lateral del pilote (kN/m)

y es la flecha lateral del pilote

• las curvas t - z son las curvas de la carga/flecha derivadas para las cargas estáticas : estotiene su justificación en el hecho de que una gran parte de la compresión axial en el pilote sedebe a las cargas del suelo superior.

Definiciones:

t es la fuerza de fricción vertical en el pilote (kN/m)

z es el desplazamiento vertical del pilote

2.1 Perfil Asumido de las Curvas

Curvas p - y

Las curvas p-y asumidas están formadas fundamentalmente por cuatro partes:

• un segmento inicial recto ascendente que representa el comportamiento elásticopuro del suelo para las deformaciones pequeñas (esta parte no existe en el caso delas arcillas blandas),

• una o dos porciones parabólicas, en las que se alcanza la resistencia máxima pmáx,

• un segundo segmento recto con pendiente negativa (sólo para las arcillas),

120

• una meseta horizontal que expresa la resistencia residual pres en las deformacionesde gran tamaño.

Un programa calcula la intersección de la función elástica pura inicial con las porcionessubsiguientes de la curva y retiene el menor valor de “p” para cualquier valor de “y”.

En la figura 4 se muestra una curva p-y típica.

Curvas t-z

Las curvas t-z se trazan en dos partes de manera similar a la representada en [4].

El procedimiento para la derivación de tmáx difiere de la teoría de Kraft en el sentido deque ya no incluye el módulo de elasticidad transversal inicial G que frecuentementeresulta difícil de obtener en cada profundidad.

En la figura 3 se muestra una curva t-z típica.

2.2 Presión de Sobrecarga

Las fórmulas que se proporcionan en [1-12] son válidas para pilotes situados en unsustrato homogéneo y en el caso de este ejemplo es necesario modificarlas ligera-mente con el fin de que tengan en cuenta las múltiples capas superpuestas del suelomediante la consideración de la presión de sobrecarga,

σo, es decir, la presión pro-ducto del peso de todas las capas del suelo situadas por encima de la profundidad encuestión H:

dz (z) = H

oo γσ ∫

121

HIPÓTESIS GENERALES

3. MODELO (Véase también la figura 1)

3.1 Tamaño del Pilote

espesor t = 1 pulgada = 25,4 mm

penetración L = 30 m

diámetro exterior D = 42 pulgadas = 1066, 8 mm

3.2 Características del Sustrato

3.2.1 Capa de arcilla blandaespesor H = 7 m

densidad sumergida γ’ = 7,1 kN/m3

cizallamiento sin escurrir cu = 25 kPa

deformación del 50% εc = 0,02

parámetro de correlación j. = 0,50

3.2.2 Capa de arcilla dura

espesor H = 13 m


cizallamiento sin escurrir cu = 180 kPa

deformación del 50% εc = 0,01

3.2.3 Capa de arena

espesor H = 10 m


ángulo de fricción φ = 30°

3.3 Cargas sobre el Pilote en el Nivel del Lodo

Las fuerzas son:

• compresión axial : 1800 kN

• fuerza horizontal : 320 kN

• momento flector : 840 kNm

122

123

MODELO

�� !"#$%&'()*+,-./0123456789:;<=>?@ABCDEFGHIJKLMNOP�� !"#$%&'()*+,-./0123456789:;<=>?@ABCDEFGHIJKLMNOPNivel de lodo

7000

1300

010

000

1800kN 840kNm

320kN

Arcilla blanda

γ' = 7,1 kN/m3

Cu = 25 kPa

εc = 0,02 J = 0,50

Arcilla dura

γ' = 10,5 kN/m3

Cu = 180 kPa

εc = 0,02

42''

φ ×

1'' W

T

z

Arcilla suelta

γ' = 9,4 kN/m3

ϕ' = 30°

Figura 1 Datos del pilote y del suelo

4. CAPA DE ARCILLA BLANDA

4.1 Curvas p-y

4.1.1 Expresiones GeneralesLa resistencia límite lateral de apoyo, para la arcilla blanda pu a la profundidadH, es la menor de las capacidades a profundidades reducidas determinadamediante:

pus = cu(3D + JH) + σoD

y la capacidad a grandes profundidades, determinada mediante:

pud = 9 cuD

donde:

cu = resistencia al cizallamiento sin escurrir de la arcilla inalterada

Normalmente la determinación del parámetro empírico adimensional J se ha deefectuar mediante ensayos in situ.

las curvas p-y para la carga cíclica se generan de la siguiente manera:

p = si y < 3yc

p = si 3yc ≤ y ≤ 15yc

p = pt si y > 15 yc

donde:

yc = 2,5 εc D = deformación crítica

εc = deformación que se produce al 50% de la tensión máxima

pt = 0,72 Min = resistencia residual del aparato deapoyo

p 1 . H

Hu

R

−

−

4

1

y 12

y p

8

3 p + p

8

3

cu

1/3

tu

1/3

y 3

y =

yy

p0,5c

1/3

c

1/3

u

124

HR = = profundidad a la que las capacida-des a gran profundidad y a profun-didad reducida son iguales (pus =pud)

=

La figura 2 muestra una representación gráfica adimensional de este juego defórmulas.

Criterios para el desarrollo de las curvas p-y para pilotes situados en arcillablanda. (Según Matlock, derechos de autor de OTC [7]).

(La línea fuertemente punteada muestra la resistencia estática, que no se cal-cula en este caso).

4.1.2 Curva p-y Típica

El cálculo de las características de las curvas p-y se muestra para una profun-didad típica H = 4,50 m. Los resultados de las demás profundidades de ofrecenen la tabla 1.

Presión de sobrecarga: σo = 4,50 × 7,1 = 32,0 kPa

Esfuerzos de agotamiento

profundidad reducida: pus = (3 × 25,0 + 32,0) × 1,0668 + 0,5 ×25,0 × 4,50

= 170,3 kN/m

c J + D

c D 6

u’

uγ

σD

J +

c H6/

u

o

125

CAPA DE ARCILLA BLANDA

P

Pu

yd / yc = 3yf / yc = 15 y / yc

1,0

0,72

0,5c

d

e

f

para x = 0 0,72 (H/HR)

Máxima resistencia cíclica cuando

la profundidad es H > HR

Figura 2 Carga cíclica en arcilla blanda

γ’

σD

J +

c H6/

u

o

gran profundidad: pud = 9 × 25,0 × 1,0668 = 240 kN/m

Desplazamientos característicos:

yc = 2,5 × 0,02 × 1066,8 = 53,3 mm

resistencia máxima: pmáx = 85,2 × (3)1/3 = 122,8 kN/m

HR =

resistencia residual:

4.2 Curvas t-z

4.2.1 Expresiones generalesAPI-RP2A propone el procedimiento alfa cuya utilización resulta más frecuenteen el caso de las arcillas fuertes y sobre-consolidadas. Por motivos de simplici-dad, en este problema también consideraremos este procedimiento para lasarcillas blandas.

La fricción del cuerpo a lo largo del pilote se calcula mediante la ecuación:

f = α cu

donde:

α = 0,5 ψ-0,5 si ψ ≤ 1,0

α = 0,5 ψ-0,25 si ψ > 1,0

ψ =

A continuación se ofrecen otros valores para la arcilla blanda [4]:

zmáx = 0,015 × D

tres = 0,85 × t máx

zres = 0,060 × D

σo

uc

kN/m 69,3 = 122,8 7,971

4,500 = pres ×

m 4,50 > m 7,971 = 25,0 x 0,5 + 1,0668 x 7,1

25,0 x 1,0668 x 6

126

Curva Tras el Colapso

La curva tras el colapso se representa mediante un polinomio de tercer gradoentre (tmáx) y (tres):

t = tres + (tmáx - tres) ×

En la figura 3 se muestra una representación gráfica.


Se muestran los cálculos numéricos para H = 4,50 m. Los resultados para otrasprofundidades se ofrecen en la tabla 1.

ψ =

α = 0,5 × 0,781-0,5 = 0,566

f = 0,566 × 25,0 = 14,1 kPa

tmáx = π ×1,0668 × 14,1 = 47,3 kN/m

zmáx = 0,015 × 1066,8 = 16,0 mm

1,00 < 0,781 = 32,0

25,0

−

−z z

z z

resmax

res3

127

CAPA DE ARCILLA BLANDA

zmax zres – zmax

tmax

tres = ξ tmax

zres

EQ. (21−15)

Desplazamiento de pilote z

Tensión de

cortante t

Gráfica de ensayos

de corte directo

Figura 3 Desarrollo de la curva t-z (según Kraft, Ray y Kagawa[4])

tres = 0,85 × 47,3 = 40,2 kN/m

zres = 0,060 × 1066,8 = 64,0 mm


128

Profundidad Pmáx Pres tmáx tres

(m) (kN/m) (kN/m) (kN/m) (kN/m)

1,50 79 15 34 29

3,00 101 38 40 34

4,50 123 69 47 40

6,00 145 109 55 47

Tabla 1 Resultados para la capa de arcilla blanda

5. CAPA DE ARCILLA DURA

5.1 Curvas p-y

5.1.1 Expresiones generalesLa resistencia límite lateral de apoyo, para la arcilla dura pu a una profundidadH, es la menor de las capacidades a profundidades reducidas determinadamediante:

pus = ca (2,00D + 2,83H) + σo D = (2,00 ca + σo) D + 2,83 ca H


pud = 11 cu D

donde:

ca es la resistencia al cizallamiento sin escurrir media de la arcilla a la pro-fundidad H

cu es la resistencia al cizallamiento sin escurrir de la arcilla a la profundi-dad considerada

las curvas p-y para la carga cíclica están formadas secuencialmente por unaporción elástica lineal, dos curvas parabólicas, un segmento lineal descenden-te y una meseta constante:

p = ky si y < yk

p = B pu si yk < y < 0,6yp

p = pu si 0,6yp < y < 1,8yp

p = pu (0,936B - 0,4182A) si y ≥ 1,8yp

Las flechas en los puntos característicos se definen como:

yc = εc D yp = 4,1 A yc

El parámetro de pendiente inicial k se deriva a partir de la tabla 3 de [9]

La figura 4 ofrece una representación gráfica de las fórmulas anteriores.

−−

y

y0,6 y 0,085 0,936B

c

p

−−

y0,45

y0,45 y 1

p

p2,5

129

CAPA DE ARCILLA DURA

Criterios para el desarrollo de las Curvas p-y para los Pilotes situados en ArcillaRígida


El cálculo de las características de las curvas p-y se muestra para una profun-didad típica H = 12,00 m. Los resultados para otras profundidades se ofrecenen la tabla 2.

Presión de sobrecarga: σo = 7,00 × 7,1 + 5,00 × 10,5 = 102,2 kPa

resistencia media al cizallamiento:

H/D = 11,25 > 4,00 por lo tanto A = 0,60 y B = 0,30

Esfuerzos de agotamiento:

profundidad reducida: pus = (2 × 89,6 + 102,2) × 1,0668 + 2,83 × 89,6× 12,00

= 3343 kN/m

gran profundidad: pud = 11 × 180,0 × 1,0668 = 2112 kN/m

Desplazamientos característicos:

kPa 89,6 = 12,00

180,0 5,00 + 25,0 7,00 = ca

××

130

Bpu

0 0,45yu 0,6yp 1,8yp y

-0,085pu / ycyp = 4,1 Ayc

yc = εc d

Resistencia del suelo p p = Bpu (1-[(y - 0,45yp)/0,45yp]2,5)

Figura 4 Carga cíclica en arcilla rígida

yc = 0,01 x 1066,8 = 10,7 mm

yp = 4,1 × 0,6 × 10,7 = 26,3 mm

resistencia residual: pres = 2112 × [0,936 × 0,30 - 0,102 × 0,60 × 4,1] = 63,1 kN/m

5.2 Curvas t-z

5.2.1 Expresiones generalesEl procedimiento alfa es similar al que se utilizó anteriormente para las arcillasblandas.

Otros valores para la arcilla dura son los siguientes:

zmáx = 0,010 × D

tres = 0,90 × tmax

zres = 0,040 × D


Los cálculos numéricos se muestran para H = 12,00m. Los resultados paraotras profundidades se ofrecen en la tabla 2.

ψ = = 1,761 > 1,00

α = 0,5 × 1,761-0,25 = 0,434

f = 0,434 × 180,0 = 78,1 k pa

tmáx = π ×1,0668 × 78,1 = 261,7 kN/m

zmáx = 0,010 × 1066,8 = 10,7 mm

tres = 0,90 × 261,7 = 235,5 kN/m

zres = 0,040 × 1066,8 = 42,7 mm


102,2

180,0

131

CAPA DE ARCILLA DURA

132



7,50 265 26 224 202

9,00 515 51 239 215

10,50 633 63 251 226

12,00 633 63 262 236

13,50 633 63 271 244

15,00 633 63 280 252

16,50 633 63 288 259

18,00 633 63 295 266

19,50 633 63 302 272

Tabla 2 Resultados para la capa de arcilla dura

6. CAPA DE ARENA

6.1 Curvas p-y

6.1.1 Expresiones generalesLa resistencia límite lateral de apoyo, para la arena pu a una profundidad H, esla menor de las capacidades a profundidades reducidas determinada median-te:

pus = (C1 H + c2 D– σo


pud = C3 D– σo

donde:

D–

= el diámetro medio del pilote desde la superficie hasta la profundi-dad H

Los coeficientes Ci se proporcionan en la figura 6.7.6.1 de [8].

La relación resistencia-flecha sólida lateral se expresa mediante:

p = A pu tanh

donde el coeficiente A se hace cargo de la carga cíclica o estática y se evalúamediante:

• carga estática: A = 0,9

• carga cíclica: A =

mientras que k representa el módulo inicial de la reacción del subsuelo que seproporciona en la figura 6.7.7.1 de [8].


El cálculo de las características de las curvas p-y se indica para una profundidadH = 24,00 m. Los resultados para otras profundidades se ofrecen en la tabla 3.

Presión de sobrecarga:

σo = 7,00 × 7,1 + 13,00 × 10,5 + 4,00 × 9,4 = 223,8 kPa

− DH/ 0,8 3,0

or 0,9 max

y

Ap

kH

u

133

CAPA DE ARENA

o

φ = 30° por lo tanto C1 = 1,9 C2 = 2,7 C3 = 28,2

Esfuerzos de agotamiento:

profundidad reducida: pus = (1,9 × 24,00 + 2,7 × 1,0668)× 223,8 = 10850 kN/m

gran profundidad: pud = 28,2 × 1,0668 × 223,8 =6733 kN/m

carga cíclica, por lo tanto A = 0,9

pmáx = Apu = 0,9 × 6733 = 6060kN/m

φ = 30° por lo tanto k = 9000kN/m3

p = 6060 A tanh = 6060 A tanh (35,6y) (kN/m)

6.2 Curvas t-z


El cizallamiento máximo se calcula de acuerdo con API-RP2A [8] incluyendo laslimitaciones contenidas en la tabla 6.4.3-1.

El coeficiente del empuje lateral de tierras se fija en:

K = 0,8 para los pilotes sin tapón,

K = 1,0 para los pilotes con tapón.

Se asume que el ángulo de fricción entre el suelo y la superficie del pilote es:

δ = φ - 5° [6]

Los demás valores se calculan a partir de figura 8 de [4] de la siguiente mane-ra:

zmáx = 0,006 × D

tres = 0,95 × tmáx

zres = 0,02 × D

×

6060

y24,00 9000

134


Se muestran los cálculos numéricos para H = 24,00 m. Los resultados paraotras profundidades se ofrecen en la tabla 3.

φ = 30° por lo tanto δ = 25°

f = 1,0 × 223,8 × tan(25) = 104,4 kPa > 81,3

tmáx = π ×1,0668 × 81,3 = 272,5 kN/m

zmáx = 0,006 × 1066,8 = 6,4 mm

tres = 0,95 × 272,5 = 258,8 kN/m

zres = 0,020 × 1066,8 = 21,3 mm


6.4 Resistencia de la Punta

profundidad: x = 30,00 m

Curvas q-z

Las curvas q-z teóricas se representan mediante una función cúbica limitada por unameseta plástica, tal y como se sugiere en [6].

q = qmáx × min de (1 o (z/zmáx )1/3)

135

CAPA DE ARENA



21,00 5.296 5.296 273 260

22,50 5.678 5.678 273 260

24,00 6.060 6.060 273 260

25,50 6.441 6.441 273 260

27,00 6.823 6.823 273 260

28,50 7.205 7.205 273 260

30,00 7.587 7.587 273 260

Tabla 3 Resultados para la capa de arena

donde zmax es el desplazamiento vertical cuando se alcanza qmax (comparar con la

figura 3)

La figura 5 muestra una representación gráfica de la relación q-z

La tensión máxima del aparato de apoyo en la arena se calcula de la siguiente mane-ra:

q = σo Nq

El coeficiente del aparato de apoyo Nq se calcula de acuerdo con la ecuación corregi-da de Meyerhof para que se ajuste a los valores de la tabla 6.4.3-1 de [8]. Nq = 20

La tensión del aparato de apoyo está limitada por:

qmáx = Nq × min

Presión de sobrecarga:

σo = 7,00 × 7,1 + 13,00 × 10,5 + 10,00 × 9,4 = 280,2 kPa

kPa 4800 = q

kPa 4800 = 240 20,0 = q

or

kPa 5604 = 280.2 20,0 = q

max

×

×

σ

kPa 240

or

136

Relación

q / qmax

Relación z / zmax

0 0,5 1,0 1,5 2,0

1,5

1,0

0,5

0

Figura 5 Curva q-z teórica

kPa 4800 = q

kPa 4800 = 240 20,0 = q

or

kPa 5604 = 280.2 20,0 = q

max

×

×

o

Superficie de Apoyo y Fricción Interna del Cuerpo

En el caso de los pilotes de extremo abierto, se asume que la presión sobre el apoyoactúa sobre la totalidad de la sección transversal del pilote; no se considera la friccióninterna del cuerpo.

En el caso de los pilotes de extremo cerrado, el programa añade a la fricción externadel cuerpo más el apoyo sobre el anillo del pilote, la menor de las fricciones internasdel cuerpo globales (punta sin tapón) o el apoyo del extremo sobre el suelo (punta contapón, véase el apartado 6.4.3 de [8]).

En esta etapa es necesario confirmar si el pilote tiene tapón o no mediante la conside-ración del menor de:

• la fricción límite recogida a lo largo de la pared interna del cuerpo:

Fu = (34 + 40 + 47 + 55) × 1,500

+ (224 + 239 + 251 + 262 + 271 + 280 + 288 + 295 + 302) × 1,500

+ 6,5 × 273 × 1,500

= 6544 kN

• apoyo límite del pilote:

Fp = π/4 × 1,0162 × 4800 = 3892 kN

por lo tanto: Qmáx = π/4 × 1,06682 × 4800 = 4290 kN

137

CAPA DE ARENA

7. DESPLAZAMIENTOS Y FUERZAS EN EL PILOTE

7.1 Modelo Viga-Pilar utilizando Ecuaciones Diferenciales

Los desplazamientos (axial y lateral) se expresan mediante ecuaciones diferenciales.En el caso de un sustrato formado por una única capa homogénea que presente unascondiciones elástico-lineales o constantes en todo su espesor, estas ecuaciones pue-den tener una solución analítica.

Para los casos más complejos, como el de este ejemplo, el comportamiento del sueloes no lineal y la única solución al problema consiste en la utilización de los análisisnuméricos (véase 6.2.)


Los desplazamientos axiales y las fuerzas a lo largo del pilote se expresanmediante la siguiente ecuación diferencial de segundo orden:

E A × + Ka × w = 0

donde:

w es la flecha axial (vertical) del pilote

z es la coordenada de sección a lo largo del pilote

EA es la rigidez axial del pilote

Ka es la rigidez de resorte axial secante del pilote


Los desplazamientos laterales y las fuerzas a lo largo del pilote se expresanmediante la siguiente ecuación diferencial de cuarto orden:

EI × + P(z) × + Kt × u = 0

donde:

u es la flecha lateral del pilote

z es la coordenada de sección a lo largo del pilote

EI es la rigidez a la flexión del pilote

P(z) es la compresión axil en la sección (z)

dz

ud2

2

dz

ud4

4

dz

wd2

2

138

Kt es la rigidez de resorte lateral secante del suelo

7.2 Modelo Viga-Pilar utilizando el Procedimiento de la DiferenciaFinitaSe considera que un procedimiento es de diferencia finita cuando las cantidades deconcentran en puntos de incremento. Concretamente cuando:

• se divide el pilote en segmentos iguales (20 × 1,500 m),

• se asume que la superficie sólida de cada sección típica tiene unas propiedadesconstantes en un tramo de 0,750 m por encima y por debajo de esa sección y semodela mediante resortes no lineales discretos (axiales y laterales).

La ecuación diferencial (de cuarto y de segundo orden, respectivamente, para el com-portamiento lateral y axial) se reemplaza por un sistema de:

• 21 ecuaciones del tipo:

ai yi-2 + bi yi-1 + ci yi + di yi+1 + ei yi+2 = fi

donde los coeficientes ai, bi, ci, di y ei, son funciones de las propiedades físicas del pilo-taje, límites y carga axial y el término fi es una función de la carga aplicada.

• las ecuaciones de los límites (4 para la carga lateral y tan sólo 2 para la carga axial)que representan los constreñimientos de la parte superior del pilote (fuerza impues-ta y momento) y en la punta (rotación libre y desplazamiento).

Este juego de ecuaciones se resuelve mediante un proceso iterativo.

En cada uno de los pasos, los desplazamientos calculados durante el paso anteriordeterminan la rigidez secante de los resortes del suelo y, por lo tanto, el valor de loscoeficientes ai a ei, lo cual, a su vez, produce un nuevo juego de desplazamientos.

El procedimiento finaliza cuando la diferencia entre dos juegos consecutivos llega a serinferior a una tolerancia previamente seleccionada.

El modelo se muestra en la figura 6.

139

DESPLAZAMIENTOS Y FUERZAS EN EL PILOTE

7.3 Resultados del Cálculo de la Diferencia Finita

En la figura 1 se indican las fuerzas aplicadas al pilote.


El comportamiento del pilote bajo una carga axial se determina en primer lugar.Consiste en la suma de la fricción lateral a lo largo del cuerpo más el efecto delapoyo de la punta.

El valor de la compresión axil y del desplazamiento vertical producidos en tra-mos regulares de la longitud del pilote se obtienen mediante la utilización de unordenador.

140

Mi+3

Ni+3

Ni+3

Pi+2

Ti+2

EIi+2

i+3

h Yi+2

Ri+2

h(Es)i+2

∆Ni+2

Mi–3

Ni–3

Ni–3

Pi+1

Ti+1

EIi+1

i+2

Yi+1

Ri+1

h(Es)i+1

∆Ni+1

Pi

Ti

EIi

i+1

Yi

Ri

h(Es)i

∆Ni

Pi–1

Ti–1

EIi–1

i

Yi–1

Ri–1

h(Es)i–1

∆Ni–1

Pi–2

Ti–2

EIi–2

i–1

Yi–2

Ri–2

h(Es)i–2

∆Ni–2

i–2

i–3

incr

emen

to

Figura 6 Modelo viga-pilar

La flecha vertical en la cabeza del pilote es de 2,3 m.

Puede observarse que:

• tan sólo una parte despreciable de la compresión vertical se transfiere a lacapa superior de arcilla blanda.

• aproximadamente un tercio de la compresión se equilibra mediante la fricciónde cada una de las capas de arcilla dura y de arena, mientras que del terciorestante se hace cargo el apoyo de la punta.


El diagrama de la compresión a lo largo del pilote que se ha determinado en elpaso anterior se utiliza como entrada para las fuerzas P(z).

El valor del momento de cizallamiento, desplazamiento lateral y rotación en tra-mos regulares a lo largo del pilote se obtienen mediante la utilización de mediosinformáticos.

El desplazamiento máximo de 53,2 mm se obtiene en la parte superior del pilo-te. El momento máximo de 2110 kNm se obtiene a aproximadamente 6,0 m pordebajo del nivel del lodo.

Puede observarse que por debajo de 20,00 m las intensidades del momento ydel cizallamiento se hacen insignificantes; así pues, se puede designar a estaprofundidad como la penetración “efectiva” del pilote con respecto a las cargaslaterales sobre éste.

Merece la pena observar que el valor del cizallamiento en la parte superior delpilote es ligeramente superior al de la fuerza de entrada horizontal; esto es debi-do a la adición del componente del esfuerzo axil causado por la rotación de lasección en ese punto.

7.3.3 Acción combinada (Efecto de segundo orden)

La contribución del esfuerzo axil excéntrico al momento flector global (efecto p- ∆) y el desplazamiento lateral tienen un valor de 90 kNm y 3,2mm, respectiva-mente.

141

DESPLAZAMIENTOS Y FUERZAS EN EL PILOTE

142

6m

10m

20m

30m

2110

840 320

Momentos (kNxm)

Cortante (kN)

Deformación lateral (mm)

53,2

Figura 7 Resultados del cálculo de la diferencia finita de primer orden

8. BIBLIOGRAFÍA

[1] Reese L.C., Cox W.R. & Koop F.D. “Analysis of Laterally Loaded Piles in Sand”, OTCpaper 2080, May 1974

[2] Reese L.C., Cox W.R. & Koop F.D. “Field Testing and Analysis of Laterally Loaded Pilesin Stiff Clay”, OTC paper 2312 May 1975

[3] Matlock H. “Correlations for Design of Laterally Loaded Piles in Soft Clay”, OTC paper1204, May 1970.

[4] Kraft L.M., Ray R.P. & Kagawa T. “Theoretical t-z Curves”, ASCE J. Geotech. Eng. Div.,vol 107, No GT11, pp. 1543-61, November 1981

[5] Vijayvergiya V.N. & Focht J.A. “A New Way to Predict Capacity of Piles in Clay”, OTCpaper 1718, May 1972

[6] Vijayverjiya V.N. “Load-Movement Characteristics of Piles”, Proceedings Ports 77,ASCE Conference, Long Beach, pp. 269-284, 1977.

[7] Holmquist D.V. & Matlock H. “Resistance-Displacement Relationships for Axially-Loaded Piles in Soft Clay”, OTC paper 2474, May 1976.

[8] API-RP2A “Recommended Practice for Planning, Designing and Constructing FixedOffshore Platforms”, 18th edition, September 1989.

[9] Sullican W.R., Reese L.C. & Fenske C.W. “Unified Method for Analysis of Loaded Pilesin Clay”, Numerical Methods in Offshore Piling, ICE, London, May 1979.

[10] McClelland B. & Reifel M.D. “Planning and Design of Fixed Offshore Platforms”, VanNostrand Reinhold, 1986.

[11] Fleming W.G., Weltman A.J., Randolph M.F. & Elson W.K. “Piling Engineering”, SurreyUniversity Halsted Press, 1985.

[12] O’Neill M.W. & Murchinson J.M. “An Evaluation of p-y Relationships in Sands”, Reportto API, May 1983.

143

BIBLIOGRAFÍA



Lección 17.7: Uniones Tubulares en Estructuras Petrolíferas

145

147

OBJETIVOS/CONTENIDO

OBJETIVOS/CONTENIDO

Presentar los métodos para el proyectode uniones tubulares de gran tamaño que seutilizan con frecuencia en las estructuraspetrolíferas.


Lección 17.1: Estructuras Petrolíferas:Introducción General

LECCIONES AFINES

Lección 17.8: Fabricación

Lección 17.12: Uniones en Estructuras deCubierta de PlataformasPetrolíferas

RESUMEN

Esta lección define los principales térmi-nos e índices que se utilizan en el proyecto delas uniones tubulares. Se presentan las clasifica-ciones para las uniones en T, Y, X, N, K y KT yse discute la importancia de las separaciones,solapes, uniones multiplanares y de los detallesde la disposición de las uniones. Se describenmétodos de proyecto para la resistencia a la fati-ga y estática, al tiempo que se presenta informa-ción detallada relativa a los coeficientes de laconcentración de tensiones.

1. INTRODUCCIÓN

La estructura principal del suelo superiorconsiste en una cubierta integrada o en unaestructura de apoyo modular y de módulos.Normalmente hay vigas de celosía tubulares,aunque también se utiliza una importante canti-dad de perfiles ensamblados y laminados.

El objetivo de esta lección es el diseño delas uniones tubulares. Este tipo de unión se utili-za frecuentemente en las plataformas petrolífe-ras, especialmente para las estructuras de lasjackets. La unión de los perfiles con forma de I ode las vigas tubulares, tanto si son laminadascomo ensambladas, son en lo esencial similaresa las que se practican en las estructuras situa-das en tierra. Para un asesoramiento apropiado

del diseño es posible consultar las leccionescorrespondientes.

Con el fin de diseñar de manera adecua-da una unión tubular, es preciso efectuar dos cál-culos principales. Éstos son:

1. Consideraciones relativas a la resistenciaestática

2. Consideraciones relativas al comporta-miento ante la fatiga

El tema del comportamiento ante la fatigaha de considerarse en todos los casos, inclusoen aquellos en los que una simple evaluación delmismo muestre que no constituirá un problema.Por lo tanto, el proyectista de las uniones ha detener presente la fatiga en todo momento.

148

2. DEFINICIONES

Las siguientes definiciones gozan dereconocimiento universal [1]: (consulte la figura 1para más información):

El CORDÓN es el elemento principal, querecibe a los demás componentes. Ha de sernecesariamente un elemento pasante. Sobre élse sueldan los otros elementos tubulares, sinperforar completamente el cordón en la intersec-ción.

Es posible que otros elementos tubularespertenecientes al montaje de la unión tengan lamisma magnitud que el cordón, aunque nuncapueden tener una longitud mayor.

El MÓDULO TUBULAR es la sección delcordón reforzada mediante un incremento delespesor de la pared o mediante rigidizadores.

Los REFUERZOS son los elementosestructurales que se sueldan al cordón.Físicamente terminan en la superficie del cor-

dón.

El MUÑÓN es la extremidaddel refuerzo, reforzado localmentemediante un incremento del espesorde la pared.

Es necesario identificar las dife-rentes posiciones a lo largo de la inter-sección entre el refuerzo y el cordón:

• la posición CONVEXA se localizaen el lugar donde la intersecciónentre el refuerzo y el cordón cruza elplano que los contiene a ambos.

• la posición CÓNCAVA se localiza enel lugar donde la intersección entreel refuerzo y el cordón atraviesa elplano perpendicular al plano que loscontiene a ambos, que también con-tiene el eje del refuerzo.

2.1 DefinicionesGeométricas(Consulte la figura 1)

L es la longitud del módulo tubulardel cordón

D es el diámetro exterior del cordón

T es el espesor de pared del cordón

d es el diámetro exterior del refuer-zo

149

DEFINICIONES

t 1d2

t2

Muñ

on

Ref

uerz

o

d 1

Coronación

Cordón

Línea de intersección

Módulo tubular

g

e

L

D

e>0

e<0θ

T

D = Diámetro del cordón T = Espesor de la pared

del cordón

d = Diámetro del refuerzo t = Espesor de la pared

del refuerzo

θ = Ángulo entre los ejes del cordón y del refuerzo g = Separación crítica e = Excentricidad L = Longitud del módulo tubular

Figura 1 Definiciones

t es el espesor de pared del refuerzo (enlos casos en los que haya varios refuer-zos, el refuerzo en cuestión se identificamediante un subíndice)

g es la separación teórica entre los bordesde la soldadura

e es la excentricidad • positiva cuando esopuesta al lado del refuerzo, Negativa enel lado del refuerzo

θ es el ángulo entre el eje del cordón y eldel refuerzo.

2.2 Índices Geométricos

α = Esbeltez del módulo tubu-lar

β = Índice del diámetro delrefuerzo con respecto aldel cordón (siempre ≤ 1)

γ = Esbeltez del cordón

τ = Índice del espesor del re-fuerzo con respecto al delcordón

ζ = Separación relativa

Estos índices son variables no dimensio-nales que se utilizan en las ecuaciones paramé-tricas.

D

g

T

t

T2

D

D

d

D

L2

150

3. CLASIFICACIÓN

Los recorridos de la carga en el interior deuna unión son muy diferentes, dependiendo de lageometría de la unión. La clasificación que seutiliza es la que se indica a continuación (véasela figura 2.)

3.1 Uniones en T y en Y

Estas uniones están formadas por unúnico refuerzo, perpendicular al cordón (unión enT) o inclinado en relación a él (uniones en Y).

En una unión en T, la reac-ción ante el esfuerzo axial queactúa en el refuerzo se efectúamediante la flexión en el cordón.

En una unión en Y, lareacción ante el esfuerzo axialse efectúa mediante la flexión yel esfuerzo axial en el cordón.

3.2 Uniones en X

Las uniones en X presen-tan dos refuerzos coaxiales acada lado del cordón.

Los esfuerzos axiales es-tán equilibrados en los refuer-zos, que en una unión en X idealdeben ser del mismo diámetro yespesor. En realidad, hay otrasconsideraciones, tales como lalongitud del refuerzo, que pue-den ser muy diferentes a cadalado del cordón y que puedenhacer que los dos refuerzos se-an ligeramente distintos. Tambiénlos ángulos pueden presentar li-geras diferencias.

El aspecto importante quehay que tener en cuenta es elequilibrio de las fuerzas en losrefuerzos. Si el esfuerzo axial en

un refuerzo es mucho más elevado que el del otrorefuerzo la unión puede clasificarse como uniónen Y (o en T) en lugar de como unión en X.

3.3 Uniones en N y en K

Estas uniones incluyen dos refuerzos.Uno de ellos puede ser perpendicular al cordón(unión en N) o ambos pueden estar inclinados(unión en K).

El patrón de carga ideal de estas uniones sealcanza cuando los esfuerzos axiales están en equi-

151

CLASIFICACIÓN

Uniones en T y en J

Unionesen X

Uniones en N y en K

Unionesen KT

θ θ

Unión en T θ = 90o

Unión en Y θ ≠ 90o

Unión en N θ1 = 90o

Unión en K θ1 ≠ 90o θ2 ≠ 90o

θ1 = θ2 Caso ideal: D1 = D2

t1 = t2

θ1

θ2

θ1 θ2

θ1 θ2

Figura 2 Clasificación de las uniones

librio en los refuerzos, es decir, la fuerza neta que seintroduce en la barra del cordón es reducida.

3.4 Uniones en KTEstas uniones incluyen tres refuerzos.

El patrón de carga de estas uniones esmás complejo. Idealmente, los esfuerzos axialesdeben estar equilibrados en los refuerzos, esdecir, la fuerza neta introducida en la barra decordón es reducida.

3.5 Limitaciones

Los índices que se indican en el apartado2.2 presentan limitaciones tanto para la fabrica-ción como para la eficacia de las uniones. La tabla3.1 muestra estos límites y sus rangos típicos.

3.6 Cómo Clasificar una Unión

Esta clasificación tan sólo atiende a losrefuerzos localizados en un plano.

Siempre debe tenerse en cuenta que estaclasificación está basada tanto en el patrón decarga como en la geometría. Por lo tanto, esnecesario hacer uso de los criterios de ingenie-ría para efectuar la clasificación de las uniones.Por ejemplo, una unión en K geométrica puedeclasificarse como.

• una unión en K cuando las fuerzas estánequilibradas en los refuerzos.

• una unión en Y cuando la reacción frente ala fuerza de un refuerzo la ejerce principal-mente el cordón, en lugar del segundo re-fuerzo.

152

Parámetros RangoLimitaciones

mín. máx.

0,4 - 0,8 0,2 1

12 - 20 10 30

0,3 - 0,7 0,2 1(2)

θ 40° - 90° 30° (3) 90° (1)

dβ = ——D

Dγ = ——2T

tτ = ——T

(1) Limitación física.

(2) El refuerzo será inferior o igual al espesor del cordón (véase esfuerzo cortante de perforación).

(3) Limitación del ángulo para facilitar la soldadura.

Tabla 3.1 Límites geométricos y rangos típicos

4. SEPARACIÓN Y SOLAPE

4.1 Definiciones

La SEPARACIÓN es la distancia existenteentre soldaduras de los refuerzos a lo largo delcordón. (figura 3).

La separación teórica es la distancia máscorta existente entre las superficies exteriores delos dos refuerzos, medidas en la línea en la queatraviesan la superficie exterior del cordón. Laseparación real es la que se mide en el empla-zamiento correspondiente, entre los bordes delas soldaduras reales.

Un refuerzo se SOLAPA aotro cuando un refuerzo está sol-dado al otro.

El refuerzo solapante siem-pre es el refuerzo de menor espe-sor.

El refuerzo solapado siem-pre está completamente soldadoal cordón.

4.2 Limitaciones

La separación mínimaadmisible es de 50 mm. Esta limi-tación se ha fijado con el fin deimpedir el choque entre dos sol-daduras. Esto reviste una granimportancia debido a que la sepa-ración es un área sometida a ten-siones muy elevadas.

4.3 UnionesMultiplanares

Las mismas definiciones ylimitaciones pueden aplicarse alas uniones multiplanares.

153

SEPARACIÓN Y SOLAPE

Separación real

Separación teórica

Separación

Separación

Solape

Solape

Figura 3 Separación y solape

5. DISPOSICIÓN DE LAS UNIONES

Por regla general, es necesario mantenerlas soldaduras de una unión alejadas de laszonas en las que exista una concentración detensiones elevada.

Debe seguirse la siguiente práctica(véase la figura 4:)

1. Las soldaduras circunferenciales del cor-dón habrán de situarse a 300 mm o a uncuarto del diámetro del cordón, la distan-cia que sea mayor, del punto más cerca-

no de una conexión refuerzo-cordón.

2. Las soldaduras circunfe-renciales del refuerzo ha-brán de situarse a 600 mmo a un diámetro del refuer-zo, la distancia que sea ma-yor, desde el punto máscercano de una uniónrefuerzo-cordón.

3. La separación real no seráinferior a 50 mm. Con el finde conseguir esto, la mayorparte de los diseñadoresutilizan una separación teó-rica de 70 o 75 mm.

4. La excentricidad y el des-centramiento habrán demantenerse dentro de uncuarto del diámetro del cor-dón. Cuando no resulteposible evitar valores máselevados, es necesario in-troducir momentos secun-darios en el análisis estruc-tural mediante la introduc-ción de nudos adicionales.

5. Las transiciones del espe-sor se suavizan a una in-clinación de 1 en 4, me-diante el rebaje progresivode la pared de mayor es-pesor.

154

Longitud del módulo tubular

Longituddel muñon

Excentricidad

Cambio de espesor

D

l2 l1

l1 ≥ Max. (D/4, 300mm) l2 ≥ Max. (D/4, 300mm)

l > Max. (d, 600mm)

La excentricidad debe modelarse si e>D/4

Modelado por ordenador: 2 nudos en el cordón debido a elementos adicionales

d

l

eD

Nudos adicionales

41

Muñon o módulo tubular

Figura 4 Disposición de las uniones

6. RESISTENCIA ESTÁTICA

6.1 Cargas Tenidas enConsideraciónLas cargas que se tienen en cuenta en

el diseño de una unión de resistencia estáticason el esfuerzo axial, el momento flector en elplano y el momento flector fuera de plano paracada refuerzo.

Normalmente se ignoran los otroscomponentes (esfuerzo cortante transversal ymomento torsor del refuerzo), puesto que, adiferencia de las cargas anteriores, estas car-gas no inducen a la flexión en la pared del cor-dón. No obstante, es necesario no olvidar suexistencia y, en algunos casos específicos,deben evaluarse sus efectos. Normalmente lacarga axial y los momentos flectores en el plano yfuera de plano constituyen el criterio de dimensio-namiento para las uniones tubulares.

6.2 Esfuerzo cortante dePerforación

6.2.1 Esfuerzo cortante dePerforación Actuante

El esfuerzo cortante de perforación ac-tuante es la tensión tangencial que desarrolla la

carga del refuerzo en el cordón.

La tensión de perforación actuante vp serepresenta de la siguiente manera:

vp = τ f sen θ

donde f es el esfuerzo axial nominal, la tensiónde flexión en el plano o fuera del plano en elrefuerzo (el esfuerzo cortante de perforación semantiene independiente para cada refuerzo,véase la figura 5.

6.2.2 Esfuerzo cortantede PerforaciónAdmisible

Los valores del esfuerzo cor-tante de perforación admisibles enla pared del cordón se determinanen base a los resultados de ensa-yos efectuados sobre modelos detamaño real o a escala reducida.

Los ensayos se efectúansobre instalaciones de pruebasexperimentales similares a la quese muestra en la figura 6. Seefectúan para un caso de cargaúnico (esfuerzo axial, flexión en elplano o flexión fuera del plano).

155

RESISTENCIA ESTÁTICA

θ

t

T

fx = fa + fb

τ = t T

Figura 5 Cizallamiento de punzonado

Gato hidráulico Gato

hidráulico

Barra de tracción

Pieza bajo ensayo

Aparato de medida de carga

Figura 6 Equipo de ensayos (Unión en J)

θ

t

T

fx = fa + fb

τ = t T

θ

t

T

fx = fa + fb

τ = t T

La resistencia estática máxima obtenidamediante estos ensayos puede expresarse entérminos del esfuerzo cortante de perforación, taly como se ha definido anteriormente.

El tratamiento estadístico de los resulta-dos posibilita la definición de fórmulas para latensión tangencial de perforación admisible.

6.2.3 El Método API

Varias regulaciones para los proyectos deplataformas petrolíferas se basan en el conceptodel esfuerzo cortante de perforación [1, 2]. Elmétodo que se ofrece a continuación está conte-nido en API RP2A [2]:

A. Principio

• Este método se aplica a un refuerzoúnico sin solape en el caso de unaunión no rigidizada. Cuando la uniónpresenta varios refuerzos, cada una delas conexiones de los refuerzos se veri-fica por separado.

• El esfuerzo cortante de perforación paracada componente de la carga (esfuerzoaxial, flexión en el plano y flexión fueradel plano) se calcula y se compara conla tensión tangencial de perforaciónadmisible para la carga y la geometríaen cuestión.

• Se proporcionan fórmulas de interac-ción para las cargas combinadas, fór-mulas que combinan los tres índices delesfuerzo cortante de perforación calcu-lados para cada componente.

B. Tensión tangencial de perforación admisi-ble

La tensión tangencial de perforaciónadmisible para cada componente de la carga es:

Vpa = Qq Qf

donde: Fyc es el límite elástico de la barra delcordón

Qq tiene en cuenta el tipo de carga y la geo-metrías, vease la tabla 6.1.

Qf es un coeficiente que tiene en cuenta latensión longitudinal nominal del cordón.

Qf = 1 - λ γ

fAX, fIPB, fOPB son la tensión axial nominal ylas tensiones de flexión en el plano y fuera delplano del cordón.

Los valores para λ y Qq se proporcionanen la tabla 6.1

Qg = 1,8 - 0,1 para γ ≤ 20

Qg = 1,4 - 4 para γ > 20

pero Qg debe ser ≥ 1,0

Qβ = para β > 0,6

QB = 1,0 para β ≤ 0,6

C. Combinación de Cargas

En el caso de las cargas combinadas queincluyan más de un componente de carga sedeben satisfacer las siguientes ecuaciones:

donde: IPB hace referencia al compo-nente de flexión en elplano

OPB hace referencia al componente deflexión fuera de plano

AX hace referencia al componentedel esfuerzo axial

1,0 V

V +

V

V

pa

p2

OPBpa

p2

IPB

≤

) 0,833 - (1

0,3

ββ

D

g

T

g

)F (0,6

f + f + f2

yc

2OPB

2IPB

2AX

γ0,6

Fyc

156

y

ax

donde: el término arc sen está enradianes.

6.3 Uniones de Solapamiento

Las fórmulas paramétricas que se han dis-cutido en el apartado 6.2 se establecieron especí-ficamente para las uniones sin solapamiento y sinrefuerzo interno. No es posible utilizar estas fór-mulas para las uniones con solapamiento.

En una unión con solapamiento parte dela carga se transfiere directamente desde un

1.0 V

V +

V

V sin arc

2 +

pa

p2

OPBpa

p2

IPB

≤

π

V

V

pa

p

157

RESISTENCIA ESTÁTICA

Componentes Carga axial Flexión en Flexión fuerade la carga el plano de plano

Tensión en elrefuerzo

fax fby fbz

Esfuerzo cortantede perforaciónactuante

Vpx = τ fax sen θ Vp = τ fby sen θ Vp = τ fbz sen θ

Uniones en K

Qq Uniones en T

en Y

sin diafragmaXcon diafragma

λ 0,030 0,045 0,021

0,201,10 + ——— Qg( β )

0,201,10 + ———( β )

0,20 0,201,10 + ——— 0,75 + ———)Qβ( β )( β

0,671,37 + ——— Qβ( β )

0,671,37 + ——— Qβ( β )0,20

1,10 + ———β

0,673,72 + ———

β

0,673,72 + ———

β

Tracción Compresión

Tabla 6.1 Valores de Qq para la tensión tangencial de perforación admisible tomados de API RP2A

sen

refuerzo al otro a través del perfil del solape, sinque esa parte de la carga se transfiera a travésdel cordón. La resistencia estática de una unióncon solapamiento es más elevada que la de unaunión similar sin solapamiento.

API RP2A, [2] permite que se añada laresistencia al esfuerzo cortante estática del per-fil de la soldadura solapado a la capacidad deesfuerzo cortante de perforación de la uniónrefuerzo-cordón (véase la figura 7.)

El componente admisible de la carga axialperpendicular al cordón, P

⊥ (en Newtons) sedebe fijar en:

P⊥ = (vpa T l1) + (2vwa tw l2)

donde:

vpa es la tensión tangencial de perforaciónadmisible (MPa) para la tensión axial.

l1 es la circunferencia para esa porción delrefuerzo en contacto con el cordón (mm)(véase la figura 7).

vwa es la tensión tangencial admisible para lasoldadura situada entre los refuerzos(MPa).

tw es el menor de los espesores de la gar-ganta de la soldadura o el espesor t delrefuerzo interior (mm).

l2 es la longitud del cordón proyectada (unlado) de la soldadura de solapamiento,medida perpendicularmente al cordón(mm) (véase la figura 7.)

6.4 Uniones Reforzadas

6.4.1 DefiniciónEs posible reducir los espesores elevados

de la pared del cordón mediante su rigidización.El refuerzo más habitual consiste en la rigidiza-ción circular en el interior del cordón.

Es posible que algunas uniones requieranuna rigidización más compleja. Este es el casode los cordones de gran diámetro que, de nohacerse así, requerirían un espesor de la pareddel cordón que no resultaría económicamenteaceptable.

Existe una gran diversidad de solucionesde rigidización para los cordones de gran diáme-tro. Debido a ello, no se dispone de fórmulasparamétricas para estos proyectos. Por lo tanto,es necesario efectuar análisis específicos paraobtener una solución precisa. Esto puede incluirel análisis de elementos finitos.

6.4.2 Rigidización Circular

La rigidización circular consiste en unaserie de chapas anulares soldadasen el cordón antes de proceder al sol-deo de los refuerzos sobre éste.

Sigue siendo posible conside-rar la capacidad de esfuerzo cortantede perforación del cordón a la horade calcular las fuerzas que actúansobre los rigidizadores.

Los rigidizadores circularespueden justificarse mediante fórmu-las paramétricas aparecidas en va-rias publicaciones, aunque las más co-nocidas son las publicadas por Roark[3].

158

l2

l1

Py

Px

P

Figura 7 Cálculo de las uniones con solape

7. CONCENTRACIÓN DE TENSIONES

Al igual que ocurre en todos los cuerposmecánicos que presentan discontinuidades, lastensiones no son uniformes a lo largo de lasuperficie de unión del refuerzo y el cordón. Lafigura 8 muestra un ejemplo de la distribución delas tensiones en una unión con discontinuidadeslocales tanto en la misma intersección refuerzo-cordón como en sus proximidades.

7.1 Coeficiente de la concentra-ción de tensionesEl coeficiente de la concentración de ten-

siones (CCT) se define como el índice de la ten-sión más elevada de la unión (o tensión delpunto crítico fHS) con respecto a la tensión nomi-nal del refuerzo fNOM:

CCT =

7.2 Ecuación de Kellog

Esta fórmula aproximada puede utilizarsepara efectuar una rápida evaluación del CCT,para los análisis preliminares.

vp es el esfuerzo cortante de perforación.

7.3 Fórmulas Paramétricas

Las fórmulas paramétricas del CCT sehan determinado en base a un gran número deanálisis de elementos finitos y se ha efectuadosu comprobación cruzada con ensayos sobremodelos reducidos o de tamaño real. Estas fór-mulas se basan en muchas horas de trabajodurante varios años por parte de varios equiposde investigación.

Se ha publicado ungran número de fórmulasparamétricas [4]. Los apar-tados de la 7.3.1 a la 7.3.3proporcionan, a modo deejemplo, las fórmulas utili-zadas que gozan de unmayor reconocimiento.

Cuando se procedaa la utilización de cual-quier serie de fórmulas, esnecesario clasificar la situ-ación cuidadosamente, asícomo verificar las limitaci-ones que pudieran ser a-plicables.

Las únicas alterna-tivas a estas fórmulas con-sisten en la realización deensayos sobre modelos(de tamaño real o a escalareducida) o de análisis deelementos finitos.

γ 1,8 = vf

p

HS

f

f

NOM

HS

159

CONCENTRACIÓN DE TENSIONES

Punto crítico

Tensión axial en el refuerzo

Línea de equitensión

Figura 8 Tensiones en una unión en T

Actualmente no se dispone de fórmulasparamétricas para las uniones rigidizadas. Lasúnicas que se han publicado hasta la fecha vandirigidas a uniones no rigidizadas sin solapa-miento.

7.3.1 Ecuaciones de Kuang paraUniones en T/Y [4]

Carga axial

CCTCORDÓN = 1,981 γ0,808 τ1,333exp(-1,2β3

α0,057 sen1,694 θ

CCTREFUERZO = 3,751 γ0,55 τ exp(-1,35β3) α0,12

sen1,94 θ

Flexión fuera de plano

CCTCORDÓN = 1,024 γ1,014 τ0,889 β0,787 sen1,557 θ0,3 ≤ β ≤ 0,55

CCTCORDÓN = 0,462 γ1,014 τ0,889 β(-0,619)

sen1,557 θ 0,55 ≤ β ≤ 0,75

CCTREFUERZO = 1,522 γ0,852 τ0,543 β0,801

sen2,033 θ 0,3 ≤ β ≤ 0,55

CCTREFUERZO = 0,796 γ0,852 τ0,543 β(-0,281)

sen2,033 θ 0,55 ≤ β ≤ 0,75

Flexión en el plano

CCTCORDÓN = 0,702 γ0,60 τ0,86 β(-0,04) sen0,57 θ

CCTREFUERZO = 1,301 γ0,23 τ0,38 β(-0,38) sen0,21 θ

7.3.2 Ecuaciones de Kuang paraUniones en K [4]

Carga axial equilibrada

CCTCORDÓN = 1,506 γ0,666 τ1,104 β(-0,059)

(g/D)0,067 sen1,521 θ

CCTREFUERZO= 0,92 γ0,157 τ0,56 β(-0,441)

(g/D)0,058 Exp(1,448 sen θ)

Flexión en el plano (momento flector aplicadoúnicamente a un refuerzo)

CCTCORDÓN = 1,822 γ0,38 τ0,94 β0,06 sen0,9 θ

CCTREFUERZO = 2,827 τ0,35 β-0,35 sen0,5 θ

7.3.3 Ecuaciones de Kuang paraUniones en KT [4]

Carga axial equilibrada Únicamente los re-fuerzos exteriorescargados

CCTCORDÓN = 1,83 γ0,54 τ1,068 β0,12 sen θ0° < θ ≤ 90°

CCTREFUERZO = 6,06 γ0,1 τ0,68 β-0,36

{(g1+g2)/D}0,126 sen0,5 θ 0°< θ ≥ 45°

CCTREFUERZO = 13,8 γ0,1 τ0,68 β-0,36

{(g1+g2)/D}0,126 sen2,88 θ 45° ≤ θ ≥ 90°

CCTREFUERZO = 4,89 γ0,123 τ0,672 β-0,396

{(g1+g2)/D}0,159 sen2,267 θ

Flexión en el plano - igual que para la unión en K

Campo de validez

Generalmente, las ecuaciones anteriorespara las uniones en T/Y, K y KT son válidas paraparámetros de la unión situados dentro de lossiguientes límites:

8,333 ≤ γ ≤ 33,3

0,20 ≤ τ ≤ 0,8

0,3 ≤ β ≤ 0,8 a menos que se in-dique lo contrario

6,667 ≤ α ≤ 40 a menos que se in-dique lo contrario

0° ≤ σ ≤ 90° a menos que se in-dique lo contrario.

160

8. ANÁLISIS DE FATIGA

El análisis de la fatiga de una unión cons-ta de los siguientes pasos:

1. Cálculo de los rangos de tensión nomina-les en el refuerzo y en los cordones.

2. Cálculo de la carrera de tensión del puntocrítico

3. Cálculo de las vidas a la fatiga de la uniónmediante la utilización de curvas S-Npara las barras tubulares situadas en lasuniones.

8.1 Rango de Tensión Nominal

Los rangos de tensión nominales en losrefuerzos y cordones se calculan mediante unanálisis global de tensiones.

8.1.1 Histograma de la Ola

Es necesario obtener un histograma de laola para cada dirección alrededor de la platafor-ma. Una forma simple de histograma de la ola esla siguiente:

8.1.2 Carreras de TensiónNominalesLos rangos de tensión nominales pueden

calcularse siguiendo los pasos que se indican acontinuación:

1. Las alturas de las olas se agrupan en“bloques”, para los que se calculará úni-

camente un rango de tensión. Es nece-sario considerar las diferentes direccio-nes de las olas con un mínimo de tres“bloques” por cada dirección de las olas.

2. Se escoge una ola representativa paracada uno de los bloques, cuya acción sesupone representativa de la acción de latotalidad del bloque. Normalmente seselecciona la ola de mayor altura del blo-que.

3. A continuación se calculan las tensionesnominales para cada componente de launión, para diferentes ángulos de desfa-saje de la ola seleccionada, para un ciclocompleto (360

°). El rango de tensión delcomponente de la unión se define comola diferencia entre la tensión más elevaday la más reducida obtenido para un ciclode ola completo. Normalmente se consi-deran de cuatro a doce ángulos de des-fasaje por ola.

8.2 Carreras de Tensión delPunto CríticoLos rangos de tensión del punto crítico se

evalúan para cada emplazamiento de la uniónelegido mediante la aplicación de fórmulas para-

métricas [4] (o mediante la aplicación del CCTcalculado en base a un análisis detallado).

Cuando se utilizan las fórmulas paramé-tricas, los componentes de la tensión (axial, fle-xión en el plano y flexión fuera del plano) tienenque mantenerse separados durante los cálcu-los, puesto que las fórmulas del CCT se aplican

161

ANÁLISIS DE FATIGA

Altura de la Número medio al añoola (metros)

0 - 1,5 3.100.0001,5 - 3 410.000

3 - 4,5 730.0004,5 - 6 5.000

6 - 8 8008 - 10 20

individualmente para cada componente de lacarga.

Cuando un cordón y un refuerzo se inter-seccionan, normalmente se seleccionan de cua-tro a ocho emplazamientos en la intersección. Enel caso de cada uno de estos emplazamientos,es necesario calcular la respuesta de la tensiónpara cada estado del mar, teniendo debidamen-te en cuenta los efectos de la tensión tanto glo-bales como locales.

8.3 Curvas S-N

Las curvas S-N que deben utilizarse paralas plataformas petrolíferas están contenidas enregulaciones estatutarias [1,2]. API RP2A utilizalas curvas que se muestran en la figura 9.

Las curvas X y X′ deben utilizarse con losrangos de tensión del punto crítico basados enlos coeficientes de concentración de tensionesadecuados. El número permisible de ciclos seobtiene a partir de la curva S-N tomando la ten-

sión del punto crítico y reintroduciéndola en elgráfico.

Debe tenerse en cuenta que la Curva Xparte de la hipótesis de que las soldaduras sefunden uniformemente con el metal de baseadyacente. En el caso de soldaduras que carez-can de este control de perfil, la curva X′ resultaaplicable.

8.4 Indice de los Daños de FatigaAcumulativosLas respuestas de la tensión deben com-

binarse en la distribución de las tensiones alargo plazo, que entonces se utiliza para el cál-culo del índice de los daños de fatiga acumulati-vos, D, obtenido mediante:

D =

donde

n es el número de ciclosaplicados en un ciertorango de tensión

N es el número de cicloshasta causar el colapsopara ese cierto ratio de ten-sión (obtenida a partir de lacurva S-N apropiada).

En general, la longevidad ala fatiga prevista de cada unión y decada barra debe ser, por lo menos,el doble de la vida de servicio quese persigue para la estructura, locual se traduce en un coeficientede seguridad de 2,0.

En el caso de elementos crí-ticos cuyo colapso en solitario fueracatastrófica, se debe considerar lautilización de un coeficiente deseguridad mayor.

∑N

n

162

Campo de tensión cíclico del punto crítico

Mpa

700�

350�

140

70�

35�

14�

7�

3,5

104 105 106 107 108 109

N

x

x

x'

x'

Figura 9 Ciclos de carga N permisibles

9. RESUMEN FINAL

• La terminología, indices geométricos y cla-sificaciones de uniones han sido normaliza-das para uniones tubulares.

• La presencia, tanto de separaciones como desolapamientos, ejerce una influencia significa-tiva sobre el comportamiento de las uniones.

• Normalmente, la determinación de la resis-tencia estática se basa en el concepto delesfuerzo cortante de perforación, con laexcepción de las uniones con solapamiento.

• Para las uniones reforzadas son necesariosanálisis especiales.

• Se definen los coeficientes de la concentra-ción de tensiones (CCT) para las unionescuya utilización es más frecuente.

• La determinación de la resistencia a la fati-ga se basa en el rango de tensión nominalmultiplicada por un CCT apropiado.

10. BIBLIOGRAFÍA

[1] Offshore Installations: Guidance on Design,Construction and Certification. Fourth Edition,HMSO, 1990.

[2] Recommended Practice for Planning,Designing and Constructing Fixed OffshorePlatforms, API RP2A Nineteenth Edition.

[3] Young, Warren C, Roark’s Formulae forStress and Strain. Sixth Edition, McGraw-Hill.

[4] Stress Concentration Factors for SimpleTubular Joints, 1989, Volumes 1 to 5, LloydsRegister of Shipping-Offshore Division.

163

BIBLIOGRAFÍA



Problema resuelto 17.2: Uniones

165

167

CONTENIDO

CONTENIDO

Problema Resuelto 17.2: Uniones

1. Resumen

2. Descripción geométrica

3. Terminología

4. Cargas

5. Cálculo del cizallamiento de punzonamiento

6. Descripción geométrica

7. Carrera de la tensión nominal

8. Coeficiente de concentración de tensiones (CCT)

9. Síntesis de carga

1. RESUMEN

Este ejemplo ilustra dos clases típicas de cálculo para la estructura dela jacket de una plataforma petrolífera formada por secciones tubulareshuecas:

• Un cálculo del cizallamiento de punzonamiento para dos uniones típi-cas, una unión en Y y una unión en K.

• Un cálculo de las tensiones axiales utilizando los coeficientes de con-centración de tensiones (CCT). Esto conduce a la evaluación de lavida prevista de una unión concreta. Las referencias que se ofrecen acontinuación son relativas a los apartados de la lección 17.7 a menosque se indique lo contrario.

Los cálculos se han efectuado de acuerdo con la edición nº 18 de APIRP2A [1].

[1] API-RP2A: Recommended Practice for Planning, Designing andConstructing Fixed Offshore Platforms. American PetroleumInstitute, Washington DC, 18th ed 1989.

168

Referencia

2. DESCRIPCIÓN GEOMÉTRICA

Comentario

• El análisis de ambos nudos se basa en el mismo cordón, el refuerzo 1 yángulo entre el cordón y el refuerzo 1.

• Se asume que las fuerzas aplicadas y los momentos flectores son idénti-cos en los nudos Y y K.

* Refuerzo 1: - O.D. = d = 323,9 mm

- Espesor = t = 12,7 mm

-

θ1 = 54,6°

- Área de la sección Sb= 12 414 mm2

- Módulo resistente de la sección = 929 359 mm3

* Cordón - O.D. = D = 762 mm

- Espesor = T = 12,7 mm

- Área de la sección Sc = 29 896 mm2

- Módulo resistente de la sección = 5 508 500 mm3

Límite elástico = 240 N/mm2 para los refuerzos y el cordón

RIc

rIb

169

DESCRIPCIÓN GEOMÉTRICA

Referencia

Arriostramiento 1Arriostramiento 1

Arriostramiento 2

Centro Centro

Nudo Y Nudo K

y x

z

θ1 θ1

θ1

FxFx

Figura 1 Nudos que se han de considerar en el cálculo del cizallamiento de punzonamiento

3. TERMINOLOGÍA

g es la distancia entre dos barras de los refuerzos adyacentes medidasentre las posiciones convexas.

τ =

β =

γ =

Para este ejemplo:

g = 50 mm

τ = 1

β = 0,425

γ = 30

T2

D

D

d

T

t

170

Referencia

2.2

4. CARGAS

Asumamos que el análisis global de la estructura proporciona las siguientescifras:

Cordón

Fax = 100 kN

Mip = 10 kNm Mip = flexión en el plano

Mop = 20 kNm Mop = flexión fuera de plano

Refuerzo 1:

Fax = 200 kN

Mip = 10 kNm

Mop = 5 kNm

Refuerzo 2:

Fax = -200 kN

Válido tan sólo para el nudo K

Los esfuerzos axiles del refuerzo 1 y 2 tienen el mismo módulo, aunque designo opuesto. El nudo K se considera equilibrado con respecto a una cargaaxial.

171

CARGAS

Referencia

5. CÁLCULO DEL CIZALLAMIENTO DE PUNZONAMIENTO

Comentario

• Estos cálculos se han efectuado de acuerdo con la edición nº 18 de APIRP2A [1].

• Todos los cálculos comparan los valores actuantes con los valores admi-sibles.

• f corresponde a los esfuerzos axiles y a la flexión en el plano/fuera deplano del refuerzo.

5.1 Tensión Tangencial de Perforación Actuante

vp para la carga axial

f = = = 16,1 N/mm2

vp = 1 × 16,1 × sen 56,4 = 13,4 N/mm2

vp para la flexión en el plano

f = = = 10,76 N/mm2

vp = 1 × 10,76 × sen 56,4 = 8,96 N/mm2

vp para la flexión fuera del plano

f = = = 5,38 N/mm2

vp = 1 × 5,38 × sen 56,4 = 4,48 N/mm2

92935910 5 6×

rI

M

b

ip

92935910 10 6×

rI

M

b

ip

12414,410 200 3×

S

F

b

ax

θτ sin f = vp

172

Referencia

API RP 2AC1.4.3.1(a)

sen θ

5.2 Tensión Tangencial de Punzonamiento Admisible

Fyc = Límite elástico del cordón

5.2.1 Definición y cálculos numéricos de Qf

• Qf = 1 - λ γ A2

donde:

A =

γ = = 30

• fax, fipb y fopb son las tensiones axial nominal, de flexión en elplano y de flexión fuera de plano en el cordón.

• Qf es un coeficiente que tiene en cuenta las tensiones tangencia-les de punzonamiento existentes sobre el cordón; además, Qfdepende de la forma que adopte la carga.

λ = 0,030 para las tensiones axiales sobre el refuerzo

= 0,045 para la tensión de flexión en el plano

= 0,021 para la tensión de flexión fuera del plano

• Cálculo de las tensiones nominales del cordón

fax = = = 3,34 N/mm2

fipb = = = 1,81 N/mm2

550850010 10 6×

RI

M

c

ip

2989610 100 3×

S

F

c

ax

T2

D

F 0,6

f + f + f

c

2opb

2ipb

2ax

γ

γ0,6

F Q Q = V

ycfqpa

173

CÁLCULO DE CIZALLAMIENTO…

Referencia

[API RP 2AC1 4.3 1(a)

fopb = = = 3,63 N/mm2

• Qf = 1 si todas los esfuerzos extremos en la fibra más alejada sonde tracción.

• Consideremos fax ± fipb

y fax ± fopb

Estas dos sumas no son > 0 en todos los casos. Por lo tanto, esnecesario calcular Qf completamente.

Si todas las fibras están a tracción, Qf = 1

A =

A = 0,036

• Para las tensiones axiales sobre el refuerzo

Qf = 1 - 0,03 × 30 × (0,036)2

Qf = 1 - 1,2 × 10-3 –~ 1

• Para la tensión de flexión en el plano

Qf = 1 - 0,045 × 30 × (0,036)2

Qf = 1 - 1,8 × 10-3 –~ 1

• Para la tensión de flexión fuera de plano

Qf = 1 - 0,021 × 30 × (0,036)2

Qf = 1 - 8,4 × 10-4 –~ 1

5.2.2 Definición y cálculos numéricos de Qq

Carga axial

240 0,6633, + 811, + 343, 222

×

550850010 20 6×

RI

M

c

op

174

Referencia

Tabla 6.1[API RP2A4.3.1-1]

3,342 + 1,812 + 3,632

Nudo Y Nudo K

Qq = 1,10 + Qq =

• Qq depende de la geometría del nudo (nudos en Y T K)

• Se obtienen diferentes valores de Qq para la misma geometríapero diferente carga

• Los valores de Qq se toman de la tabla 4.3.1-1 de la edición nº 18de API RP2A [1]

• Qg tiene en cuenta la separación entre el refuerzo 1 y el refuerzo 2.

Qg = 1,8 - 4 × para γ > 20

Qg = 1,8 - 4 × = 1,53

Qg es superior a 1

Nudo Y Nudo K

Qq = 1,1 + Qq =

Qq = 1,57 Qq = 2,40

Flexión en el plano

Qq = 3,72 + = 3,72 +

No hay diferencia entre el nudo Y y el nudo K

Flexión fuera de plano

5,296 = Qq

0,425

0,67

β0,67

1,53 0,425

0,20 + 1,10

0,425

0.20

762

50

D

g

Q 0,20 + 1,10 g

ββ

0,20

175


Referencia

Qq =

No hay diferencia entre el nudo Y y el nudo K

En este caso β = 0,425 y para β ≤ 0,6: Qβ = 1

Qq =

5.2.3 Cálculos de vpa

• Carga axial

Para el nudo Y

Vpa = Qq Qf (Qf = 1)

Vpa = 1,57 ×

Para el nudo K

Vpa = 2,4 ×

• Flexión en el plano

Vpa = Qq Qf

Vpa = 5,296 ×

mmN/ 70,6 = V 2pa

30 0,6

240

×

γ0,6

Fyc

mmN/ 32 = V 2pa

30 0,6

240

×

mmN/ 20,9 = V 2pa

30 0,6

240

×

γ0,6

Fyc

2,946 = Qq

1 0,425

0,67 + 1,37 ×

Q 0,67 + 1,37 β

β

176

Referencia

• Flexión fuera de plano

Qf = 1

Vpa = Qq Qf

Vpa = 2,946 ×

Ya se ha calculado la tensión tangencial de punzonamientoactuante y la tensión admisible para la carga axial de los dosnudos (Y y K) y para la flexión en el plano y fuera de plano.

5.3 Combinación de todos los Datos

Es necesario verificar las siguientes expresiones:

(1)

(2)

donde el término arcoseno está en radianes

Nudo Y

Axial Vp = 13,4 N/mm2

Vpa = 20,9 N/mm2

Flexión en el plano Vp = 8,9 N/mm2

Vpa = 70,6 N/mm2

Flexión fuera de plano Vp = 4,48 N/mm2

Vpa = 39,2 N/mm2

1 V

V +

V

V sin arc

2 +

V

V

pa

p2

opbpa

p2

ipbpa

p

ax

≤

π

1 V

V +

V

V

pa

p2

opbpa

p2

ipb

≤

mmN/ 39,2 = V 2pa

30 0,6

240

×

γ0,6

Fyc

177


Referencia

API RP2AC1.4.3.1(a)

6.2.3.C

sen

= = 0,029

La ecuación (1) ya está verificada.

=

+ 0,11 = 0,75 ≤ 1 CORRECTO

La ecuación (2) ya está verificada.

El ratio del cizallamiento de punzonamiento es 0,75

Nudo K

Axial Vp = 13,4 N/mm2

Vpa = 32 N/mm2

Flexión en el plano Vp = 8,9 N/mm2

Vpa = 70,6 N/mm2

Flexión fuera de plano Vp = 4,48 N/mm2

Vpa = 39,2 N/mm2

= 0,029

La ecuación (1) ya está verificada

=

El ratio del cizallamiento de punzonamiento es 0,53

0,53 = 0,11 + 32

13,40,029 sin arc

2 +

V

V

pa

p

axπ

V

V +

V

V

pa

p2

opbpa

p2

ipb

20,9

13,4

0,029 sin arc 2

+ 20,9

13,4

π0,029 sin arc 2

+ V

V

pa

p

axπ

39,2

4,48 +

70,6

8,9 2

opb

2

ipb

V

V +

V

V

pa

p2

opbpa

p2

ipb

178

Referencia

sen sen

sen

6. DESCRIPCIÓN GEOMÉTRICA

Evaluación de la resistencia a la fatiga

• La fatiga es un fenómeno generado por la aplicación de un gran númerode ciclos de carga

• La fatiga depende de varios parámetros, incluyendo:

- Carreras de tensión

- Número de ciclos

- Coeficientes de la concentración de tensiones

- Comportamiento dinámico

- Curva S-N

179

DESCRIPCIÓN GEOMÉTRICA

Referencia

Cresta

Silleta Silleta

Cresta

Arriostramiento

Centro

Momento fuera de plano

Cresta

Silleta

Momento en el plano

Figura 2 Unión que se ha de evaluar

Más adelante se hace referencia a todos estos factores:

• En el caso de las uniones tubulares la tensión media no se tiene en cuen-ta; las tensiones residuales en las soldaduras causan una amplia varia-ción con respecto a la tensión media real en las soldaduras.

180

Referencia

7. CARRERA DE LA TENSIÓN NOMINAL

• Cálculo de las tensiones cuando una ola pasa a través de la estructura(figura 3)

• Valores obtenidos para una altura de ola procedente de una dirección:CARGA 1

• Fax Mip Mop son cargas sobre el refuerzo para los ángulos de desfasaje 1 a 9

• Máx, fax y máx fipb, fopb no se obtienen para el mismo ángulo de desfasaje

181

CARRERA DE LA TENSIÓN NOMINAL

Referencia

Figura 3 Estructura sometida a la carga del oleaje

Ángulo de Fax fax Mip fipb Mop fopb

desfasaje N/mm2 N/mm2 N/mm2 N/mm2

1 14 11,3 0,2 2,1 1 10,8

2 18 14,5 0,4 4,3 0,9 9,7

3 22 17,7 0,6 6,4 0,7 7,5

4 26 20,9 0,8 8,6 0,6 6,4

5 22 17,7 1,0 10,8 0,5 5,4

6 18 14,5 1,2 12,9 0,7 7,5

7 14 11,3 0,9 9,7 0,8 8,6

8 10 8,0 0,5 5,4 0,9 9,7

9 6 4,8 0,3 3,2 1,1 11,8

Resumen de las tensiones axial, en el plano y fuera de plano generadas por el paso de una ola.

8. COEFICIENTE DE CONCENTRACIÓN DE TENSIONES (CCT)

• CCT PARA LA POSICIÓN CONVEXA

Para la carga axial = 3,5

Para la flexión en el plano = 2

Para la flexión fuera de plano = 0

La tensión debida a la flexión fuera de plano es igual a 0 en la posición con-vexa

• CCT PARA LA POSICIÓN CÓNCAVA

Para la carga axial = 5

La tensión debida a la flexión en el plano es igual a 0 en la posición cónca-va

Para la flexión en el plano = 0

Para la flexión fuera del plano = 2,5

CARRERA DE LA TENSIÓN DEL PUNTO CRÍTICO

• ∆f se calcula para todos los ángulos de desfasaje

∆f = Máx (CCTax fax + CCTip fipb + CCTop fopb)

- min (CCTax fax + CCTip fipb + CCTop fopb)

∆f para la posición convexa

• El ∆(CCTax fax ) = 73,1 - 16,8 = 56,3 N/mm2

• El ∆(CCTip fipb ) = 25,8 - 4,2 = 21,6 N/mm2

• Puede observarse que:

∆f ≤ ∆(CCTax fax ) + ∆(CCTip fipb)

67,1 ≤ 56,3 + 21,6

182

Referencia

∆f para la posición cóncava

• Tal y como ya se ha indicado para la posición convexa

∆(CCTax fax ) = 104,4 - 24 = 80,4 N/mm2

∆(CCTop fopb ) = 29,5 - 13,5 = 16 N/mm2

• ∆f = 66,9 N/mm2

∆f ≤ ∆(CCTax fax ) + ∆(CCTop fopb )

66,9 ≤ 80,4 + 16

183

COEFICIENTE DE CONCENTRACIÓN…

Referencia

Ángulo de CCTax fax CCTip fipb Σ Máx. ∆ f

desfasaje N/mm2 N/mm2 N/mm2 Min. N/mm2

1 39,5 4,2 43,7

2 50,7 8,6 59,3

3 61,9 12,8 74,7

4 73,1 17,2 90,3 90,3

5 61,9 21,6 83,5

6 50,7 25,8 76,5 67,1

7 39,5 19,6 58,9

8 28,0 10,8 38,8

9 16,8 6,4 23,2 23,2

Resumen de tensiones, tensiones combinadas y diferencia de tensión máxima para la posiciónconvexa (flexión en el plano)

184

Referencia

Ángulo de CCTax fax CCTop fopb Σ Máx. ∆ f

desfasaje N/mm2 N/mm2 N/mm2 Min. N/mm2

1 56,4 27 83,4

2 72,4 24,2 96,6

3 88,4 18,7 107,1

4 104,4 16,0 120,4 120,4

5 88,4 13,5 101,9

6 72,4 18,7 91,1 66,9

7 56,4 21,5 77,9

8 40,0 24,2 64,2

9 24,0 29,5 53,5 53,5

Resumen de tensiones, tensiones combinadas y diferencia de tensión máxima para la posicióncóncava (flexión fuera del plano)

9. SÍNTESIS DE CARGA 1

• Posición convexa ∆f = 67,1 N/mm2

• Posición cóncava ∆f = 66,9 N/mm2

• El número de olas correspondiente a la Carga 1 se denomina n1 = 106

• El número de olas se define para un período concreto (por ejemplo 20años)

Curva S-N

De acuerdo con la curva S-N que proporciona API RP2A [1], el númeroadmisible de ciclos se denomina N1 = 107 para la posición convexa.

• Para la posición cóncava se espera el mismo número de ciclos

Daños para la Carga 1

• Puesto que el número de olas depende de la definición de un período, elcálculo de los daños guarda relación con este período

d1 = para la posición convexa

d1 = = 10-1

Daños para Otras Cargas

• ∆f se limita en este caso a la posición convexa

10

107

6

N

n

1

1

185

SÍNTESIS DE CARGA 1

Referencia

∆ fNúmero

Número DañosCarga

N/mm2 de ciclosde ciclos parciales

admisibles

1 67,1 106 107 0,10

2 100 106 5 × 106 0,20

3 200 104 105 0,10

4 350 100 104 0,01

Daños Totales

d = Σ

• Para la posición convexa únicamente con las 4 cargas:

d = 0,1 + 0,2 + 0,1 + 0,01 = 0,41

para un período de referencia concreto

Vida de la Posición Convexa

VIDA =

Si el período de referencia es de 20 años

aæos 48,8 = 0,41

20 = VIDA

0,41 = d

N

n

i

i

186

Referencia

Daño totalPeriodo de referencia

años



Lección 17.8:Fabricación

187

189

OBJETIVOS/CONTENIDO

OBJETIVOS/CONTENIDO

Describir los métodos generales de fabri-cación de las jackets. Discutir las diversas eta-pas de la operación desde la selección de losmateriales hasta el montaje, incluyendo lasprácticas de construcción y los equipos. Indicarlos cálculos que normalmente es necesarioefectuar.


Lección 17.1: Plataformas Petrolíferas:Introducción General

Lecciones 4.1: Fabricación General deEstructuras de Acero

Lecciones 4.2: Montaje

Lecciones 4.3: Principios de Soldadura

Lecciones 4.4: Procesos de Soldadura

LECCIONES AFINES

Lecciones 17: Sistemas Estructurales:Plataformas petrolíferas

RESUMEN

Se describe la filosofía y la definición delas fases de construcción en la fabricación de lasplataformas petrolíferas. Se introduce el plan glo-bal de ejecución, así como la organización delcontratista para su implementación. También sediscute la viabilidad, es decir, los aspectos másgenerales de la concepción de la construcción -la magnitud y transportabilidad de los compo-nentes, consideraciones relativas al acceso delas soldaduras y la tolerancia de la construcción.

Se describe el trabajo de taller de losnudos y elementos tubulares reforzados, inclu-yendo el procedimiento de fabricación para unnudo típico, junto con el montaje y erección delas jackets y los procedimientos para llevar acabo un “gran levantamiento”.

1. INTRODUCCIÓN

1.1 Fases de Construcción

La construcción de jackets incluye lassiguientes fases de trabajo:

Adquisición

Las actividades técnicas y comercialesnecesarias para el suministro de los materiales yproductos especializados que permitan la ejecu-ción de las actividades de construcción.

Fabricación

Los procesos que normalmente se llevana cabo en los talleres de fabricación para la pro-ducción de unidades relativamente pequeñas.Así pues, el trabajo de taller incluye procesostales como corte, laminación, estampación, ajus-te, soldeo, tratamiento para la atenuación de ten-siones efectuados sobre artículos tales comoelementos tubulares soldados, vigas, nudos,viguetas, conos, apoyos, abrazaderas, etc.

Montaje

Se trata del proceso que normalmente seefectúa fuera del taller de fabricación pero en elnivel del suelo con el fin de montar grupos deartículos fabricados en el taller y formar una uni-dad (montada) para su subsiguiente elevaciónde acuerdo con una secuencia de construcción.

Elevación

Consiste en el proceso necesario parainstalar los artículos montados y fabricados en eltaller juntos con su configuración final. Estos pro-cesos incluyen el ajuste y el soldeo. No obstan-te, los aspectos que se enfatizan son el traspor-te y levantamiento de montajes pesados.

1.2 Filosofía de la Construcción

El diseño de una jacket, levantada, lanza-da o auto flotante, se determina fundamental-mente en base tanto a los equipos disponibles

para el montaje en el mar como a la profundidaddel agua en el emplazamiento elegido. Por reglageneral, el método preferido consiste en colocarla jacket en su lugar mediante levantamiento. Lamagnitud de las jackets colocadas de esta ma-nera ha aumentado a medida que ha crecido lacapacidad de carga en el mar. Con la capacidadde carga actual, que alcanza las 14.000 tonela-das, las jackets que se aproximan a este ordende magnitud son candidatas para la colocaciónmediante levantamiento.

En el caso de las jackets destinadas aaguas poco profundas, donde la altura es delmismo orden que las dimensiones de planta, laelevación se efectúa normalmente en vertical, esdecir, en la misma posición que el montaje final.Este tipo de jackets pueden levantarse o desli-zarse a bordo de la barcaza.

Normalmente, las jackets destinadas aaguas profundas se montan sobre su costado.Este tipo de jackets se izan a bordo de la barca-za mediante deslizamiento. Históricamente, lamayor parte de las jackets de gran tamaño sehan lanzado desde la barcaza. Este procedi-miento de construcción incluye normalmentetanques de flotación adicionales y una gran can-tidad de tubos y valvulería que permitan la inun-dación de los pilares para la lastrado de la jacketcon el fin de que adopte una postura vertical enel emplazamiento. Actualmente este método deconstrucción resulta aplicable para jackets dehasta 25.000 toneladas. Las jackets de tamañomuy grande, superior a esta cantidad, se hanconstruido como unidades auto flotantes en di-que seco y remolcado hasta el emplazamientomarino tras inundar el dique.

A la hora de considerar la filosofía de laconstrucción y la estrategia contractual, losobjetivos de cumplimiento de los requisitos decalidad y la eficacia tienen una importanciafundamental. Las jackets de las plataformaspetrolíferas atraviesan una serie de etapasmuy diferentes según van pasando de la fabri-cación al izado a bordo. Estas etapas vandesde operaciones que son casi en su totali-dad automáticas, realizadas bajo condicionesestrictamente controladas como, por ejemplo,

190

la producción de acero o la soldadura automá-tica, hasta operaciones totalmente manualesefectuadas en condiciones muy variables comoson, por ejemplo, el montaje en el astillero o lasactividades en el mar. Así pues, se produceuna disminución de la eficacia a medida queavanza el proceso a través de estas operacio-nes. Además, las condiciones estables en losprocesos repetitivos de las primeras operacio-nes tienen un mayor peso para el manteni-miento de una alta calidad. Una tercera consi-deración básica consiste en que el riesgoaumenta con cada etapa progresiva. Estas ten-dencias generales durante la construcción semuestran en la tabla 1.

Por lo tanto, resulta evidente que, comoprincipio general, se debe emprender la mayorcantidad posible de trabajo en las primeras eta-pas del diseño, más productivas, de mayor cali-dad y menos arriesgadas.

Algunos de los principios que reducentanto el tiempo como el coste de la construcciónson:

• La subdivisión en componentes y módulosdel mayor tamaño posible para la fabrica-

ción y el montaje.

• La fabricación concurrente de los compo-nentes principales en el emplazamientomás favorable y bajo las condiciones másfavorables aplicables a cada componen-te.

• La planificación del flujo de llegada de loscomponentes al lugar de montaje. El sumi-nistro de las instalaciones y equipos ade-cuados para el montaje, incluyendo artícu-los tales como varaderos con varioscabestrantes de izada y grúas para levanta-mientos pesados.

• Simplificación de configuraciones y homolo-gación de detalles, calidades y magnitudes.Evitar tolerancias excesivamente estrictas.

• Selección de sistemas estructurales que uti-licen técnicas y oficios de una manera rela-tivamente continua y uniforme. Evitar losprocedimientos que se muestren excesiva-mente sensibles a las condiciones meteoro-lógicas; asegurar que los procesos que sonsensibles a las condiciones meteorológicas,por ejemplo el revestimiento de protección,

191

INTRODUCCIÓN

Centro de CalidadFase trabajo Eficiencia variabilidad Riesgo

Ingeniería Oficina Decreciente Creciente Creciente

Adquisición Fábrica Decreciente Creciente Creciente

Fabricación Taller de Decreciente Creciente Crecientefabricación

Montaje y Emplazamiento Decreciente Creciente Crecienteerección del astillero

Izado a bordoy amarre Transición Decreciente Creciente Crecientemarítimo

Transporte y Emplazamiento Decreciente Creciente Crecientemontaje en el mar

Tabla 1 Fases y características de la construcción de Jackets

se completen durante la fabricación en eltaller.

La gestión de la calidad es un componen-te vital e integral de todos los aspectos de lafabricación de plataformas petrolíferas. Su obje-tivo consiste fundamentalmente en garantizarque se produce aquello que es necesario. Losrequisitos para la documentación, puntos deretención, auditorías, inspecciones y accionescorrectivas son parte del proceso de la garantíade calidad. Constituyen herramientas crucialespara el control de la ejecución del diseño y parael suministro de evidencias verificables de lacompetencia del fabricante.

El control de calidad, la inspección y losensayos se deben efectuar durante todas lasfases de construcción con el fin de asegurar quese cumplen los requisitos especificados. El pro-grama de calidad más eficaz es aquel que evitala introducción de materiales y trabajo del hom-bre defectuosos en las estructuras, en lugar delocalizar los problemas después de que se hayanproducido.

En el apéndice 1 se incluye una notageneral sobre la Garantía de Calidad para laConstrucción de las Plataformas Petrolíferas. Esaplicable a esta lección, así como a la lección17.9: Instalación.

192

2. INGENIERÍA DE LA EJECUCIÓN

La ingeniería de la ejecución, “ingenieríade la construcción”, implica el trabajo necesariodurante cada fase de la ejecución para asegurarque se cumplen los requisitos del diseño. Laetapa del diseño de la jacket encarna un métodogeneral de ejecución. Puesto que el perfil de lajacket, su forma y propiedades requieren unosmétodos de izado a bordo, transporte marítimo ymontaje (actividades de construcción ejecutadasbajo la responsabilidad del fabricante), bastanteespecíficos, existe una considerable interrelaciónpor parte de los requisitos de ingeniería duranteestas fases. Durante las primeras etapas, porejemplo desde la adquisición hasta el montaje yla elevación, el fabricante, si bien dentro de loslímites de los requisitos de las especificacionesdel diseño, tiene libertad de elección con respec-to al método exacto de ejecución que deseeadoptar. No obstante, el contratista está obligadoen todas las fases a demostrar que los métodosque adopte son compatibles con los requisitosde las especificaciones y que no afectan a laintegridad de la estructura.

Cada una de las fases de la ejecucióntiene sus propios requisitos de ingeniería deter-minados por el proceso ejecutado durante esafase. Estos procesos incluyen desde los que sonen gran medida repetitivos, en las primeras eta-pas de la ejecución, hasta las actividades de unasola acción de las últimas fases. Por lo tanto, laslabores de ingeniería que respaldan la adquisi-ción y el trabajo de taller son voluminosas, aun-que repetitivas, como, por ejemplo, recepción delmaterial, planos para taller, planos para el corte,etc. Las fases del montaje y erección están res-paldadas por una mezcla de actividades de inge-niería repetitivas como, por ejemplo, andamiaje,así como por estudios específicos para series deactividades limitadas.

Normalmente el volumen de la ingenie-ría de construcción de un fabricante en el caso

de una jacket de gran tamaño es de130,000/150,000 horas. La organización típicade los documentos técnicos del fabricante semuestra en la tabla 2.

A la hora de diseñar componentes demayor tamaño, se debe considerar el subdividir-los en elementos que no sufran alteraciones unavez fabricados y que puedan montarse con rela-tiva facilidad, sin problemas de soldadura/dimensionales. Por ejemplo, desde el punto devista de la ejecución, los nudos se clasificancomo complejos o simples, en base al númerode ciclos independientes de ajuste-soldeo-END(ensayos no destructivos) necesarios durante lafabricación y también en base a la posibilidad desoldadura automática entre el módulo tubulardel nudo y el elemento tubular durante el sub-montaje. El número de ciclos de ajuste-soldeo-END depende de la existencia de rigidizadorescirculares, así como del número y distribuciónde los muñones. Debido a razones relacionadascon la distorsión de la soldadura y con el fin depermitir la soldadura automática, resulta prácti-camente esencial que los rigidizadores circula-res se instalen antes de proceder al ajuste/sol-deo de los muñones. Esto añade un ciclo extraa la fabricación del nudo. Por lo tanto, es mejorevitar los rigidizadores circulares. Cuando estono sea posible y, en el caso de los nudos críti-cos, se debe tener cuidado de definirlos en unaetapa temprana.

Los muñones de los nudos se pueden cla-sificar como simples o con solapamiento. Losmuñones con solapamiento añaden por lomenos un ciclo completo a la fabricación delnudo y, por lo tanto, se deben evitar siempre quesea posible. La separación mínima entre los bor-des de la soldadura de los muñones simplesadyacentes se especifica generalmente como de50 mm, API RP2A, figura 4.3.1-2[1]. No obstan-te, esta distancia es demasiado pequeña comopara permitir la soldadura simultánea de muño-nes adyacentes; 150 mm es una distancia máspráctica.

193

INGENIERIA DE LA EJECUCIÓN

194

NºSerie de Título Temático del Documento Individual

Documentos o Grupo de Documentos

Normas de soldadura, nudos, tubulares, pilotes, camisas de pilo-tes, agrupaciones, estructuras guía para conductores, rodetes delanzamiento, tanques de flotabilidad, sistemas de protección cató-dica, sistemas de revestimientos de protección, columnas ascen-dentes, tubos en J, caissons, desembarcaderos para buques,topes para buques, pasarelas, sistemas de enlechado, sistema delastrado, elementos auxiliares para el montaje, planos finales.

Subconjuntos, montajes, apoyos, acceso, andamiaje, levantamien-to y transporte terrestre, ensayos y puesta en servicio, identifica-ción. Accesorios para la construcción en tierra. Conjunto en el mar(preparación, transporte, levantamiento, lanzamiento, patrones deanclaje, etc). Accesorios para el conjunto en el mar (utillaje, guías,acceso, manejo, etc).

Identificación, distribución y aprobación de la documentación,puntos de presencia y de retención, modificaciones técnicas ygestión del incumplimiento de las especificaciones, control delmaterial, identificación e investigación del material, adquisición ysubcontratas, control de parámetros de la soldadura, gestión deáreas de problemas específicos.

Métodos de ensayos no destructivos (visual, ensayos ultrasóni-cos, ensayos con líquidos penetrantes, formación y cualificaciónde operarios para ensayos no destructivos, calibración de equiposde inspección, ensayos de presión, pruebas varias.

Ensayos, puesta en servicio y preparación de la jacket para elremolcado. Manuales de izado a bordo -pilotes de jackets, cubier-tas superiores. Manuales de conjunto -jacket, pilotes, cubiertassuperiores.

Para cada emplazamiento-procedimientos de soldadura-procedi-mientos de reparación

Diseño del muelle, diseño de la vía de deslizamiento, diseño delsistema de atraque, reglamentos para la mejora del suelo, regla-mentos para el sistema de deslizamiento, reglamentos para eldragado, transporte de jacket y pilotes, tanques de flotabilidad,lanzamiento y emplazamiento de la jacket, estabilidad sobre elfondo, condiciones de hincamiento de los pilotes, estudio del nive-lado de la jacket.

Planos de Taller, Plan deCorte

Método y Planos de lasObras de FábricaTemporales

Procedimientos deGarantía de Calidad

Procedimientos de Controlde Calidad

Manuales

Procedimientos deSoldadura

Informes del Diseño,Inspecciones yReglamentos

1

2

3

4

5

6

7

(continúa en la página siguiente)

Tabla 2 Ingeniería de construcción de Jackets: Organización típica de los documentos técnicos del fabricante

195

INGENIERIA DE LA EJECUCIÓN

NºSerie de Título Temático del Documento Individual

Documentos o Grupo de Documentos

Reuniones de Ingeniería

Fabricación, Conjunto yElevación

Plan de Inspección

Propuestas Técnicas yResoluciones en losCasos de Incumplimientode las Especificaciones

Normalmente se celebran durante las fases críticas de la cons-trucción, en los diversos emplazamientos de ésta.

Secuencia de fabricación/soldadura (para los elementos principa-les), conformado, flexión, tratamiento para la atenuación de ten-siones, revestimiento, conjunto y elevación, sujeciones tempora-les y secundarias, levantamiento y transporte, introducción apresión, control del peso, control del asiento, pesaje de la jacket.

Suministro de acero (en cada suministrador).Fabricación de loscomponentes típicos de la jacket y de los pilotes (en los centrospertinentes).Conjunto y erección.

Requisitos de Aclaración TécnicaRequisitos para las RelajacionesTécnicasInformes sobre incumplimientosimportantes de las especificacionesInformes sobre incumplimientosmenores de las especificaciones

8

9

10

11

Posible en cadafase de situacióndel sideño}


Tabla 2 Ingeniería de construcción de Jackets: Organización típica de los documentos técnicos del fabricante

3. FABRICACIÓN

3.1 Procesos de Fabricación

El diseñador es quien determina las nor-mas para la fabricación de las jackets de las pla-taformas petrolíferas. Generalmente, estas nor-mas se basan en uno o más de los reglamentosde amplia difusión, mientras que los requisitosadicionales los dictan el diseño específico, las nor-mas del cliente, reglas estatutarias, etc. API RP2ARecommended Practice for Planning, Designingand Constructing Fixed Offshore Platforms, [1] y

AISC Specification for the Design, Fabrication andErection of Structural Steel for Buildings [2] cons-tituyen dos reglamentos ampliamente utilizadospara establecer los requisitos generales.

En el caso de jackets de mayor tamaño,se tiende a fabricar los nudos por separado bajocondiciones de taller estrictamente controladas.Alternativamente, es posible utilizar nudos deacero colado con el fin de eliminar detalles desoldadura críticos.

La experiencia reciente, tanto en el laborato-rio como en el resultado deinspecciones en servicio, hapropiciado que se prestecada vez una mayor aten-ción a los aspectos de lassoldaduras durante el traba-jo de taller. Concretamente,cada vez se presta unamayor atención a la impor-tancia de las soldaduras deabertura de penetracióncompleta de la junta, a la eli-minación de los “efectos deentalladura” en la raíz, yespecialmente en la cabezade las soldaduras de losnudos, y a la consecucióndel perfil de la soldadurarequerido. Es posible quesea necesario rectificar lassoldaduras que resulten crí-ticas para la resistencia a lafatiga para darles una curvasuave. Este proceso reducela probabilidad del colapsopor fragilidad. No obstante,también implica la utiliza-ción de unos requisitos decontrol de calidad/garantíade calidad (QC/QA) cadavez más sofisticados yestrictos. En la figura 1 semuestran detalles de solda-duras típicos tomados deAPI RP2A[1], que muestranbarras tubulares ensam-blándose o solapándose a

196

Línea de inserción

BB

CC

A

A

Transición continua entre detalles

Unión tipoEl ángulo α es el ángulo formado por las superficies exteriores del arriostramiento y del cordón, en cualquier punto de la línea de intersección

Ángulo de la ranura "b"

Apertura de la raíz Gen mm

Por encima de 90o 0 a 3/16 0 a 4,8Entre 45o y 90o 1/16 a 3/16 1,6 a 4,8Por debajo de 45o 1/8 a 1/4 3,2 a 6,4

Nota: Tolerancias incluidas

α Min "T"

Entre 50o y 135o 1,25 t

Entre 35o y 50o 1,50 t

Por debajo de 35o 1,75 t

Por encima de 135o Ver Secc B-B

Espesor completo, excepto si "T" no debe ser mayor que 1,75t

a > 135o

α = 90o a 135o

α = 30o a 90o

45o Min

45o Min

t

t t

t

T

T

T T

Sección B-B

Sección A-A

Sección C-CSección C-C (Alternativa)

G

Gβ

β =

Opcional

α2

Min 1/16 en (1,6mm)Max 1/4 en (6,4mm)

Soldadura adosada exenta de inspección

Figura 1 Uniones tubulares soldadas: soldeo por arco voltaico con protección

otra barra con acceso únicamente desde un lado.No obstante, se recalca la importancia de proyectarmuñones que puedan soldarse desde ambos lados.Por ejemplo, en los detalles para la jacket Bouri,figura 2, la mayor parte de los muñones son accesi-bles desde ambos lados.

Es necesario disponer de los procedi-mientos de soldadura, que deben detallar las cla-ses de acero, el diseño de la unión, fungiblespara las soldaduras, etc. Normalmente las solda-duras se someten a una inspección al 100%visual, por partículas magnéticas (PM) y porensayos ultrasónicos (EU). Los criterios para la

aceptación de soldaduras, por ejemplo, la longi-tud máxima de la mordedura marginal (t/2 o 10mm) y la profundidad máxima (t/20 o 0,25 mm)implican una calidad extraordinariamente eleva-da de ésta. Además, todos los soldadores debentener una cualificación, que debe certificarse,acorde con el tipo de trabajo que se les asigne.

El emplazamiento y la orientación de lassoldaduras circunferenciales y longitudinalesdurante la construcción tienen como objetivo mini-mizar las interferencias y asegurar la distanciamínima entre las soldaduras circunferenciales. Esnecesario prestar una atención especial a artículos

tales como las chapas deseguridad de la camisa delpilote, rodetes para el lanza-miento, placas de lodo, etc,en los que resulta fundamen-tal evitar interferencias de lassoldaduras.

Todas las chapas yajustes temporales debensometerse a los mismos re-quisitos, en lo relativo a losensayos de las soldaduras,que la barra sobre la que sevan a fijar. También se ob-serva la necesidad priorita-ria de asegurar que estetipo de uniones estén locali-zadas a una distancia segu-ra de las soldaduras estruc-turales principales, con el finde minimizar el riesgo depropagación del defecto. Laprudencia en este requisitonunca es demasiada; la“Alexander Kielland” volcódebido a una rotura de fati-ga que se inició en la uniónentre un dispositivo de radarcon un elemento de estruc-tura principal. Las interrup-ciones temporales debenofrecer el tiempo necesarioque permita efectuar unbuen reemplazo. Es nece-sario redondear las esqui-

197

FABRICACIÓN

Figura 2 Jacket DP-4 y pilotes

nas con el fin de minimizar las concentracionesde tensiones.

Cuando se descubra una soldadura de-fectuosa, ésta debe rectificarse mediante puli-do, labra o soldeo, según sea necesario. Lassoldaduras que presenten una resistencia, duc-tilidad o resiliencia insuficientes deben eliminar-se completamente antes de proceder a la repa-ración.

En general, los submontajes se ejecutande tal manera que al menos uno de los dos can-tos que se acoplarán durante el montaje/eleva-ción subsiguiente tenga una tolerancia por exce-so en cuanto al recorte. Este procedimientoproporciona flexibilidad en el sentido de que esposible enviar los submontajes al emplazamien-to con la tolerancia para el recorte y recortarsede manera que se ajusten en el emplazamiento.Alternativamente, también pueden cortarse a lasdimensiones exactas durante el submontajecuando las dimensiones finales ya se hayandeterminado.

3.2 Fabricación de los Nudos

Frecuentemente, los nudos principales delas estructuras son geométricamente complejos.Debido a ello, su fabricación plantea problemasespecíficos, especialmente desde el punto devista de la soldadura y del control dimensional.

En el caso de una jacket compleja, eldiseñador puede especificar los módulos tubula-res de los nudos, o el nudo en su totalidad inclu-yendo los muñones y los rigidizadores circulares,en un material que tenga unas propiedadesespecíficas en toda la sección de su espesor.Este requisito se introduce como consecuenciade los efectos de perforación o de desgarro quees probable que soporten estos elementosdurante su vida prevista y, desde luego, duranteel trabajo de taller. El diseñador también puede“engordar” o reforzar los módulos tubulares conel fin de que resistan las tensiones locales.Finalmente, en un esfuerzo por asegurar que lassoldaduras del nudo contengan niveles mínimosde tensión residual debida a la fabricación, se

prescribe la relajación de las tensiones térmicaso el tratamiento térmico posterior a la soldadura(TTPS). Éste es, con frecuencia, un requisito quese aplica a las jackets del Mar del Norte conparedes de gran espesor.

API RP2A[1] proporciona toleranciasespecíficas para la fabricación final. El contratis-ta debe trabajar dentro de los límites de estastolerancias con el fin de preservar la compatibili-dad dimensional y observar los requisitos relati-vos al control del peso en cada etapa de la cons-trucción. Teniendo presentes estos requisitos,las tolerancias de fabricación de los nudos sonestrechas; los puntos de aplicación típicos den-tro de 6 mm del valor teórico, el ángulo delmuñón dentro de 1 minuto, todos los refuerzosdentro de 12 mm de las dimensiones proyecta-das.

El proceso de fabricación típico de unnudo convencional, suponiendo que el módulotubular (con o sin rigidizadores circulares) ya hasido fabricado, comienza con el trazado del per-fil de los muñones y finaliza con la inspecciónmediante ensayos ultrasónicos del nudo acaba-do y sometido al tratamiento térmico posterior ala soldadura.

Las etapas intermedias pueden efectuar-se de diferentes maneras, algunas de las cualesdependen de la geometría específica del nudo yotras muchas de las preferencias del fabricante.Algunos fabricantes prefieren una orientaciónvertical del módulo tubular, afirmando que estopermite la fijación simultánea de un mayor núme-ro de muñones. No obstante, la mayor parte delos fabricantes tienden a ajustar los muñones aun tubo principal colocada sobre rodillos hori-zontales. Las etapas siguientes en la fabricaciónde un nudo típico son las siguientes:

• Trace las generatrices, puntos de aplica-ción, etc, sobre el módulo tubular. Corte yperfile los muñones. Retoque los biseles ytrace las generatrices sobre los muñones.Trace los emplazamientos de los nudossobre la superficie del módulo tubular y rec-tifique o chorree esas superficies. Efectúeensayos ultrasónicos de las áreas limpiadas

198

con el fin de asegurar que el acero está librede pliegues de laminación. Se debe tenerun cuidado especial en aquellos casos enlos que las deformaciones de retracción enla dirección a través del espesor puedanocasionar un desgarro laminar en unionesaltamente restringidas.

• Monte uno o dos muñones adyacentes en elmismo plano sobre el módulo tubular. Su-elde por puntos para mantenerlos en esaposición. Verifique el control dimensional ylas preparaciones para la soldadura alrede-dor del muñón.

• Suelde de acuerdo con la secuencia prede-terminada con el fin de limitar la deformación.Normalmente, los procesos de soldaduraconsisten en Soldadura con Arco (SCA) oSoldadura Semiautomática con Flux Interno(SSFI), véase la lección 4.4 Procesos deSoldadura. Si la soldadura se efectúa porambas caras, tras 3 o 4 pasadas rebaje y lim-pie las raíces de la soldadura desde la caraopuesta. Efectúe el ensayo por partículasmagnéticas sobre las raíces rectificadas.Complete el relleno de la soldadura. A conti-nuación completa el peinado de la misma.Rebaje los cantos de los perfiles si fueranecesario. Rebaje cuidadosamente la solda-dura en el metal de base con el fin de elimi-nar las mordeduras . Deje que las soldadurasse enfríen. Inspeccione visualmente las sol-daduras acabadas. Efectúe inspecciones porpartículas magnéticas y mediante ensayoultrasónico de las soldaduras acabadas.

• Repita las etapas anteriores para los suce-sivos muñones.

• Una vez se hayan ajustado y soldado todoslos muñones, efectúe el tratamiento térmicoposterior a la soldadura (TTPS) según seanecesario, amole y rebaje las soldaduras yvuelva a practicar los ensayos no destructi-vos (END) a todas las soldaduras.

• Efectúe todos los recortes necesarios enlos módulos tubulares y muñones. Lleve acabo el control dimensional final del nudo.

3.3 Subconjuntos de la Jacket

El submontaje puede considerarse comouna etapa intermedia entre el trabajo de tallertípico, es decir, nudos, elementos tubulares,vigas, etc, y el montaje o elevación. El aspectomás importante consiste en realizar el mayornúmero posible de soldaduras en el taller. Estoasegura una calidad de las soldaduras más ele-vada, puesto que es posible soldar automática-mente o por ambas caras muchos nudos y tubu-lares.

A la hora de definir los subconjuntos, losprincipales factores que se han de tener encuenta son los siguientes:

• Magnitud/Peso/Dimensiones: estos factoresestán gobernados en gran medida por con-sideraciones relativas a la transportabilidad.

• Secuencia de la Soldadura: los subconjun-tos no deben implicar una secuencia de sol-dadura difícil que provoque deformacioneso tensiones inducidas durante la soldaduradel subconjunto o el montaje o erecciónsubsiguientes.

• Viabilidad: ciertos procesos pueden presen-tar dificultades de construcción específicasasociadas a ellos como, por ejemplo, cier-tos rellenos cortos, de gran diámetro, resul-tan difíciles de montar verticalmente y esmejor incluirlos en los subconjuntos siem-pre que resulte posible.

3.4 Control Dimensional

De todas las áreas de control de calidad(CC) que exigen atención, la del control dimen-sional, tal y como se enfatiza en los reglamentosy normas, tiende a exagerarse. No obstante,resulta evidente que es necesario prestar aten-ción a las dimensiones que tienen importanciaestructural como son, por ejemplo, la rectitud delos elementos, la ovalidad de los tubulares, lasexcentricidades en las uniones de nudos, etc.También es obvio que en una jacket la alinea-ción/verticalidad de elementos tales como las

199

FABRICACIÓN

camisas de los pilotes, las guías de los conduc-tores, los rodillos para el lanzamiento, etc, tam-bién son importantes. Por último, el controldimensional de los elementos cuyo objetivo pre-visto es el “acoplamiento” o la “retirada” en lasplataformas como, por ejemplo, las camisas depilotes/pilotes, parte superior de la jacket/baseEA, tanques/apoyos de flotabilidad, etc, tambiénes vital para el montaje de la plataforma.Existen, por lo tanto, muchos aspectos que jus-tifican la atención al control dimensional, inclusoaunque el diseño global pudiera beneficiarseocasionalmente del hecho de que el diseñadorno exigiera un ajuste tan estricto para todos loselementos.

La razón principal para la exigencia deun control dimensional tan preciso de losnudos y tubulares durante la fabricación no esdebida a las consecuencias estructurales deuna situación de fuera de tolerancias, sino que

es debida a la posibilidad de que las partes noencajen en el astillero. Una de las incongruen-cias más molestas del concepto de las jacketstubulares de acero consiste en que las toleran-cias con respecto a la excentricidad de losmuñones de los nudos son amplias desde elpunto de vista estructural, mientras que lastolerancias reales son muy estrechas debido aconsideraciones relativas al ensamblaje de loscomponentes durante fases subsiguientes dela construcción.

El control dimensional del trabajo de tallerde los nudos en particular implica cálculos en eltaller potencialmente intrincados. No obstante,los sistemas más exitosos simplemente se limi-tan a la inclusión en los planos de taller de variasmedidas adicionales de “verificación” y del mar-caje correcto de las generatrices y descentra-mientos de los módulos tubulares de los nudos yde las generatrices de los muñones.

200

4. MONTAJE Y ELEVACIÓN DE LA JACKET

4.1 Montaje de la JacketLos subconjuntos fabricados en el taller y

los elementos sueltos se ensamblan para formarconjuntos que constituyen los levantamientosmás importantes de la secuencia de la elevación.Así pues, en el caso de una jacket de gran tama-ño, los montajes son generalmente de cuatrotipos:

• Elevaciones de jacket que incorporan es-tructuras guía para el conductor

• Estructuras superiores

• Arcadas de la jacket, es decir, pórticos opórticos parciales

• Agrupaciones de collares de pilotes.

Las fases tanto del montaje como de laelevación se basan en los siguientes objetivos:

• Maximizar el montaje efectuado en el suelo(en contraposición a la elevación) y maximi-zar el acceso a las áreas de la jacket duran-te la ejecución.

• Minimizar las uniones debidas a la erecciónen los principales elementos estructurales,tales como pilares de la jacket, rodetes parael lanzamiento, arcadas, niveles. Alinear lasáreas críticas tales como las guías de con-ductores, collares de pilotes, rodetes de lan-zamiento.

• Efectuar el subconjunto de los principaleselementos estructurales de la jacket talescomo pilares de jackets, arcadas, niveles.Efectuar el subconjunto y, si fuera posible,realizar ensayos previos de sistemas talescomo el hormigonado, lastrado. Incluir lacantidad máxima de elementos secundariostales como ánodos, columnas ascendentes,tubos en J, caissons antes de proceder a laelevación. Revestir o pintar las áreas nece-sarias (parte superior de la jacket, colum-

nas ascendentes) antes de efectuar la ele-vación.

• Minimizar la utilización de elementos tem-porales que requieran una retirada posteriorcomo, por ejemplo, andamiajes, pasarelas,elementos auxiliares para los levantamien-tos, etc, y preinstalar este tipo de elementosauxiliares donde resulten necesarios.

El montaje de las estructuras de las jac-kets, a menudo de unas dimensiones de 50 m omás en su base, plantea serias exigencias parael plan de conjunto e inspección en el emplaza-miento, así como sobre los apoyos temporales ylos arriostramientos de ajuste. Unas dimensio-nes de esta magnitud implican la posibilidad deque los cambios térmicos sean significativos.Las diferencias de temperatura pueden alcanzar30° entre el amanecer y primeras horas de latarde e incluso 15° entre diversas partes de laestructura, lo que produce una deformación devarios centímetros. No obstante, la práctica de“utilizar el sol” para ajustar elementos que di-mensionalmente no están en tolerancia resultacomún en el emplazamiento. Este procedimientotiende por sí mismo a introducir tensiones resi-duales en la estructura. Debido a la dificultadasociada con la deformación térmica, es normal“corregir” todas las medidas a una temperaturanormalizada de, por ejemplo, 20°C.

Las flechas elásticas también constituyenuna fuente de dificultades para el mantenimientode las tolerancias en el emplazamiento de losnudos. Los desplazamientos de la cimentaciónbajo las vigas de deslizamiento y las calzas tem-porales para la erección deben calcularse y vigi-larse cuidadosamente.

El programa y la secuencia del montajeglobal requieren que cada conjunto se completeantes de proceder al levantamiento. Es normaldeterminar el emplazamiento exacto, orientacióny posición, es decir hacia arriba o hacia abajo, decada conjunto in situ en anticipación de su pro-cedimiento de levantamiento.

Normalmente, los planos del plan de con-junto del montaje se preparan de manera que

201

MONTAJE Y ELEVACIÓN DE LA JACKET

muestren las coordenadas centrales para cadaconjunto. Entonces éstas se utilizan como cotasde referencia locales con el objeto de definir elconjunto, los subconjuntos, los elementos suel-tos, los equipos auxiliares y las uniones tempo-rales que incluyen soldaduras in situ, dimensio-nes globales, peso, planos de referencia, etc.

El control dimensional del conjunto, tantoanterior como posterior a la soldadura, puedeefectuarse mediante una serie de medidas deauto verificación sobre la estructura en sí.Siempre y cuando las verificaciones cruzadassean adecuadas, es posible evitar el ejercicio tanexigente en términos de tiempo de referir lasmedidas a una cota de referencia externa.

Normalmente, el conjunto se fija en posi-ción de acuerdo con las dimensiones teóricasmediante la utilización de tolerancias positivasadmisibles para compensar la retracción de lassoldaduras. Quizás la regla fundamental delajuste consista en evitar el “ajuste forzado” delos elementos antes de proceder al soldeo, o laintroducción de tensiones en las barras no sol-dadas mediante la secuencia de soldeo, ya queel diseñador es incapaz de prever estas condi-ciones.

Una configuración de la secuencia deacontecimientos aplicable a todos los tipos demontaje es la que se muestra acontinuación:

• Preparación del aparato deapoyo y andamiaje del conjunto

• Posicionamiento aproximadode la estructura principal delconjunto y fijación en posiciónmediante puntos de soldadura.Control dimensional de laestructura principal del conjun-to.

• Acoplamiento de la estructurasecundaria y fijación en posi-ción. Control dimensional delconjunto y de la estructura se-cundaria.

• Inspección previa a la soldadura. Soldeo dela estructura sujeto a inspección continua yde acuerdo con la secuencia aprobada.

• Instalación de los servicios auxiliares (porejemplo, ánodos, apoyos, pasarelas, colum-nas ascendentes, tubos en J, caissons, en-lechado y lastrado) y del andamiaje, equi-pos para el levantamiento, elementos auxi-liares, guías para la erección, uniones tem-porales.

• Ensayos (por ejemplo hidroensayos) si asífuera necesario. Ensayos no destructivosglobales, control dimensional.

• Chorreado y pintura o retoque. Retirada delos apoyos y andamiajes temporales para elmontaje.

• Preparación para el transporte/levantamien-to/erección.

4.2 Elevación de la Jacket

En esta fase, las estructuras montadas,submontadas y fabricadas, junto con los elemen-tos sueltos, se incorporan a la estructura final deacuerdo con la secuencia configurada en la figu-ra 3a - 3e.

202

Nivel 4

Nivel 3

Nivel 2

Nivel 1

Elementos de enlace

Estructuras planas fabricadas en horizontal y giradas en vertical

Raíles de deslizamiento

A

B

C

D

Figura 3a Montaje de estructuras preensambladas en el plano

Normalmente las estructuras de jacketsse tumban sobre el suelo y se las desliza utili-zando grúas de oruga múltiples. La coordinaciónde una operación de disposición de aparejos yde levantamiento de este tipo requiere unos pla-nes de conjunto tridimensionales cuidadosamen-te desarrollados, una cimentación firme y nivela-da para las grúas y unos operarios bienentrenados.

Durante la elevación dela plataforma Cerveza, conuna longitud de 300 m, se uti-lizaron 24 grúas en los dosprincipales levantamientos delas estructuras laterales.

En el caso de las plata-formas Magnus y Bouri DP3se utilizó otro procedimientodenominado “de la rejilla”. Eneste caso, se fabricaron losniveles horizontales de la jac-ket, se montaron in situ y seunieron para completar la jac-ket.

En el caso de la jacketBullwinkle, una de las mayo-

res del mundo, las seccionesde la jacket se fabricaron enJapón, se transportaron me-diante barcaza a Texas y semontaron utilizando torres degatos hidráulicos que subieronlas secciones hasta alturas de140 m.

Normalmente, cuandolas jackets están destinadas aaguas poco profundas la eleva-ción se efectúa verticalmente,es decir, en la misma posiciónque el conjunto final. Este tipode jackets pueden levantarsede la barcaza o descargarsemediante deslizamiento. En es-te último caso, se deben pro-porcionar los asientos y refuer-zos temporales apropiados bajo

los pilares con el fin de distribuir las cargas parael deslizamiento.

Normalmente, el análisis estructural aso-ciado con el procedimiento de elevación para unmontaje en concreto incluye un modelo por orde-nador dotado de todas las características estruc-turales relevantes. Se analiza el montaje para

203


Nivel 4

Nivel 3

Nivel 2

Nivel 1

A

B

C

D

Elementos que forman la viga de deslizamiento/lanzamiento

Figura 3b Terminación de la unidad 1

Nivel 4

Nivel 3

Nivel 2

Nivel 1

A

B

C

D

Elementos de enlace

Estructura fabricada en posición horizontal y girada a la vertical

Figura 3c Rodamiento de la estructura C

una serie de casos de carga que corresponden(aproximadamente) a las condiciones de apoyodel montaje y de sus supuestas posiciones críti-cas, es decir, los emplazamientos de las grúas,carros, soportes, etc, cuando se está transpor-tando el panel y cuando éste se encuentra enposición vertical y horizontal. El análisis estruc-tural para el levantamiento/transporte identificalos casos más desfavorablesdesde el punto de vista de larespuesta estructural. A conti-nuación se analizan estos casoscon el objeto de determinar lastensiones y desplazamientosmáximos. Los cálculos debenmostrar que las tensiones globa-les y locales se encuentran den-tro de los límites admisibles deacuerdo con los reglamentosAPI/AISC.

Con frecuencia se utilizaun programa informático de aná-lisis estructural para estos fines.El análisis indicará los emplaza-mientos en los que las tensionesde flexión son elevadas y/o lascargas de grúa, carros o apoyoinadmisibles. De esta manera,

es posible introducir modificacio-nes con el fin de redistribuir lastensiones estructurales y lascargas en los “apoyos” para asíoptimizar ambas y asegurar queni las grúas ni la estructura pue-dan sufrir una sobrecarga du-rante la elevación.

La siguiente podría seruna configuración de la secuen-cia para la elevación de todoslos componentes principales:

• Evaluación técnica de losmétodos para el levantamien-to. Cálculos para la configura-ción de la grúa, accesorios delos aparejos, etc.

• Preparación de las grúas para el levanta-miento. Preparación de los aparejos. Tran-sporte del montaje al emplazamiento dondese efectuará el levantamiento. Puesta en po-sición con el andamiaje en posición, si fueraposible.

• Preparación del sistema de fijación y delarriostramiento para el viento (normalmente

204

Nivel 4

Nivel 3

Nivel 2

Nivel 1

A

B

C

D

Elementos de enlace

Figura 3d Rodamiento de la estructura D

Nivel 4

Nivel 3

Nivel 2

Nivel 1

A

B

C

D

Figura 3e Jacket completa lista para su traslado

consistente de vientos de alambre y tenso-res). Efectúe el soldeo suficiente para per-mitir la retirada de la grúa.

• Retirada de la grúa. Retirada de aparejos ysujeciones temporales.

La finalización estructural de la jacket vaseguida por una fase corta en la que se completantodos los sistemas de la jacket, tanto los permanen-tes como los necesarios durante el montaje, y se losdeclara funcionales. Las operaciones de izado abordo se cubren en la lección 17.9: Instalación.

205


5. RESUMEN FINAL

• Los factores que determinan fundamental-mente el diseño de las jackets son la dispo-nibilidad de equipos para la instalación en elmar y la profundidad del agua en el empla-zamiento.

• Por regla general, el método preferido con-siste en colocar la jacket en su lugar me-diante levantamiento. Normalmente, las jac-kets destinadas a aguas profundas semontan sobre su costado.

• Como principio general, se debe efectuar lamayor cantidad de la ejecución posible enlas primeras fases de la fabricación.

• Cada fase de ejecución presenta sus requi-sitos de ingeniería específicos determina-dos por los procesos que se llevan a cabodurante esa fase.

• Las instrucciones para la fabricación de lasjackets de las plataformas petrolíferas lasdetermina el diseñador y, normalmente, sebasan en uno o más reglamentos de ampliadifusión.

• Los subconjuntos fabricados en el taller ylos elementos sueltos se ensamblan paraformar conjuntos que constituyen los mayo-res levantamientos de la secuencia de laelevación.

• Las estructuras montadas, submontadas yfabricadas, junto con los elementos sueltos,se incorporan a la estructura final de acuer-do a una secuencia que tiene en cuenta losanálisis de las tensiones de flexión y las car-gas de la grúa, carro y apoyo.

6. BIBLIOGRAFÍA[1] API RP2A, Recommended Practice forPlanning, Designing and Construction of FixedOffshore Installations, latest edition.

Principios y prácticas del diseño de ingenieríadesarrollados durante la explotación de los re-cursos petrolíferos mediante plataformas.

[2] AISC Specification for the Design,Fabrication and Erection of Structural Steel forBuildings, latest edition.

API hace referencia a este reglamento para loscálculos de las tensiones admisibles básicas detodas las barras de las jackets.

7. BIBLIOGRAFÍA ADICIONAL[1] Det Norkse Veritas Marine OperationsRecommended Practice RP5 - Lifting (June 1985).

Principios y prácticas adecuadas para levanta-mientos pesados en las plataformas petrolíferas.

[2] AWS Structural Welding Code AWS D1.1-88.

El reglamento de API exige que todas las cualifica-ciones para las soldaduras y procedimientos de sol-deo se emprendan de acuerdo a este reglamento.

[3] Det Norske Veritas, Rules for the Design,Construction and Inspection of OffshoreStructures, 1977.

Reglas para la construcción e instalación de jac-kets de acero, tal y como exige DNV.

[4] Lloyd’s Register of Shipping, Rules andRegulations for the Classification of FixedOffshore Installations, 1989.

Basado en la experiencia de Lloyd’s relativa a lacertificación de más de 500 plataformas en todoel mundo.

206

APÉNDICE 1

207

APÉNDICE 1

Garantía de Calidad y Control de Calidad

Cada vez resulta más habitual que losoperadores especifiquen que el control de calidadde la construcción para las plataformas petrolífe-ras se efectúe mediante una norma reconocidapara la gestión del sistema de calidad.

ISO 9000/EN 29000, Norma para la Gestiónde Sistemas de Calidad, está reconocida como lanorma aceptada para este tipo de situaciones.Estas normas establecen los requisitos que un sis-tema de gestión de calidad con una sólida basedebe cumplir si su objetivo es asistir en la definicióny control adecuados de la calidad del producto.Debido a que las normas se ocupan del sistema decalidad, y no son normas de producto, son aplica-bles a muchos sectores de la industria incluyendola construcción de las plataformas petrolíferas. Suaplicación es posible para cualquier situación en laque la gestión desee adoptar una política clara-mente definida y un enfoque metódico para la con-secución de un producto de calidad.

Las normas cubren todos los aspectos delas actividades de las empresas, incluyendo:-

Diseño

Revisión del Contrato

Control de la Documentación

Responsabilidad de la Gestión

Compra

Acciones Correctivas

Registros de Calidad

Inspección/Auditoría de la Gestión

Investigación del Producto

Control del Proceso

Inspección/Ensayos

Calibración del Equipo

Control de Incumplimientos de lasEspecificaciones

Manejo/Almacenamiento/Entrega

Formación

Etc.

Complejidad de la Gestión de la Garantía deCalidad

El programa global para la construcción deuna jacket muestra que un número muy conside-rable de actividades relativas a las plataformas seproducen en muchos emplazamientos diferentesdurante un período de tiempo muy corto. La eva-luación del rendimiento de un campo de activida-des como éste y en varios lugares es una de lasmisiones más importantes de la Garantía de Ca-lidad/Control de Calidad.

Resulta difícil apreciar en su justa medidael alcance de la documentación relativa al dise-ño de construcción de una jacket. Consideremosla documentación que se espera que fluya de unemplazamiento a otro en relación con un simplenudo. Desde el momento en que se fabrica lachapa hasta que el nudo se coloca en la estruc-tura final es necesario recopilar un expediente.Esta documentación podría comenzar concopias de los certificados del fabricante de lachapa de acero y avanzar a través de variasfases de soldadura, ensayos no destructivos ycontrol dimensional en diversos emplazamientossucesivos, culminado con la emisión de una No-ta de Salida en el taller de fabricación del nudo.

Resulta obvio que este proceso es nece-sario para ciertos artículos como, por ejemplo,acero, soldaduras, Certificados de los ensayos nodestructivos para la estructura principal de la jac-ket, columnas ascendentes, etc. Estos documen-tos pueden resultar útiles durante el manteni-miento de la plataforma, permitiendo el rastreo demuchos problemas durante el servicio hastasituaciones anormales que se produjeron duran-te la construcción. Normalmente la construcciónde una jacket de gran tamaño incluye miles dechapas de acero. Cada placa se convierte inevi-tablemente en una chapa individual, ya que se leasigna un número específico correspondiente aun Programa de Utilización del Material o a unPlan de Corte. El número de piezas de chapapodría ser superior a los 20.000 artículos. El obje-tivo principal del control del material consiste enasegurar que, durante cualquier etapa de cons-trucción, es posible investigar el origen de cadauno de los artículos hasta remontarse a un certi-

209

APÉNDICE 1

ficado del material que, a su vez, corresponda auna serie de ensayos/composición química, etc,como los contenidos en el Expediente de Datos.No obstante, independientemente de lo volumi-nosa que pueda ser esta documentación, consti-tuye menos de la mitad de la documentación totalque se genera en el caso de una sola jacket.Consideremos, por ejemplo, el número de solda-duras que hay en un tanque de flotabilidad com-plejo, las pasarelas de la partes superior de lajacket, los ánodos, los rodetes de lanzamiento,los tubos de enlechado, etc. Cada uno de ellosdebe ser soldado y varios deben ser inspeccio-nados individualmente. No obstante, el requisitoen el sentido de la producción de una documen-tación sofisticada es cuestionable. Debido a estarazón, es importante que se alcance un acuerdoen una etapa inicial con respecto a cuáles son losartículos individuales que necesitan identifica-ción, con el objetivo tanto de limitarlos al mínimocomo de que el sistema de identificación sea sim-ple. En la práctica real se ha demostrado que esmuy difícil hacer que todos los materiales puedanser investigados hasta sus orígenes. Es mucho loque se puede hacer para estructurar este tipo dedocumentación de manera que realmente consti-tuya una ayuda a lo largo de la vida de la plata-forma.

Procedimientos y Especificaciones

Dentro de la organización del contratista sedeben desarrollar procedimientos para la Garantíade Calidad/Control de Calidad del diseño, muchosde los cuales serán específicos para la construc-ción de jackets. Estos procedimientos se dividenen Procedimientos de Gestión (por ejemplo,Gestión de los Incumplimientos de las Especi-ficaciones, Gestión de la Terminación de la Jacketen Tierra, etc) y Procedimientos de Control (porejemplo, Procedimiento para los Ensayos Ultra-sónicos de las soldaduras de la Jacket en el As-tillero, Procedimiento para el Control Dimensionalpara La Fabricación de Nudos en la fábrica, etc).También son necesarios los Procedimientos/ Re-glamentos de Construcción (por ejemplo, Pro-cedimiento de Conjunto y Elevación de la Jacket,Procedimiento de Instalación de Pilotes, etc) ade-más de un vasto número de reglamentos y cualifi-caciones para los procedimientos de la soldadura,

cualificaciones de los soldadores y planes de ins-pección.

Incluso si se minimiza el número de proce-dimientos específicos que se exige a cada sub-contratista, se mantendrá la exigencia de que lossubcontratistas de fabricación desarrollen los pro-cedimientos y reglamentos para las siguientes fun-ciones/actividades típicas: organización de la sub-contrata, control del material, método/secuenciade fabricación, procedimientos para el corte, con-formación, precalentamiento, tratamiento térmicoposterior a la soldadura, junto con los procedi-mientos para los ensayos no destructivos y Planesde Inspección más evidentes. Generalmente, lossubcontratistas de las jackets deben desarrollarcientos de procedimientos/reglamentos.

Certificación

Normalmente, en la mayor parte de los dise-ños de plataformas petrolíferas, las compañíasaseguradoras aceptan asegurar la instalacióndurante su vida útil, siempre y cuando ésta hayasido diseñada, construida y mantenida de acuerdocon normas predeterminadas y que el cumplimien-to de estas normas esté certificado. Las autorida-des de los gobiernos en cuyas aguas está instala-da la plataforma exigen casi invariablemente estacertificación. Normalmente ésta se lleva a cabo pormedio de una de las sociedades de clasificación debuques denominada la Autoridad Certificadora(AC). En el sentido más amplio, la certificaciónexige que la Autoridad Certificadora efectúe unainspección independiente con el objeto de asegurarque las normas escogidas para el diseño son satis-factorias y que el diseño se lleva a cabo de acuer-do con estas normas. Antiguamente, esto significa-ba que la Autoridad Certificadora inspeccionabatodas las actividades que pudieran influir sobre laadecuación del producto final, una ingente tarea.Posteriormente, con la llegada de la Garantía deCalidad, la función de certificación puede implicarauditorías de la construcción de manera que, enlugar de inspeccionarlo todo, la AutoridadCertificadora se contenta con comprobar la proba-bilidad de que la manera en que se está gestio-nando y efectuando la construcción (en base a unainspección incompleta pero integral) se traduzca enun producto satisfactorio.

210



Lección 17.9: Instalación

211

213

OBJETIVOS/CONTENIDO

OBJETIVOS

Describir los procedimientos generalespara la instalación de jackets. Discutir las dife-rentes etapas de la operación, desde el izado abordo hasta la colocación e instalación en elemplazamiento marino, incluyendo las prácticasde construcción y equipos. Indicar los cálculosque normalmente es necesario efectuar.


Lecciones 17.1: Estructuras Petrolíferas:Introducción General

LECCIONES AFINES

Lecciones 4.1: Fabricación General deEstructuras de Acero

Lecciones 4.2: Montaje

Lección 4.3: Principios de Soldadura

Lección 4.4: Procesos de Soldadura

Lecciones 17: Sistemas Estructurales:Plataformas petrolíferas

RESUMEN

Se describen las fases de la instalaciónde una jacket de acero -izado a bordo, amarredurante el transporte marítimo e instalación- y seindican los análisis asociados a estas operacio-nes.

1. INTRODUCCIÓN

1.1 Fases del Proyecto

Generalmente, la instalación de una jac-ket de acero consiste en las siguientes fases delproyecto:

Izado a Bordo - Comprende el movimiento de laestructura completada para colocarla sobre la bar-caza que la transportará al emplazamiento marino.

Amarre durante el Transporte Marítimo -Comprende el ajuste y la soldadura de los ama-rres suficientes entre la estructura y la barcazaque impidan que la jacket se mueva durante eldesplazamiento hasta el emplazamiento marino.

Transporte Marítimo - Comprende el remolcadohasta el emplazamiento marino y la llegada de labarcaza a este lugar con la estructura amarrada.

Instalación - Comprende la serie de actividadesnecesarias para colocar la estructura en elemplazamiento marino final. Estas actividades

incluyen el levantamiento y posicionamiento envertical, la colocación, el montaje de los pilotes,el nivelado y enlechado de la jacket, junto con losservicios de apoyo para estas actividades.

1.2 Filosofía de la Construcción

A la hora de decidir cuál es la mejor mane-ra de efectuar la fabricación (es decir, vertical-mente o sobre un costado) de una jacket concre-ta, la profundidad de agua en el emplazamientofinal y los equipos de montaje disponibles son losfactores principales que determinan las opciones.Por regla general, el método preferido consiste enel levantamiento de la jacket para proceder a sucolocación. La razón para este método de instala-ción, en lugar del método más tradicional del lan-zamiento desde una barcaza, consiste en la reti-cencia a dedicar recursos económicos a unasestructuras metálicas de la jacket que únicamentese utilizarán durante la fase temporal del montaje.El tamaño de las jackets levantadas de esta ma-nera ha aumentado a medida que lo ha hecho lacapacidad de carga. Con la capacidad de carga

214

z

x

Lecho marino

Fase 1 Inicio del autodeslizamiento de la jacket

z

x

Lecho marino

Fase 2 Inicio de la rotación del brazo basculante secundario

z

x

Lecho marino

Fase 3 Rotación antihoraria de la jacket

z

x

Lecho marino

Fase 4 Posición flotante final de la jacket

Figura 1 Lanzamiento de la jacket: características principales

actual, que alcanza las 14.000 toneladas (véasela tabla 1), las jackets que se aproximan a estepeso son candidatas para la colocación mediantelevantamiento.

La figura 1 muestra como se levantó lajacket de 6.000 toneladas para el campoKittiwake en el Mar del Norte desde una barca-za, para colocarla en el agua, y a continuaciónse puso en posición vertical, todo ello en unasola operación, que finalizó con la jacket coloca-da sobre el lecho marino lista para el pilotaje. Laventaja de este enfoque consiste en que la jac-ket, puesto que se baja hasta colocarla en elagua, no requiere las estructuras necesariaspara efectuar el lanzamiento desde una barcaza.Además, puesto que las grúas se hacen cargo

de todo el peso de la jacket, no es necesario uti-lizar tanques de flotabilidad ni sistemas de des-lastraje especiales.

Las jackets destinadas a aguas de mayorprofundidad son más pesadas y normalmente semontan sobre un costado y se lanzan desde unabarcaza (figura 2). Actualmente este método deconstrucción resulta aplicable para jackets dehasta 25.000 toneladas. Normalmente una jacketlanzada necesita tanques de flotabilidad adicio-nales con una gran cantidad de tubos y valvuleríaque permitan la inundación de los pilares y tan-ques con el fin de lastrar la jacket para colocarlaen posición vertical en el emplazamiento. Porejemplo, en el caso de la jacket Brae “B” (una jac-ket grande de 19.000 toneladas instalada en

215

INTRODUCCIÓN

Operador Nombre Tipo Modo Capacidad de carga

Heerema Thor Monocasco Fijo 2.720Giratorio 1.820

Odín Monocasco Fijo 2.720Giratorio 2.450

Hermod Semisum Fijo 4.536 + 3.628 = 8.164Giratorio 3.639 + 2.720 = 6.350

Balder Semisum Fijo 3.630 + 2.720 = 6.350Giratorio 3.000 + 2.000 = 5.000

McDermott DB50 Monocasco Fijo 4.000Giratorio 3.800

DB100 Semisum Fijo 1.820Giratorio 1.450

DB101 Semisum Fijo 3.360Giratorio 2.450

DB102 Semisum Giratorio 6.000 + 6.000 = 12.000

Micoperi M7000 Semisum Giratorio 7.000 + 7.000 = 14.000

Notas:

1. Capacidad de carga nominal en toneladas métricas.

2. Cuando los buques grúa están equipados con dos grúas, éstas están situadas en la popa del buque a aproximada-mente 60 m de distancia entre ejes.

Tabla 1 Principales buques grúa para las plataformas petrolíferas

ses como, por ejemplo, izado a bordo, amarredurante el transporte marítimo, transporte e ins-talación.

Es necesario que los planos de instala-ción, normas y procedimientos se preparen detal manera que muestren toda la informaciónrelevante necesaria para la construcción de laplataforma en el emplazamiento marino. Gene-ralmente, estos planos incluyen detalles detodos los elementos auxiliares para el montaje,tales como cáncamos, rodetes de lanzamiento ovigas de celosía, soportes de gato, puntos deposicionamiento, etc. En el caso de jackets ins-taladas mediante flotación o lanzamiento, losplanos se han de preparar de manera quemuestren los procedimientos de lanzamiento,posicionamiento en vertical y flotación. Además,también es necesario proporcionar detalles conrespecto a la red de tubos, valvulería y controlesdel sistema de flotación, etc, así como los pre-

parativos en la barcaza y detalles de los ama-rres.

La aportación de la ingeniería al proyectode instalación de una plataforma petrolífera tam-bién incluye el proyecto de todos los arriostra-mientos, amarres para el transporte marítimo,aparejos, eslingas, grilletes y elementos auxilia-res para el montaje temporales. Éstos debenproyectarse de acuerdo con un reglamento apro-bado para proyectos de plataformas petrolíferascomo, por ejemplo, API RP2A [1].

La gestión de la calidad es un componen-te vital e integral de todos los proyectos de insta-lación de plataformas petrolíferas. En la lección17.8: Fabricación, se ha adjuntado una notageneral relativa a la Garantía de Calidad para laConstrucción de Plataformas Petrolíferas: estanota es igualmente aplicable a los proyectos deinstalación de las plataformas petrolíferas.

217

INTRODUCCIÓN

2. IZADO A BORDO Y AMARRE MARÍTIMO

El izado a bordo supone el movimiento dela estructura completada para colocarla sobre labarcaza que la transportará al emplazamiento enel mar. El amarre durante el transporte marítimoconsiste en el ajuste y soldadura de los lazossuficientes entre la jacket y la barcaza que impi-dan que la jacket se mueva mientras se la trasla-da al emplazamiento marino.

Normalmente las jackets fabricadas sobreun costado se izan mediante el deslizamiento dela estructura completa sobre una barcaza decarga o de lanzamiento. Durante el izado abordo, la jacket se apoya sobre vías de desliza-miento, normalmente sobre dos pilares interioresde la jacket (véase la figura 9 de la lección 17.1.)Los pilares se comportan como el cordón inferiorde una viga de celosía de gran tamaño, quepuede extenderse entre los puntos de apoyo,especialmente cuando parte de la jacket seencuentra ya sobre la barcaza y parte sigue apo-yándose en las vías de deslizamiento.

Cuando las jackets se fabrican vertical-mente, es decir, en la misma posición de la ins-talación final, se pueden levantar para colocarlassobre la barcaza o hacerlo mediante desliza-miento. En este último caso, es necesario pro-porcionar apoyos y refuerzos temporales ade-cuados bajo los pilares con el fin de distribuir lascargas durante el deslizamiento.

La fricción inicial de la jacket sobre lasvías de deslizamiento puede alcanzar un 15%,especialmente si la jacket se ha montado demanera tal que su peso se apoya continuamentesobre dicha vía. En algunos casos, la jacket sefabrica inicialmente en una posición ligeramentepor encima de las vías de deslizamiento utilizan-do gatos hidráulicos o picaderos de arena. Acontinuación, en el momento del izado a bordo,se baja la jacket para colocarla sobre las vías dedeslizamiento. Con el fin de reducir la fricción dedeslizamiento se utiliza grasa sobre la maderadura, o aceite lubricante viscoso sobre el acero,o incluso almohadillas rellenas de fibra y revesti-das de teflón. Esto permite la obtención de valo-

res de la fricción de deslizamiento tan reducidoscomo un 3%.

La barcaza debe tener la magnitud y laestabilidad estructural adecuadas que asegurenque tanto la estabilidad como las tensiones está-ticas y dinámicas de la barcaza y de los amarresmarítimos debidas a la operación de izado, ydurante el trasporte, se mantengan dentro deunos límites aceptables. La barcaza tambiéndebe tener capacidad para el lanzamiento de lajacket, si así fuera necesario, sin la utilización deuna barcaza de grúa derrik. Cuando la barcazaestá en posición flotante durante el izado a bordo,el sistema de lastrado debe ser capaz de com-pensar las modificaciones producidas en lamarea y en la carga. En estos casos resulta habi-tual efectuar el izado a bordo cuando la mareaestá subiendo, de manera que la marea sirva derefuerzo al sistema de lastrado. En los casos enlos que la barcaza está apoyada en tierra duran-te la operación de izado a bordo, la barcaza debetener la suficiente resistencia estructural que per-mita la distribución de las cargas concentradasde cubierta al material de la fundación de apoyo.

El izado a bordo de la jacket se debe efec-tuar de tal manera que la barcaza se encuentreen un estado equilibrado y estable. Es posibledeterminar la estabilidad de la barcaza deacuerdo con regulaciones tales como las publi-cadas por Noble Denton, The American Bureauof Shipping o US Coast Guard. No se debensuperar las tensiones dinámicas y estáticasadmisibles en el casco y armazón de la barcazasurgidas como consecuencia del izado a bordo,transporte y lanzamiento.

La siguiente podría ser una lista de com-probación simplificada para las operaciones rela-cionadas con el izado a bordo de jackets:

1. ¿Está completa la jacket? ¿Se ha analiza-do la estructura en lo relativo a las tensio-nes del izado a bordo, en base a la estruc-tura real tal y como está fabricada en elmomento de efectuarse el izado a bordo?

2. ¿Está la barcaza de lanzamiento amarra-da de manera segura al muelle de izado

218

a bordo, de modo que no se mueva cuan-do éste se lleve a cabo? ¿Está amarradaadecuadamente la barcaza frente almovimiento lateral?

3. Si se utilizan barras comprimidas entrelas vías de deslizamiento de la barcaza ylas que están situadas en tierra, ¿estánalineadas y apoyadas adecuadamente demanera que no salgan despedidas duran-te el izado a bordo? ¿Se han inspeccio-nado los cables de tracción, grilletes ycáncamos para asegurar que su instala-ción es correcta y que no se enredarándurante el izado a bordo?

4. ¿Es posible lastrar adecuadamente labarcaza? En caso de que la marea varíedurante el izado a bordo, ¿los preparati-vos de la lastrado son los adecuados?¿Se procederá al ajuste del lastre a medi-da que el peso de la jacket se apoyesobre la barcaza? ¿Existen los controlesapropiados? ¿Existe un sistema de las-trado de reserva adecuado? ¿Se disponede sistemas de seguridad para volver acolocar la jacket sobre el muelle en casode que se produjera alguna anomalíadurante el izado a bordo? Si el ajuste dellastre se ha de efectuar iterativamente,paso a paso a medida que se iza a bordola jacket, ¿se dispone de marcas de pin-tura claras con el fin de identificar sin difi-cultad cada paso?

5. ¿Se han establecido líneas claras de vigi-lancia y control? ¿Se han verificado loscanales radiotelefónicos? ¿Se ha avisa-do a los inspectores marítimos con elobjeto de que puedan estar presentes?¿A los representantes del propietario?¿A las Autoridades de Certificación? ¿Seha recibido su aprobación?

Una vez que la jacket se encuentra sobrela barcaza, es necesario lastrar la barcaza parael transporte. Durante el izado a bordo, muchostanques estarán parcialmente llenos, con el finde controlar tanto la elevación de la cubiertacomo la estiba. No obstante, cuando la jacket

está apoyada completamente sobre la barcaza,estas consideraciones pierden su relevancia y esposible lastrar los tanques con miras a las exi-gencias de la travesía marítima. Normalmentelos tanques de agua de lastre deben estar o bienllenos o completamente vacíos, con el objeto deeliminar los efectos de la superficie libre y deldesplazamiento del líquido. Tanto el calado comola reserva de flotabilidad se habrán elegido cui-dadosamente con el fin de maximizar la estabili-dad y, especialmente, minimizar la inmersión delos miembros salientes de la jacket durante elremolcado y las subsiguientes fuerzas de impac-to del oleaje, flotabilidad y colapso.

Las barcazas de lanzamiento y las barca-zas de carga grandes son estructuras relativa-mente flexibles en las que la estructura de la jac-ket es normalmente (mucho) más rígida. Por lotanto, es preferible efectuar la lastrado de la bar-caza para la obtención del calado y la estibanecesarios junto al muelle antes de que se fijenlos amarres para el transporte marítimo. Si se hade utilizar un programa de lastrado para una víade remolcado protegida y otro para el mar abier-to, se deben soltar los amarres para el transpor-te marítimo durante la relastrado con el fin deevitar la imposición de tensiones indebidas sobrelos pilares de la jacket o, alternativamente, sedeben realizar cálculos para demostrar que lasuelta de los amarres no es necesaria durante elprocedimiento de relastrado.

Los amarres para el transporte marítimose instalan tras el izado a bordo y deben com-pletarse antes de zarpar. Se trata de sistemasestructurales importantes, sometidos a cargastanto estáticas como dinámicas. Cuando la bar-caza se encuentra en alta mar, es necesario asu-mir que puede encontrar condiciones “tan desfa-vorables como las que se podrían haber previstoestadísticamente”. Debido a ello, es necesariocalcular las fuerzas gravitatorias y de inerciainvolucradas para todas las aceleraciones yángulos de balanceo y cabeceo anticipados de labarcaza durante el estado del mar previsto quese ha adoptado para el remolcado (normalmenteel temporal con un período de retorno de 10años para esa estación del año y emplazamien-to). A la hora de determinar estos criterios, se

219

IZADO A BORDO Y AMARRE MARÍTIMO

debe considerar la fiabilidad de una predicciónmeteorológica a corto plazo. Puesto que las car-gas son dinámicas, es necesario minimizar elimpacto. Los amarres para el transporte maríti-mo únicamente se deben fijar a la jacket en loslugares aprobados por el diseñador. Cuando sefijan a la barcaza, ha de hacerse en lugares que

sean capaces de distribuir la carga al armazóninterno de ésta. Su diseño debe ser tal que faci-lite una retirada sencilla en el emplazamiento.Normalmente, los amarres para el transportemarítimo están sujetos a los mismos requisitosen lo relativo a reglamentos que la fabricación dela jacket.

220

3. TRANSPORTE MARÍTIMO

El transporte de componentes pesadosdesde el astillero de fabricación hasta el empla-zamiento marino constituye una actividad crítica.Esto es especialmente así en el caso de la jac-ket, puesto que normalmente el comportamientode esta unidad influye sobre la verificación de laresistencia de la barcaza, el diseño de los ama-rres para el transporte marítimo y, desde luego,sobre el diseño de la misma jacket. También hayaspectos prácticos que es necesario considerar,como la selección del remolcador, la ruta deremolcado, etc.

Los requisitos de magnitud y potencia delos buques remolque y el diseño de los prepara-tivos para el remolcado deben calcularse odeterminarse en base a la experiencia pasada.La selección del remolcador implica considera-ciones tales como la distancia de la ruta deremolcado, la proximidad de puertos seguros ylas condiciones meteorológicas y el estado delmar previstos. Como mínimo, los remolcadoresdeben ser capaces de mantener la posición encondiciones de viento de 15 metros/segundo conlas olas que lo acompañan. No obstante, estecriterio depende del emplazamiento en cuestión.Por ejemplo, el requisito que normalmente seaplica en el Mediterráneo consiste en que elremolcador principal debe mantener la posiciónfrente a un viento de 20 metros/segundo, 5,0 mde estado significativo del mar y una corriente de0,5 metros/segundo, actuando simultáneamente.Se proporcionan las previsiones meteorológicasdurante todo el remolcado de manera que, si secierne la amenaza de unas condiciones meteo-rológicas excepcionales, es posible buscar refu-gio en un puerto predeterminado.

La experiencia ha demostrado que la pri-mera fase del transporte es la más conflictiva.Esto se debe a varias razones. Normalmente, esmuy poco el control que un remolcador de grantamaño puede ejercer en el área del puerto,incluso con un cable de remolque corto. Cuandoel cable de remolque entre dos masas conside-rables, el remolcador grande y la barcaza/jacketmucho mayor, es corto, el riesgo de que serompa es elevado. Por lo tanto, constituye una

práctica habitual alargar el cable una vez se hasalido de puerto. Además, debido a la naturalezade muchos puertos, es necesario ejercer unestricto control con el fin de evitar la posibilidadde encallar. Por lo tanto, normalmente los remol-cadores del puerto sacan la barcaza al mar bajolas instrucciones de un piloto que conozca elpuerto. Los problemas no quedan totalmenteresueltos una vez la barcaza está fuera de puer-to, ya que es necesario asumir que puede pro-ducirse el caso más desfavorable, es decir, quepodría romperse el cable de remolque.

El remolcador debe disponer del tiemposuficiente para recoger el cable de remolque deemergencia y controlar la barcaza antes de queésta se adentre en aguas poco profundas. Por lotanto, la salida queda supeditada a unas condi-ciones estrictas de las previsiones meteorológi-cas para un período que asume que la velocidaddel remolcado es de entre 1 y 2 nudos durantelas primeras 100 millas náuticas desde la costa.Así pues, es necesario, como mínimo, un perío-do de 48 horas de previsiones meteorológicasfavorables, como por ejemplo, Fuerza 5 y decre-ciente.

Una vez que el remolcado ya está en mar-cha, se ajusta la estiba con el fin de optimizar lavelocidad del remolcado y proporcionar estabili-dad direccional durante éste. Normalmente sedejará la barcaza con más calado en proa queen popa.

El comportamiento de la jacket amarradaa la barcaza para el transporte marítimo debeser satisfactorio tanto desde el punto de vista dela estabilidad dinámica como estática. Ambas severifican mediante análisis numéricos. No obs-tante, particularmente en el caso de grandesestructuras, la sensibilidad de los análisis diná-micos avala la verificación mediante ensayossobre modelos.

El criterio de la estabilidad estática intac-ta adoptado generalmente consiste en que elbrazo de palanca adrizante sea positivo en todoun campo de 36

° alrededor de cualquier eje. Lallamada estabilidad dinámica del criterio delvuelco de viento simplemente garantiza que,

221

TRANSPORTE MARÍTIMO

para un viento concreto, la energía que tiende avolcar la barcaza es, por lo menos, un 40% infe-rior a la energía disponible debido a la estabili-dad enderezadora inherente de la barcaza.

A la hora de considerar los movimientosde la jacket y de la barcaza, la intuición hace queparezca plausible que el balanceo será el movi-miento más problemático (desde el punto devista de las aceleraciones de los cuerpos) y queel mayor balanceo estará causado por el mar detravés. Puede resultar menos obvio, aunque nopor ello menos cierto, que si se reduce la anchu-ra de la barcaza y, en menor medida, la longitud,el balanceo disminuirá y si se aumenta (mucho)el calado de la barcaza, también se producirá

una disminución del balanceo. Todas estas con-sideraciones son reflejo de las propiedades está-ticas de la jacket y de la barcaza. En ocasioneses posible efectuar mejoras eligiendo una barca-za más estrecha (aunque obviamente la estabili-dad se resentirá) o aumentando el calado (aun-que en este caso es posible que la estabilidadtambién se resienta y que partes de la estructu-ra que antes estaban “secas” se vean sometidasa los “impactos del oleaje”. Un “equilibrio” inco-rrecto de estos aspectos puede tener implicacio-nes muy graves para el riesgo/coste en términosdel diseño global. Por todo ello, en el caso deuna jacket de gran tamaño, la selección de labarcaza se efectúa normalmente en una etapamuy temprana del proceso del diseño.

222

4. INSTALACIÓN EN EL EMPLAZAMIENTO MARINO

Esta sección se ocupa de las etapas de lainstalación de la jacket, comenzando por la reti-rada de la jacket de la barcaza hasta su coloca-ción sobre el lecho marino y su estabilidad tem-poral sobre éste. La lección 17.6: Cimentacionescubre el tema del montaje de los pilotes.

4.1 Retirada de la Jacket de la Barcaza A menos que la jacket sea auto-flotante, el

primer paso consiste en retirarla de la barcazade transporte. Se utilizan dos métodos básicos:

• lanzamiento

• levantamiento

4.1.1 Lanzamiento

Normalmente el lugar donde se efectúa ellanzamiento se encuentra próximo al emplaza-miento de la instalación. En el caso de las jac-kets pesadas en aguas poco profundas puedeque sea necesario lanzar la jacket en aguas pro-fundas a cierta distancia del emplazamiento dela instalación y remolcarla hasta allí.

Inmediatamente antes de efectuar el lan-zamiento, se cortan los amarres para el trans-porte marítimo que aseguran la jacket a la bar-caza. Se desplaza la jacket sobre las vías dedeslizamiento situadas en la barcaza (las cualesse utilizaron para el izado a bordo) utilizandocabestrantes. A medida que la jacket se despla-za hacia la popa de la barcaza, ésta comienza ainclinarse y se alcanza un punto en el que la bar-caza se desliza por sí sola. Es posible proporcio-nar una inclinación inicial a la barcaza medianteel lastrado inmediatamente antes del lanzamien-to. Normalmente se persigue una estiba de popade aproximadamente 5°.

Las vías de deslizamiento finalizan enbalancines situados en la popa de la barcaza. Amedida que la barcaza se desplaza sobre las

vías de deslizamiento, su centro de gravedadalcanza un punto en el que se encuentra verti-calmente por encima del pivote del balancín. Lacontinuación del movimiento hace que el balan-cín y la jacket comiencen a girar. Entonces la jac-ket se deslizará hacia el agua impulsada por supropio peso. En las figuras 1a a 1d se muestrandiversas etapas del lanzamiento de una jacket.

Una vez en el agua, la jacket auto-flotantese controla mediante cables largados desderemolques y/o desde el buque de instalación.

Es necesario proyectar y fabricar la jacketde manera que resista las tensiones ocasiona-das durante el lanzamiento. Esto puede conse-guirse bien mediante el refuerzo de los elemen-tos que pudieran verse sometidos a tensionesexcesivas como resultado de la operación delanzamiento o mediante la inclusión en el diseñode la jacket de una viga de celosía especial,habitualmente denominada la viga de celosía delanzamiento. La distancia entre los elementos dela jacket o entre las vigas de celosía de lanza-miento estará dictada por la separación existen-te entre las vías de deslizamiento para el lanza-miento. Así pues, normalmente las jackets seproyectan desde el principio para ser instaladasdesde una barcaza concreta.

Una vez lanzada, la jacket debe flotar conuna reserva de flotabilidad con el fin de frenar elmomento descendente de la jacket. Esto requie-re que la jacket sea hermética. Constituye unapráctica habitual sellar los pilares de la jacket ylas camisas de los pilotes con diafragmas decaucho desmontables con el objeto de obteneruna mayor flotabilidad adicional. No obstante,frecuentemente es necesario disponer inclusode una mayor flotabilidad. Esto se consigue aña-diendo tanques de flotabilidad. Estos tanquesdeben ser desmontables y se colocan allí dondeproporcionen los mayores beneficios. Frecuen-temente se utilizan los tanques de flotabilidad deotros lanzamientos anteriores.

Es obvio que el lanzamiento de una jacketconstituye una fase crítica de su vida. Es nece-sario un gran esfuerzo del diseño con el objetode asegurar la viabilidad de la secuencia del lan-

223

INSTALACIÓN EN EL EMPLAZAMIENTO MARINO

zamiento. Un análisis naval del lanzamientoresulta necesario para:

• asegurar que se mantenga una velocidadde deslizamiento adecuada durante la rota-ción del balancín;

• verificar que la trayectoria seguida permitaun espacio libre seguro con respecto allecho marino;

• determinar el comportamiento de la jacketdurante el lanzamiento;

• definir los requisitos operacionales duranteel lanzamiento, incluyendo la configuracióndel lastre;

• verificar la estabilidad de la jacket, tanto du-rante el lanzamiento como cuando se en-cuentra en auto flotación.

Las representaciones gráficas que semuestran en las figuras 1a a 1d se han extraídode un análisis de este tipo. La jacket tenía unpeso de 14.000 toneladas y la profundidad delagua en el emplazamiento era de 105 metros.Este análisis demostró que serían necesariosaproximadamente dos minutos para el procesoque se extiende desde el comienzo del auto des-lizamiento (figura 1a) hasta que la jacket alcanzasu posición flotante final (figura 1d).

4.1.2 Levantamiento

Actualmente un número cada vez mayorde jackets se instalan mediante levantamientodirecto. Esta tendencia se ha visto propiciada porla disponibilidad de buques grúa de gran tamañocomo, por ejemplo, el Micoperi 7000. En la figu-ra 2 se ofrecen las curvas que muestran la capa-cidad de carga frente al radio del levantamiento.Otro factor que favorece este aumento de las jac-kets de levantamiento directo es el ahorro depeso que se está produciendo en el diseño delas jackets.

Durante un levantamiento directo, la jac-ket se levanta completamente en el aire para

sacarla de la barcaza. El levantamiento asistidopor la flotabilidad constituye un segundo tipo delevantamiento. En este caso se inunda la barca-za y, por lo tanto, se sumerge la jacket. El resul-tado de esta acción consiste en que la jacket seencuentra en estado de flotación, lo que reducelas cargas de los ganchos. Es posible añadir tan-ques de flotación a la jacket si así fuera necesa-rio.

El lanzamiento de las jackets destinadas aaguas poco profundas puede efectuarse en posi-ción vertical. En este caso, la operación de posi-cionamiento en vertical no es necesaria y elmontaje se lleva a cabo directamente. Por reglageneral, las jackets para aguas profundas selevantan desde una posición en la que descan-san sobre uno de sus costados. Normalmente seutilizan dos grúas; téngase en cuenta que lasbarcazas de grúas torre de gran tamaño, como laMicoperi 7000, están habitualmente equipadascon dos grúas. A la hora de considerar un levan-tamiento en tándem, es necesario tener en cuen-ta que es poco probable que ambos ganchossoporten la misma carga y que el peso permisi-ble máximo de la jacket será inferior a la suma delas capacidades de las dos grúas. También esnecesario tener en cuenta que, frecuentemente,las grúas se arriostran con el fin de obtener lamáxima capacidad de carga y que transportanuna carga menor si están rotando. Estos proce-dimientos pueden reducir en mayor medida lacapacidad de carga aparente. Por último, esnecesario tener en cuenta el peso de las eslin-gas, ya que pueden contribuir hasta en un 7% alpeso del levantamiento.

Cuando se va a proceder a la retirada dela jacket de la barcaza de transporte mediantelevantamiento, constituye una práctica habitualque el buque de instalación esté adecuadamen-te fondeado y en posición, de manera que tantoel posicionamiento en vertical como la coloca-ción puedan efectuarse como parte de una únicaoperación de levantamiento integral.

Es obvio que la elección de un buque deinstalación apropiado es esencial. Además de lacapacidad de carga, también es necesario con-siderar la estabilidad y las características de la

224

réplica al movimiento. En el entorno adverso delMar del Norte, los buques de instalación son nor-malmente semisumergibles como, por ejemplo,el Micoperi 7000. En aguas más moderadas confrecuencia se utilizan barcazas de fondo plano.En entornos intermedios, como por ejemplo elGolfo de México, pueden utilizarse buques conforma de barco.

Los grandes buques grúa semisumergi-bles utilizados en el Mar del Norte disponen desistemas totales de posicionamiento dinámicospara situarse en el emplazamiento. Tambiénestán equipados con sofisticados sistemas delastrado controlados por ordenador con el fin demantener el nivel del buque durante las opera-ciones de levantamiento. Durante el levanta-miento, el sistema de lastrado también se utilizapara contrarrestar la escora y aumentar las velo-cidades de elevación y de descenso durante lascruciales operaciones de levantamiento fuera dela barcaza y colocación sobre el lecho marino.

El período natural de los buques de insta-lación grandes en el balanceo, cabeceo y movi-mientos en sentido vertical tiende a estar próxi-mo a los periodos máximos de los espectros delmar que se producen en el emplazamiento. Porlo tanto, estos movimientos son los que predomi-nan. Normalmente, esto significa que se debeevitar el mar de través, puesto que provoca elbalanceo, que es el movimiento que provocamayores alteraciones. No obstante, no siemprees posible adoptar la “mejor posición”, ya queesto depende de la labor que el buque esté lla-mado a desempeñar. Debido a ello, los operado-res de los buques realizan extensos estudios conel fin de determinar los estados del mar permisi-bles para operaciones específicas e, invariable-mente, los capitanes de estos buques “experi-mentan” con diferentes orientaciones en unestado de mar concreto con el objeto de minimi-zar los movimientos y maximizar la capacidad detrabajo.

Las primeras etapas del levantamiento deuna jacket desde la barcaza de transporte inclu-yen el posicionamiento de la barcaza y la uniónde las eslingas al gancho. Normalmente, la bar-caza estará controlada por remolcadores. Una

vez que todo está preparado para que se proce-da al levantamiento, se cortan los amarres utili-zados para el transporte marítimo. La siguienteetapa consiste en transferir el peso de la jacketdesde la barcaza a la grúa. En esta etapa, elrequisito general consiste en efectuar el levanta-miento lo más rápidamente posible. No obstante,es necesario un cuidadoso control y sincroniza-ción de los movimientos de la barcaza y delbuque grúa con el fin de asegurar que la jacket,una vez levantada y sin contacto con la barcaza,no la golpee como consecuencia del paso deuna ola posterior. Este mismo procedimiento delevantamiento es el que se adopta en los casosde levantamiento directo y asistido por la flotabi-lidad.

Una vez que la jacket se ha levantado dela barcaza, ésta es retirada mediante remolcado-res. A continuación, lo normal es proceder direc-tamente al posicionamiento en vertical de la jac-ket.

4.2 Posicionamiento en Vertical y Colocación sobre el LechoMarino de la JacketA menos que se haya transportado y

levantado la jacket en posición vertical, seránecesario ponerla en esta posición en el empla-zamiento de la instalación. El posicionamientoen vertical puede lograrse mediante la inunda-ción controlada de los tanques de flotabilidad,mediante la utilización de un buque grúa omediante una combinación de ambos métodos.

4.2.1 Posicionamiento en VerticalMediante control del lastrado e InundaciónNormalmente, en el caso de las jackets

lanzadas o auto flotantes no es necesario unbuque grúa de gran tamaño. Así pues, el posi-cionamiento en vertical se consigue mediante lainundación controlada. Normalmente hará faltaun buque de instalación pequeño para el monta-je de los pilotes una vez que la jacket ha tocadofondo, de manera que este buque se utiliza como

225


plataforma desde la quese controlan las diversasoperaciones de inunda-ción. Este buque de insta-lación también se utilizarápara ayudar al posiciona-miento de la jacket.

La figura 3 muestraun croquis de la jacketBrae “B” en el que puedenverse los tanques de flota-bilidad auxiliares. En estecaso, el sistema de flota-bilidad constaba de 42válvulas sumergidas pri-marias y 22 de emergen-cia bajo control hidráulicodirecto. La fuente de ener-gía de nitrógeno y los pa-

neles de control asociados se albergaban en cáp-sulas herméticas.

La figura 4 muestra una secuencia de cro-quis que ilustran el proceso del posicionamientoen vertical de una jacket auto flotante. En laetapa 1 se inundan los compartimientos de lalínea de flotación situados en un extremo de lajacket. En la etapa 2 se inundan más tanques dela línea de flotación hasta que en la etapa 3 laestructura superior de la jacket desciende hastael nivel del agua y también puede ser inundada.Entonces se permite que la jacket gire hasta quetodos los pilares están inundados por igual,como en la etapa 4. En ese momento, la posiciónnatural de la jacket será la de flotación en verti-cal, como en la etapa 5. Una mayor inundaciónde la jacket, como en la etapa 6, permitiría hacerdescender la jacket hasta el lecho marino demanera controlada.

El posicionamiento en vertical de una jac-ket lanzada es similar al que se muestra en lafigura 4. La diferencia principal consiste en quees posible que haya un menor exceso de flotabi-lidad para el control de la operación. En estecaso, puede utilizarse una combinación de inun-dación y levantamiento, tal y como se muestra enla figura 5, para efectuar el posicionamiento en

226

Al llegar al sitio empieza la flotación

Paso 1

Flotación controlada de las patas superiores

Paso 3Flotación controlada

Paso 2

Verticalidad casi conseguida

Paso 4Posicionado

Paso 5Emplazada

Paso 6

Superficie del agua

Superficie del agua

Línea del lodo

Figura 4 Instalación y jacket autoflotante

Nota: En este esquema se han omitido algunos elementos estructurales para una mayor claridad

Figura 3 Esquema de jacket Brae “B” donde se muestranlos tanques de flotabilidad auxiliares

vertical y la colocación sobre el lecho marino dela jacket.

Las operaciones de grúa y de lastradodeben definirse claramente antes de dar co-mienzo a la operación. Esto implica un cuidado-so análisis naval de la posición de flotación librede la jacket en las diversas etapas del procedi-miento del posicionamiento en vertical. Una ca-racterística de estos análisis consiste en lanecesidad de considerar qué es lo que ocurriríaen el caso de que los tanques de flotabilidad seinundaran accidentalmente o de que las válvu-las de inundación no funcionaran. Es necesarioproporcionar procedimientos y equipos de emer-gencia.

4.2.2 Posicionamiento en Vertical Mediante la Utilización de Buque GrúaLa figura 5 muestra la utilización más sim-

ple de una grúa para el posicionamiento en ver-

tical y la colocación sobre el lecho marino de unajacket. Esta utilización resulta aceptable en elcaso de jackets que han sido lanzadas. Cuandose trata de jackets orientadas horizontalmenteque se levantan directamente, el procedimientoincluye más aspectos.

El posicionamiento en vertical de una jac-ket levantada horizontalmente puede efectuarsede dos maneras. Quizás la más directa consistaen bajar la jacket hasta el agua de manera queflote. Entonces, pueden retirarse las eslingasexistentes y fijar otras nuevas en la parte supe-rior de la jacket. En ese momento se puede pro-ceder al posicionamiento en vertical de la jackettal y como se indica en la figura 5. Para haceresto puede resultar necesario cerrar los pilares ydisponer de cierta flotabilidad adicional.

Un segundo método consiste en efectuarel posicionamiento directamente, como se mues-tra en la figura 6. Este método precisa de oreje-tas especiales de manera que se pueda producirla rotación necesaria entre las eslingas y la jac-

227


Lastrando el extremo de la barcaza

Paso 1

Moviendo la jacket a lo largo de vigas de deslizamiento

Paso 2

La jacket pivota sobre el brazo basculante

Paso 3

Flotando en el agua

Paso 4

Vuelco con barcaza-grúa

Paso 5

Emplazada

Paso 6

Figura 5 Instalación de la jacket por lanzamiento

ket. También es necesario un cuidadoso análisisnaval con el fin de determinar satisfactoriamente

las cargas de los ganchos y asegurar que la jac-ket permanezca estable.

228

Paso 1 Izado desde la barcaza Paso 2 Vuelco: fase 1

Paso 3 Vuelco: fase 2 Paso 4 Asentamiento en la posición final

Figura 6 Instalación de la jacket por levantamiento

Una vez en posición vertical, la jacketpuede colocarse sobre el lecho marino. Puestoque los puntos de levantamiento están sumergi-dos, es posible que la desconexión de las eslin-gas de la jacket sea efectuada por buzos.

Si bien en la figura 6 se muestra una grúade dos ganchos, debe tenerse en cuenta que, enel caso de jackets ligeras, es posible efectuaresta operación utilizando una grúa simple. Eneste caso los ganchos principales y auxiliares seusan en combinación; el gancho principal, porejemplo, puede hacerse cargo del peso de la jac-ket mientras que el gancho auxiliar proporcionala fuerza para el posicionamiento en vertical.

Una tendencia cada vez más habitualconsiste en instalar las jackets sobre un pozo opozos ya existentes. Puesto que para el posicio-namiento de los pozos se habrá utilizado unaplantilla de perforación, esta misma plantilla seutiliza para la colocación de la jacket. Es nece-sario garantizar la protección de las cabezas delos pozos frente a los daños causados por elcontacto accidental con la jacket.

Una vez colocada, es necesario poner lajacket en nivel o casi en nivel y nivelarla dentro delas tolerancias especificadas en el plan de insta-lación. Una vez nivelada, es necesario tener cui-dado de que la jacket mantenga el perfil de equi-librio y la posición de nivel durante lasoperaciones subsiguientes. La nivelación de lajacket con posterioridad a la instalación de todoslos pilotes debe evitarse siempre que sea posible,ya que se trata de una operación costosa y fre-cuentemente ineficaz. Si fuera necesario, la nive-lación se debe efectuar después del hincamientode un número mínimo de pilotes mediante levan-tamiento o por medio de gatos. En este caso sedeben utilizar procedimientos que minimicen lastensiones de flexión en los pilotes.

4.3 Estabilidad sobre el LechoMarinoUna vez colocada sobre el lecho marino,

lo habitual es efectuar el pilotaje tan rápidamen-te como sea posible. No obstante, a estas alturas

del procedimiento de montaje es posible que lascondiciones meteorológicas y, por lo tanto, elestado del mar, se estén deteriorando. Esto ocu-rre como resultado de que las previsiones mete-orológicas a largo plazo son menos fiables quelas hechas a corto plazo. También debe tenerseen cuenta que cualquier problema surgidodurante el procedimiento de montaje produciráretrasos y que puede pasar un tiempo antes deque la jacket esté fijada adecuadamente al lechomarino mediante el pilotaje.

Es necesario que la jacket esté estable ynivelada durante el pilotaje. Por lo tanto, se efec-túa un análisis independiente de la estabilidadsobre el lecho marino. Es necesario que se satis-fagan tres condiciones:

(1) resistencia vertical al peso de la jacket ya las cargas del pilotaje;

(2) estabilidad frente al deslizamiento bajo lacarga del oleaje/corriente;

(3) estabilidad frente al vuelco bajo cargasdel oleaje/corriente.

A la hora de efectuar los análisis anterio-res, es necesario utilizar el estado del mar apro-piado para generar las cargas hidrodinámicas.Este estado debe consistir en estudiar la olamáxima que pudiera producirse antes de que secompletara el pilotaje. Partiendo de la hipótesisde que el montaje se efectuara durante los mesesde verano, un criterio típico podría ser la ola detemporal de verano de un período de un año.

Las provisiones que es necesario adop-tar con el fin de asegurar la estabilidad sobreel lecho marino varían en gran medida depen-diendo del emplazamiento de la jacket, altura ycondiciones del suelo del lecho marino. Porejemplo, cuando las condiciones del suelo sonbuenas, la jacket puede apoyarse directamen-te sobre partes de acero de la jacket ya exis-tentes, sin necesidad de otras provisiones. Noobstante, cuando las condiciones del suelo noson satisfactorias, es posible que resultennecesarias “placas base” de gran tamaño conel fin de distribuir la carga. Éstas pueden influir

229


sobre la dinámica del lanzamiento y del mon-taje.

En muchos casos no es posible conseguirla estabilidad frente al deslizamiento y el vuelcomediante la utilización de placas base planas. Enestas circunstancias se utilizan placas base conzócalos. Los zócalos mejoran considerablementela resistencia al deslizamiento y, en suelos arcillo-

sos o limosos, pueden permitir que la carga detracción nominal resista el vuelco. Otra opción fre-cuentemente utilizada consiste en hincar variospilotes tan pronto como se ha colocado la jacket.Estos pilotes penetrarán una cierta distancia bajosu propio peso, proporcionando una resistenciaadicional al deslizamiento. Puesto que la mayorparte de los pilotes están inclinados, también pro-porcionan un cierto grado de resistencia al vuelco.

230

5. RESUMEN FINAL

• Existen, en líneas generales, cuatro fasespara la instalación de una jacket de acero:izado a bordo, amarre para el transportemarítimo, transporte marítimo e instalaciónen el mar.

• A la hora de decidir cuál es la mejor mane-ra de fabricar e instalar una jacket en con-creto, las opciones se determinan funda-mentalmente en base tanto a los equiposde instalación disponibles como a la profun-didad del agua en el emplazamiento de laplataforma.

• Es necesario preparar un plan de instala-ción para cada instalación concreta. Elizado a bordo supone el movimiento de laestructura completada para colocarla sobrela barcaza que la transportará al emplaza-miento en el mar.

• El amarre para el transporte marítimo impli-ca los ajustes y soldaduras para crear loslazos suficientes entre la jacket y la barcazaque impidan que ésta se desplace duranteel transporte al emplazamiento de la plata-forma.

• El transporte de componentes pesadosdesde el astillero de fabricación hasta elemplazamiento en el mar constituye unaactividad crítica que requiere una progra-mación y unos cálculos muy cuidadosos.

• La retirada de la jacket de la barcaza seefectúa o bien mediante levantamientodirecto con una barcaza de grúa torre,haciéndola descender hasta su posición, omediante lanzamiento. Tanto para el lanza-miento como para la colocación sobre ellecho marino de la jacket son necesariosvarios estudios de ingeniería.

6. BIBLIOGRAFÍA

[1] API RP2A, Recommended Practice forPlanning, Designing and Construction of FixedOffshore Installations, latest edition. Principios yprácticas del diseño de ingeniería desarrolladosdurante la explotación de los recursos petrolífe-ros mediante plataformas.


1 Det Norske Veritas Marine OperationsRecommended Practice RP5 - Lifting (June1985). Principios y prácticas adecuadas paralevantamientos pesados en las plataformaspetrolíferas.

2 AISC Specification for the Design, Fabricationand Erection of Structural Steel for Buildings,latest edition. El reglamento API se remite a estanorma para el cálculo de las tensiones admisi-bles básicas de todos los elementos de la jacket.

3 AWS Structural Welding Code AWS D1.1-88.El reglamento de API exige que todas las cualifi-caciones para las soldaduras y procedimientosde soldeo se emprendan de acuerdo a estereglamento.

4 Det Norske Veritas, Rules for the Design,Construction and Inspection of OffshoreStructures, 1977. Reglas para la construcción einstalación de jackets de acero, tal y como exigeDNV.

5 Lloyds Register of Shipping, Rules andRegulations for the Classification of FixedOffshore Installations, 1989. Basado en la expe-riencia de Lloyd’s relativa a la certificación demás de 500 plataformas en todo el mundo.

231

BIBLIOGRAFÍA ADICIONAL



Lección 17.10: Superestructuras I

233

235

OBJETIVOS/CONTENIDO

OBJETIVOS/CONTENIDO

Introducir los requisitos funcionales; iden-tificar las fases principales del proceso, equipo,logística y seguridad; introducir los conceptosestructurales para las jackets y elaborar el dise-ño estructural para los módulos sobre estructu-ras verticales de hormigón (E.V.H.).


Lecciones 1 y 2: Construcción en Acero

Lección 3.4: Calidades y Tipos de Ace-ro

Lección 3.5: Selección de la Calidad delAcero

Lecciones 4.1: Fabricación General de Es-tructuras de Acero

Lección 8.3: Modelos de InestabilidadElástica

Lección 9.6: Pilares compuestos

Lecciones 10.4: Comportamiento y Diseñode Vigas Armadas

Lecciones 13.2: Generalidades sobre Unio-nes Soldadas

Lección 14.2: Introducción Avanzada a laFatiga

Lecciones 17: Sistemas Estructurales -Plataformas Petrolíferas

RESUMEN

Se discute la distribución del suelo supe-rior, haciendo referencia tanto a API-RP2G [1]como a varios aspectos del control de la coordi-nación y del control del peso.

Se presentan y describen los diferentestipos de estructuras de los módulos (de acuerdocon el tipo de infraestructura, jacket o E.V.H.).Estos tipos son:

1. Módulo integrado.

2. estructura de soporte del módulo.

3. módulos.

Se presentan los conceptos relativos a lospisos y se discuten varios aspectos de la con-cepción de la construcción de los pisos de chapa.

1. INTRODUCCIÓN

Esta lección se ocupa de losaspectos generales de la concep-ción de la construcción de losmódulos de las plataformas petrolí-feras.

El módulo de una estructurapetrolífera alberga el equipamientoy sirve de apoyos para los módulosy accesorios tales como los aloja-mientos, el helipuerto, antorcha,torre de comunicaciones y apoyosde las grúas.

El concepto estructural del módulo estáinfluido en gran medida por el tipo de infraes-tructura (jacket o E.V.H.) y por el procedimientode construcción (véase las figuras 1 y 2.)

Los módulos, de más de 10.000 tonela-das, están provistos de una estructura de apoyosobre la que se dispone una serie de módulos.Actualmente, los módulos de menor tamaño,tales como los existentes en la zona sur del Mardel Norte, se instalan ya completos con todossus equipos en un solo levantamiento con el finde minimizar el número de uniones que es nece-sario efectuar en el emplazamiento marino. Estalección hace referencia en su mayor parte a estetipo de módulos integrados, como el que semuestra en las figuras 3 y 4.

La selección del concepto de módulo esuna labor que se efectúa en colaboración conlas demás disciplinas.

236

Posicionado del módulo

Torres de perforación

Producción de módulos

Bomba de combustión

Pórtico de soporte modulado

Jacket

36 conductores (incluidos los surtidores de petróleo y agua)

Pilotes de cimentación

Obsérvese el montaje de las vigas en la jacket y las guías de los pilares convencionales

Figura 1 Jacket basada en la estructura modulada

Forjas cruciformes

Anillo de transición en acero fundido

Área de transición EA

Figura 2 Estructura de soporte modulada para subestructuras basadas enla gravedad

237

INTRODUCCIÓN

Vigas compuestas de canto 1500 (typ)

5 15 5

5 15 15 5

7,5

7,5

1500 typ.φ

Luz de los trancaniles

Planta de suelo tipo

Figura 3 Plataforma de tipo pórtico usada en el sector holandes del Mar del Norte

E

D C

85�

84�

83�

82�

81

Planta

85 84 83 82 81

5000 5000 5000 5000

E D C

5000 6000 18000 18000 6000

Línea E del emparrillado Línea 81 y 85 del emparrillado

La viga en la línea 83 del emparrillado no se muestra; es idéntica a la 81, sin los pilares del suelo por debajo

Figura 4 Estructura de plataforma de vigas de celosía

2. ASPECTOS BÁSICOS DEL DISEÑO

2.1 Espacio y ElevacionesEl primer paso a la hora de desarrollar un

nuevo concepto del diseño consiste en la consi-deración de todos los requisitos de la estructuradel módulo. A continuación se discuten los requi-sitos del diseño y su impacto sobre el sistemaestructural.

La distribución del módulo está influidapor el tipo de procesado de los hidrocarburosque se lleve a cabo.

El área necesaria para el equipo, tubos yrecorridos del cableado, la tolerancia de altura ylos requisitos de acceso/escape determinantanto el área del módulo como las elevaciones.

La altura de las cubiertas inferiores de-pende de las condiciones del entorno. La alturade la cubierta inferior, se basa en la altura máxi-ma de la cresta de la ola calculada, incluyendo elpotencial de temporales y mareas, más un espa-cio de aire mínimo de 1,5 m.

Normalmente, en el Mar del Norte la dis-tancia vertical entre las cubiertas del módulooscila entre 6 - 9 m.

Es muy importante tener en cuenta ladirección predominante del viento a la hora dedeterminar la posición de los diversos compo-nentes sobre la plataforma, tales como la antor-cha, las grúas, el helipuerto, etc; y también lasprovisiones logísticas y de seguridad.

2.2 Requisitos de la Distribución

A continuación se ofrece una breve des-cripción, basada en API-RP2G [1], de los requi-sitos de los diversos componentes del módulo.

Pozos: la posición de los pozos depende de si superforación y trabajos se efectuarán utilizando unatorre de perforación autoelevadora en ménsulaindependiente o mediante una torre de perforación

situada sobre la plataforma. En el primer caso, lospozos deben estar cercanos al borde de la plata-forma y requieren la existencia de un área de con-siderables dimensiones, por encima de ellos, librede obstáculos. En el segundo caso, es necesarioproporcionar un par de vigas de alta resistenciacon el fin de soportar la unidad de perforación.

Equipo, tubos y soportes para los cables:todos los dispositivos para el tratamiento del pe-tróleo o del gas deberán satisfacer los requisitosde API-RP2G [1].

Alojamientos y helipuerto: el helipuerto debesituarse en las proximidades de los alojamientoscon el fin de permitir una rápida evacuación.Generalmente, el helipuerto se sitúa en el árealibre de obstáculos situada encima de los aloja-mientos.

Módulo compresor de gas: la presión de lasreservas de gas disminuye debido a la explota-ción. Es posible que la compresión sea necesa-ria en el futuro con el fin de conseguir un flujo degas aceptable en el gaseoducto.

Módulo de inyección de agua o de gas: la pro-ducción de petróleo disminuye tras varios añosde explotación. En ese momento, es necesarioestimular las reservas mediante, por ejemplo, lainyección de agua.

Grúa del módulo: el emplazamiento de la grúadebe seleccionarse de tal manera que se obten-ga la mayor cobertura del módulo y el gruístapueda mantener contacto visual tanto con elobjeto levantado como con el buque de suminis-tro. Este emplazamiento debe estar situado fueradel área libre de obstáculos del helipuerto y nodebe interferir con instalaciones futuras.

Chimenea o antorcha: una chimenea de esca-pe libera los productos gaseosos en el aire sinquemarlos; una antorcha libera y quema estosproductos. Tanto las chimeneas de escape comolas de combustión deben estar situadas fuera delas áreas peligrosas y lejos del helipuerto. Lapunta de estas chimeneas superará la altura delhelipuerto por lo menos en 100 pies. Se deberácomprobar la irradiación de calor.

238

Torre de comunicaciones:

Es necesaria unainstalación elevada con el fin de proporcionar unapoyo libre de obstáculos a las antenas decomunicaciones. Se necesita un apoyo rígidocon el objeto de satisfacer el estricto criterio dela flecha.

Cápsulas de supervivencia y grúa de evacua-ción: normalmente las estructuras de apoyo deestos elementos se encuentran en ménsula des-de la estructura principal. La carga de impacto yla amplificación dinámica aumentan las reaccio-nes en el apoyo durante la operación.

Pasarelas, escalas y escaleras: estos elemen-tos deben mantenerse libres de obstáculos, seranti-deslizantes y tener la anchura suficiente quepermita la evacuación del personal en camilla.

Cerramientos, paredes, puertas y persianas:el tipo de cerramiento depende de los requisitosoperacionales y de las preferencias de la com-pañía petrolífera. Debido a razones de seguri-dad, es posible que las paredes y las puertastengan que satisfacer unos requisitos específi-cos relativos a explosiones y resistencia al incen-dio. Las persianas se pueden utilizar para permi-tir la ventilación natural, al tiempo que evitan laentrada de la lluvia, nieve o pájaros.

Áreas para la distribución de equipos, recam-bios y consumibles: estas áreas se disponenen ménsula desde la estructura principal con elfin de permitir el acceso de la grúa del módulo alos niveles de las cubiertas inferiores, sin necesi-dad de disponer escotillas a través de las cubier-tas.

Escotillas: el acceso a los pisos inferiores den-tro del radio de acción de la grúa es necesariocon el fin de posibilitar el mantenimiento, repara-ciones y modificación de la plataforma. Es nece-sario identificar las escotillas en una etapa inicialdel diseño.

Tuberías de conducción, caissons, sumide-ros: La sección de la tubería de conducciónsube desde el lecho marino hasta el módulo.Introduce cargas verticales y horizontales (delentorno y de trabajo) en la estructura del módu-

lo. Los caissons para las bombas y los sumide-ros para la descarga se cuelgan de la cubiertainferior e introducen cargas horizontales y verti-cales significativas en el módulo.

Drenajes: es necesario que se instalen drenajespara que los vertidos caigan sobre cubetas reco-lectoras situadas bajo los equipos y tambiénpara la recogida del agua de lluvia contaminadacon petróleo con el fin de evitar su vertido al mar.

Elementos pasantes de cubiertas: es posibleque los tubos de unión de procesos-elementossituados en niveles diferentes y los depósitos,recorridos del cableado, etc, necesiten la existen-cia de un área importante libre de elementosestructurales. Es necesario identificar estos ele-mentos pasantes de cubiertas en una etapa ini-cial del diseño y coordinar su ubicación con la delos elementos estructurales principales.

Otras provisiones: también es posible que seannecesarios elementos tales como monocarriles ypasarelas de inspección.

2.3 Cargas

En la lección 17.3 se han identificado ycuantificado parcialmente los diferentes tipos decargas.

Las cargas que se van a discutir en estasección son el peso propio, la carga no perma-nente del tanque lleno y la carga del viento. Elpeso propio incluye el peso de la estructura,equipos, tubos, cableado, maquinaria y elemen-tos auxiliares. La carga del tanque lleno cubre elpeso del agua potable, combustible diesel, com-bustible de los helicópteros, glicol, metanol, lodopara cegar pozos, aceite de lubricación, dese-chos, etc.

La carga no permanente también cubretodo tipo de cargas varias tales como consumi-bles en sacos o paletizados, repuestos, equipode mantenimiento, etc.

La aplicación de la carga no permanentees normal a los módulos. A la hora de realizar el

239

ASPECTOS BÁSICOS DEL DISEÑO

diseño, es necesario disponer de criterios deingeniería en lo relativo a:

• la magnitud de la carga que se va a aplicara los diversos elementos estructurales:

- trancanil con carga directa

- bao de cubierta

- viga de celosía de cubierta

- pilar de cubierta

- jacket

- pilote

- resistencia del cojinete del pilote

• el área sobre la que se va a aplicar la cargano permanente. En el reglamento este árease describe como el área no ocupada.

En lo referente a la resistencia local, laspasarelas, vías de escape, etc, se consideranzonas no ocupadas por los equipos y, por lotanto, con cargas no permanentes.

En lo referente a la resistencia global, laspasarelas, vías de escape, etc, se consideranocupados (mantenidos libres de obstáculos parala evacuación) y, por lo tanto, no se aplica cargano permanente.

• la distribución de cargas que genera la má-xima tensión. Es necesario desarrollar unapolítica con respecto a este punto, que debeindicar tanto la variación de cargas sobreuna cubierta como sobre varias.

Es necesario evaluar adecuadamente lascargas del viento. En lo relativo a la integridadestructural global, el complejo perfil de la plata-forma plantea problemas a la hora de evaluar elárea efectiva para la carga del viento. Algunoselementos especiales tales como torres decomunicación y antorchas exigen el tratamientode estructuras sensibles al viento.

Con el fin de controlar el proceso del dise-ño, el personal de gestión de éste efectuará elpesaje, tal y como se explica a continuación en

el apartado 2.5. Todos los análisis estructuralesdeben realizarse de acuerdo con la informaciónmás reciente disponible en el informe de pesaje.Esto exige que tanto el expediente de carga parael análisis estructural como el informe de pesajesean compatibles con respecto al peso total, dis-tribución del peso y centros de gravedad.

2.4 Control de Interconexiones

Las muchas funciones del módulo provo-can que el número de disciplinas involucradas enel diseño también sea elevado.

Debido al elevado coste que conlleva elproporcionar espacio en la plataforma, es nece-sario proyectar la instalación de manera que seamuy compacta. Este requisito provoca la existen-cia de varias áreas importantes de control inter-disciplinario.

• distribución del espacio: la estructura no debehacer uso de espacio asignado para los equi-pos o las rutas de acceso. Es necesario res-petar la distancia entre tubos, recorridos delcableado, equipos y la cubierta superior.

• control directo de interconexiones: las bom-bas, depósitos y tuberías necesitan sopor-tación en la estructura metálica.

• Interconexión entre la perforación y las ope-raciones complementarias.

• Interconexión entre la grúa y helipuerto, mó-dulo de vivienda, unidad de perforación y an-torcha.

• Interconexión con la tubería de conducciónde exportación.

• Interconexión entre los módulos.

• Interconexión entre el módulo y el puentede la plataforma adyacente.

• Interconexión con la subestructura.

2.5 Ingeniería de PesajeEl peso de la instalación global, así como el

de sus principales componentes es crítico. La faltade control sobre el peso puede provocar costosas

240

modificaciones en el Diseño y enlas disposiciones principales conel objeto de no rebasar los límitesde la filosofía del proyecto.

La ingeniería del peso con-siste en:

• pronóstico del peso

• informe del peso

• control del peso

• pesaje

El pronóstico del peso es lametodología que aplica un recargode incertidumbre de hasta +30%durante la fase conceptual delDiseño y de +5% en la fase final defabricación (véase la figura 5.)

241

ASPECTOS BÁSICOS DEL DISEÑO

Valor típico: 30%

Peso que incluye sobrecarga incierta Reducción de la sobrecarga

incierta con el tiempo y el progreso

Estimación óptima

Peso calculado

Cálculo y medición del peso

Peso compro-

bado

Valor típico 5%

Proyecto

básico

Proyecto

de detalle

Proyecto y

fabricación

Fabricación

final

Tiempo/ progreso

Figura 5 Reducción de la incertidumbre del peso

3. SISTEMAS ESTRUCTURALES

3.1 Selección del Módulo paralas estructuras PrincipalesSoportadas en Jackets

La selección del tipo de módulo constitu-ye el segundo paso del desarrollo de un sistemaestructural. Las dos posibles alternativas bási-cas: tipo viga de celosía (figura 4) o tipo portica-do sin refuerzos (figura 3) se comparan en latabla 1.

La selección del concepto de tipo demódulo, viga de celosía o pórtico, está asociadacon la decisión que se adopte con respecto a laposición de la estructura longitudinal en la sec-ción transversal. En un módulo de 20-25 m deanchura, las vigas de celosía se disponen nor-malmente en filas longitudinales: la línea media yambas paredes exteriores (figura 6).

No obstante, en este tipo de módulo lospórticos se disponen en dos filas longitudinales,a una distancia aproximada de 14-16 m, permi-tiendo estructuras en voladizos de aproximada-mente 5 m (figura 3).

3.2 Selección de los Módulossobre Estructuras verticalesde Hormigón (E.V.H.)Los módulos de las estructuras de hormi-

gón presentan grandes diferencias con losmódulos soportados por jackets (véase la figura17.1.) El módulo representa un elemento impor-tante en el sistema global de tipo porticado. Lasestructura de hormigón se han construido con unnúmero de ejes que oscila de uno a cuatro. Seha adoptado una disposición rectangular o en T

de los cuatro ejes. La forma básica consiste enun módulo compartimentado con un emparrilla-do de vigas en cajón de alta resistencia.

A continuación se indican tan sólo unospocos elementos del Diseño estructural delmódulo de una estructura de hormigón:

• debido a la acción del pórtico, la cubiertaestá sometida a la fatiga; un caso difícil decontrolar en el Diseño de un módulo.

• la optimización de la disposición del equipo,tubos y recorridos del cableado, la logística

242

Nº Concepto Tipo viga Tipode celosía porticado

1 Ausencia de interferencia entre disciplinas – + +

2 Flexibilidad durante la construcción – + +

3 Flexibilidad durante la operación – + +

4 Trabajo de taller automatizado – + +

5 Altura de la construcción + + 0

6 Inspección – + +

7 Mantenimiento – +

8 Peso de la estructura + 0

9 Reserva de resistencia + + +

10 Potencial para acero de alta resistencia + + +

11 CAPEX estructural + +

12 CAPEX de la plataforma + + +

Nota: + + Indica un mayor beneficio.– Indica una desventaja mayor.

Tabla 1 Comparación de los conceptos para las estructuras principales soportadas en jackets

y las salidas de emergencia requiere gran-des aberturas y perforaciones de las pare-des de chapa, creando, por lo tanto, gran-des concentraciones de tensiones.

• es necesario ejercer un estricto controlsobre las fijaciones de las estructuras se-cundarias y de los apoyos para equipos/tubos/cableado a la estructura principal conel fin de evitar problemas de fatiga.

• el área de unión con el cuerpo de hormigóndebe proporcionar la transición desde elperfil circular (cuerpo) al cuadrado (módu-lo). Este área alberga barras de anclaje dealta resistencia, dispositivos temporalespara el acoplamiento con el módulo yrequiere tolerancias con respecto a lasdimensiones tanto del módulo como de lainfraestructura.

• es necesario planear cuidadosamente lasopciones para la inspección y el manteni-miento, especialmente debido a que puedeproducirse fatiga.

Generalmente, el material que se utilizaactualmente es acero de alta resistencia con una

límite elástico de 355 MPa. Tambiénse observa una tendencia hacia lautilización de aceros de mayor resis-tencia (420-460 MPa).

3.3 Tipos de Piso

El tipo de piso en las estruc-turas petrolíferas es convencional:vigas laminadas en caliente, nor-malmente a una distancia entreejes de 1000-1200 mm, cubiertascon chapa de acero plana o estria-da de un espesor de 6-10 mm.

Las opciones disponibles son:

• piso de acero convencional

• emparrillado de acero (tipo barrao tipo chapa)

• estructura del piso de aluminio

• piso ortotrópico de acero

• chapa de acero corrugada

La estructura del piso convencional deacero representa aproximadamente la mitad delpeso de la estructura metálica de las plataformaspetrolíferas.

Es posible que la utilización de los empa-rrillados de acero, especialmente los de tipochapa, experimente un aumento debido a que supeso por metro cuadrado resulta muy favorable.

Recientemente se ha observado un graninterés por el aluminio; el desarrollo de estematerial que se está efectuando actualmente enNoruega revelará su potencial real.

Los pisos ortotrópicos de acero se hanaplicado en el helipuerto. Todavía no se disponede los estudios suficientes que permitan evaluarsu viabilidad real para los pisos de los módulosde las plataformas petrolíferas.

En los alojamientos, se ha utilizado lachapa de acero corrugada (de un espesor apro-ximado de 1-3 mm) como base del piso.

243

SISTEMAS ESTRUCTURALES

Chapa de piso

Vigas de forjado

Trancanil

Estructura principal

HE500A

HE500A

HE500A

HE500 A

HE500 A

HE500A

HE500A

HX1000 A

HX1000 A

HX

1000

A

HX

1000

A

HX

1000

A

HX

1000

A

HX

1000

A

HX

1000

A

HL1

000

A

HL1

000

A

Figura 6 Emparrillado estructural básico para un suelo sobre jacket

En resumen, el concepto que se utilizapara las estructuras típicas de los pisos de lasplataformas petrolíferas de los módulos consisteen una estructura convencional de acero o en unemparrillado de acero.

3.4 Tipos de paneles de pisopara pisos con aceros convencionalesEl panel del piso, definido como el monta-

je de la chapa del piso y el trancanil, puedeconectarse a la estructura general de dos mane-ras:

• mediante superposición: el trancanil coloca-do sobre los baosde la cubierta.

• a nivel: el trancanil soldado entre el baode la cubierta, con el ala superioren un plano. Resulta práctica-mente imposible cambiar de ladisposición a nivel a la de super-posición en una etapa posteriordel Diseño.

Todas las alturas y huelgos juegan unpapel en la elección de una distribución. Losmárgenes de espacio libre son de una granimportancia en lo relativo a la altura del equipo,recorrido de los tubos, tensión de los tubos, reco-rrido del cableado, etc. El aspecto subestructuralindependiente más importante consiste en elgrado de prefabricación abierta que es posibleefectuar fuera del astillero de fabricación princi-pal. El coste también es un factor de gran impor-tancia.

3.5 Estabilización del Piso

La estructura del módulo requiere la esta-bilización lateral de cada piso con respecto a:

• la inestabilidad lateral de los baos

• las fuerzas horizontales, como por ejemploel viento, reacciones de los tubos, transpor-te marítimo

• componentes horizontales de los refuerzospermanentes

• componentes horizontales de los refuerzostemporales como, por ejemplo, el amarrepara el transporte marítimo

• componentes horizontales de las fuerzas delas eslingas

• inclinación de los módulos durante el mon-taje

Existen básicamente dos opciones para laestabilización del piso:

• disposición de arriostramientos horizontalesindependientes colocados bajo el piso

• asignar la función estabilizadora a la chapadel piso.

Existe una clara preferencia por la estabi-lización mediante la chapa del piso. Cuando seadoptan los arriostramientos colocados bajo elpiso, se producen dos opciones para la configu-ración (véase la figura 11). Para el módulo sedebe elegir la solución romboidal, debido a lacongestión del pilar producida por los cáncamosutilizados para el levantamiento. La situaciónestructural que se produce cuando se coloca elarriostramiento bajo un piso de chapa es confu-sa. Se asume que el arriostramiento se hacecargo de la función estabilizadora en su totali-dad, pero en la práctica la chapa del piso esdemasiado rígida para permitirlo. Es una prácti-ca habitual, en los análisis estructurales para losarriostramientos colocados bajo el piso, ignorarcompletamente la chapa.

244

4. DISEÑO DE LA CUBIERTA

4.1 Introducción

En secciones anteriores ya se ha consi-derado la selección de las principales dimensio-nes del módulo en relación con los requisitos dedistribución.

La distancia entre pilares se obtiene comoresultado del proceso interactivo del Diseño de lajacket y del módulo. En el sector holandés delMar del Norte, la distancia entre los pilares trans-versales es generalmente de 9 m en el caso deplataformas de extracción y de 15 m en el de pla-taformas de producción. Normalmente la distan-cia longitudinal es de 15 m.

A continuación es necesario adoptar unadecisión en lo relativo a:

• estructura del piso: chapa frente a emparri-llado.

• estructura principal: viga de celosía frente apórtico

• tipo de panel del piso: superpuesto frente anivel

• estabilización del piso: arriostramiento colo-cado bajo el piso frente a chapa.

En este momento se ha completado elconcepto estructural.

Un principio para la economía del Diseñode las estructuras metálicas consiste en que losrecorridos de las cargas deben ser cortos.

Las dimensiones típicas para el Diseñodel piso de un módulo de producción son lassiguientes:

Elemento estructural Vano típico

1. chapa del piso 1 m

2. trancanil (longitudinal) 5 m

3. bao de cubierta (transversal) 15 m

4. estructura principal (longitudinal) 15 m

5. pilar

Estos componentes se identifican en lafigura 6.

4.2 Chapa del Piso

Diseño

Las opciones consisten en elegir entrechapa plana, chapa estriada o chapa desmonta-ble. Otra opción disponible para proporcionarresistencia al deslizamiento consiste en emplaste-cer con un acabado arenoso. Normalmente elespesor de la chapa del piso es de 8-10 mm y de6 mm para los pisos sometidos a cargas más lige-ras, aunque es posible que la deformación debidaa la soldadura descarte el espesor de 6 mm.

En la práctica la chapa del piso se com-porta como un arriostramiento horizontal entrelos pilares.

Es necesario tener un cuidado especialcon el fin de asegurar que ninguna de las solda-duras entre la chapa del piso y la estructura sub-yacente creen puntos frágiles. El colapso de estetipo de soldaduras podría producir la iniciaciónde una fisura en el resto de la estructura.

El mismo cuidado de debe aplicar al pan-deo de la chapa del piso producido por tensionesrecogidas involuntariamente.

Resistencia de la Chapa del Piso

La resistencia de la chapa del piso es muyelevada, tanto en el caso de las cargas unifor-mes como en el de las concentradas.

La elasticidad, la teoría de pequeñas flechasproducen resultados antieconómicos.

API-RP2A (2) no especifica cargas no per-manentes. Es el operador quien las especifica.

Las cifras habitualmente aceptadas paralas cubiertas principales son:

p = 20kN/metros cuadrados, o

F = 10-25 kN sobre un área de carga de 0,3 x 0,3 m

245

DISEÑO DE LA CUBIERTA

Det Norske Veritas [3] presenta unaexpresión para el espesor de la chapa t necesa-rio que incorpora el efecto membrana y quereviste un interés especial para el cálculo de lascargas locales.

Habitualmente la grúa descarga el equipoy los contenedores sobre algunas áreas delcubiertas, tales como las áreas de distribución ylas plataformas para los contenedores de ali-mentos. Es posible que sea necesario un incre-mento del espesor en estas áreas debido alaumento de la magnitud de las cargas concen-tradas (1).

4.3 Trancaniles

El trancanil típico para una plataforma deproducción es un perfil IPE 240-270 o HE 240-280A colocado a una distancia de apoyos de 1 my salvando un luz de 5 m.

Es importante elegir, especialmente en elcaso de los paneles del piso superpuestos, unperfil que permita la selección de secciones máspesadas de una altura prácticamente idénticacon el fin de albergar equipos pesados locales.

Los diseñadores deben evitar la elec-ción de secciones de mayor altura o surefuerzo con el fin de hacer frente a requisi-tos de carga extra posteriores mediante lasoldadura de otra sección por debajo.Cuando se procede de esta manera es muyprobable que se produzcan interferenciascon tuberías de pequeño diámetro o conbandejas de cables.

La unión de la chapa del piso y lostrancaniles debe efectuarse mediante solda-dura. Generalmente la soldadura intermiten-te no resulta aceptable. Normalmente, seespecifica una soldadura fina continua (a = 4mm). El esfuerzo cortante en esta soldaduraes bastante reducido.

La unión entre el trancanil y el bao delcubierta varía de acuerdo con el tipo depanel del piso elegido.

• los pisos superpuestos tienen una soldadu-ra a filete continua alrededor del área decontacto del ala y normalmente no presen-tan rigidización del alma de los trancaniles.

si la parte superior del bao de cubiertaresulta inaccesible para el mantenimiento,algunas operadores requerirán la soldadurade chapas de sellado entre el bao decubierta y la chapa del piso. Este procedi-miento tiene un coste elevado. En la figura7 se ilustra una unión típica.

Es preferible que la decisión relativa al tipode unión del trancanil se adopte antes deefectuar el pedido del material.

• pisos a nivel. La soldadura del piso entre losbaos del tablero requiere la retirada del alasuperior del trancanil cerca de su extremo,así como un ajuste perfecto entre los baosde cubierta y el piso. También es necesariala prefabricación de los baos de cubierta.

4.4 Baos de CubiertaNormalmente, los baos de cubierta que

sirven de apoyo a los paneles del piso o que pro-

246

Trancaniles

Ajuste entre paneles de piso

Panel de piso Panel de piso

Trancanil IPE

Viga de sueloAjuste de la chapa frontal de espesor variable

Figura 7 Detalle de unión de trancaniles sobre vigas de suelo paraun concepto de piso flotante con paneles prefabricados

porcionan un apoyo directo a los equipos princi-pales consisten en vigas HE 800-1000, a pesarde que también se utilizan las HL1000 (400 mm de anchura) o HX1000 (450 mm de anchura) en elcaso de cargas de mayor magnitudo de luces mayores.

La unión más importante enel bao de cubierta es la que se pro-duce con la estructura principal.

La disposición del empalmeestá determinada en gran medidapor el tipo de la prefabricación y porel alzado de las alas. Esta configu-ración varía entre el concepto desuperposición y el concepto a nivel.

Piso en Superposición

Las figuras 8 y 9 ilustran los pro-blemas.

En el caso del concepto desuperposición plena (figura 9), en elque tanto el bao principal transversalcomo el longitudinal se colocan enuna posición inferior, la soldadura delas alas superiores se puede practicardirectamente.

Únicamente es posible soldarel ala inferior, generalmente de unespesor de 40 mm, al alma, que nor-malmente tiene un espesor de 20-25mm, si se asegura la alineación deambas alas.

El ala inferior de la estructuraprincipal debe estar por lo menos 250mm por debajo, con el fin de permitirel resanado del cordón de raíz.

En el caso menos adecuadodel concepto de la superposición par-cial, en el que tan sólo se coloca enuna posición inferior la viga maestratransversal, la unión para el ala supe-rior del bao transversal es más difícil.Se debe rechazar la soldadura directa

del ala superior del bao al alma. En la figura 9 semuestran las opciones; el detalle (a) enriñonado

247


Trancanil Chapa de pisoRefuerzo en cuña

Viga longitudinal

Viga transversal

(a) Con refuerzo en cuña

Desplazamiento de la soldadura del para dar acceso al soldeo

El ala pasa a través del alma de la jácena longitudinal

(b) Ala continua

Figura 8 Unión de las vigas transversales a la jácena longitudinal para unconcepto de suelo parcialmente flotante

Chapa de piso Trancanil

Viga transversal

Cuña (si se requiere, por ejemplo sin ala opuesta)

Viga longitudinalLas alas opuestas deben estar alineadas

> 250

(para el acceso de soldadura)

Cartela (si se requiere)

Figura 9 Unión de la viga de suelo transversal a la jácena longitudinal parael concepto de suelo totalmente flotante

y el detalle (b) ranuración del ala superior a tra-vés del alma.

Una vez más resulta obvio que es nece-sario tomar una decisión acerca de la disposi-ción del empalme antes de efectuar el pedido delmaterial.

Concepto del Piso a Nivel

La configuración de los detalles dependede la política adoptada con respecto a la prefa-bricación.

Si el panel del piso se prefabrica como unmontaje formado por la chapa, trancanil y bao, eldetalle que se muestra en la figura 10a resultamás apropiado.

Con el fin de permitir la soldadura del alasuperior, una tira del piso se ajusta y se sueldaen último lugar.

Si el panel del piso se fabrica como unmontaje formado únicamente por la chapa y el

trancanil, el detalle más viable es el de la figura10b.

4.5 Arriostramiento Horizontal

En el apartado 3.5 se indicó la preferenciaen el sentido de que la chapa del piso actúecomo arriostramiento horizontal.

No obstante, si se necesitan barras dearriostramiento independientes, es necesarioelegir cuidadosamente su altura. Las barras dearriostramiento tienen que pasar con la suficien-te holgura por debajo de los trancaniles y pene-trar en el alma de los baos a la suficiente distan-cia del ala inferior. También precisan de un buenacceso para la soldadura de la unión.

Estos requisitos son los que dictan la altu-ra y el diámetro máximo viable del refuerzo (figu-ra 11).

La interferencia del arriostramiento hori-zontal con los tubos verticales y las escotillas se

puede producir con facilidad.

Normalmente el montaje delos refuerzos resulta bastante incó-modo.

248

tf/tw≤1,5

tftw

(a) Para la prefabricación del panel: piso + trancanil + viga de suelo

(b) Para la prefabricación del panel: piso + trancanil + viga de suelo + jácena

Figura 10 Unión entre la viga del suelo transversal y la estructura principalpara un concepto de suelo enrasado

249


HE500A

HE500A

HE500A

HE500 A

HE500 A

HE500A

HE500A

HX1000 A

HX1000 A

HX

1000

A

HX

1000

A

HX

1000

A

HX

1000

A

HX

1000

A

HX

1000

A

HL1

000

A

HL1

000

A

HE500A

HE500A

HE500A

HE500 A

HE500 A

HE500A

HE500A

HX1000 A

HX1000 A

HX

1000

A

HX

1000

A

HX

1000

A

HX

1000

A

HX

1000

A

HX

1000

A

HL1

000

A

HL1

000

A

Estabilización romboidal

(a) Cruzado, no muy fiable para el suelo superior debido a la interferencia entre la unión arriostramiento/pilar y los cáncamos o elementos rigidizados

(b) Romboidal, más fiable para el suelo superior, sin embargo, requiere estabilización

Figura 11 Configuraciones posibles para el arriostramiento bajo el piso

5. RESUMEN FINAL

• Se ha discutido la distribución del módulo,tomando como referencia a API-RP2G,junto con los aspectos generales relativos alcontrol de la coordinación y al control delpeso.

• Basándose en el tipo de infraestructura, jac-ket y basada en la gravedad, se han intro-ducido y descrito los diversos tipos deestructuras de la parte superior. Estos tiposson:

Módulo integrado.

estructura de soporte del módulo.

módulos.

• Se han descrito varios conceptos del piso.

• Se han tratado varios aspectos de la con-cepción de la construcción de las estructu-ras de chapa de los pisos.

6. BIBLIOGRAFÍA

[1] API-RP2G: Production facilities on offshorestructures.

American Petroleum Institute 1 ed. 1974.

Introduce los requisitos básicos.

[2] API-RP2A: Recommended practice for plan-ning, designing and constructing fixed platforms.

American Petroleum Institute 18th ed., 1989.

El reglamento estructural para las plataformaspetrolíferas que rige la mayor parte de las plata-formas.

[3] DNV: Rules for the classification of steel ships.

Part 5, Chapter 2.4.C, Permanent decks forwheel loading.

Det Norske Veritas.

Un enfoque práctico para el Diseño económicode las chapas de pisos bajo carga estática.

7. BIBLIOGRAFÍA ADICIONAL1. M. Langseth & c.s.: Dropped objects, plug-ging capacity of steel plates.

BOSS Conference 1988 Trondheim, pp 1001-1014.

Comportamiento de los pisos y techos de chapabajo carga accidental.

2. D. v.d. Zee & A.G.J. Berkelder: Placid K12BPbiggest Dutch production platform.

IRO Journal, nr. 38, 1987, pp 3-9.

Presenta un ejemplo reciente para un móduloporticado.

3. P. Gjerde et al: Design of steel deckstructuresfor deepwater multishaft gravity concrete plat-form.

9th. OMAE conference Houston 1990, paper 90-335.

La presentación más reciente relativa a lasestructuras de los módulos basados en la grave-dad.

4. P. Dubas & c.s.: Behaviour and design of steelplated structures, IABSE Surveys S 31/1985,August 1985, pp 17-44.

Unos buenos antecedentes a la teoría de laestructuras enchapadas.

250



Lección 17.11: Superestructuras II

251

253

OBJETIVOS/CONTENIDO

OBJETIVOS/CONTENIDO

Profundizar en los aceros de construcciónpara los módulos integrados, soportes para losmódulos y para módulos. Mostrar los principios y losmétodos de construcción (desde el astillero hasta elemplazamiento de la plataforma petrolífera).


Lecciones 1 y 2: Construcción en Acero

Lección 3.4: Calidades y Tipos de Ace-ro

Lección 3.5: Selección de la Calidad delAcero

Lecciones 4.1: Fabricación General de Es-tructuras de Acero

Lección 8.3: Modelos de InestabilidadElástica

Lección 9.6: Pilares compuestos

Lecciones 10.4: Comportamiento y Diseñode Vigas Armadas

Lección 13.2: Uniones soldadas

Lección 14.2: Introducción Avanzada ala Fatiga

Lecciones 17: Plataformas Petrolíferas

RESUMEN

Se ofrece una introducción de los siste-mas estructurales para cada tipo de estructuradel módulo, es decir, de vigas de celosía, pór-ticos, vigas en cajón y cerramientos resisten-tes.

Se tratan algunos temas especiales de laconcepción de la construcción y se presentancon más detalle las fases de construcción, queson:

1. Fabricación

2. pesaje

3. embarque

4. transporte marítimo

5. montaje en el emplazamiento marino,especialmente el acoplamiento de la pla-taforma

6. montaje de los módulos

7. conexión

8. puesta en servicio.

Esta lección concluye con una breve dis-cusión tanto de la reparación y mantenimientocomo de la retirada de las plataformas.

1. INTRODUCCIÓN

Esta lección se ocupa del diseño estruc-tural de las estructuras de los módulos de lasplataformas petrolíferas basadas sobre jackets,como continuación de la introducción ofrecida enla lección 17.10.

Las plataformas de más de 10.000 tone-ladas, están equipados con una estructura deapoyo modular sobre la que se coloca unaserie de módulos, consultar la lección 17.1,figuras 4 y 5. Actualmente, los módulos de me-nor tamaño, tales como los existentes en lazona sur del Mar del Norte, se instalan ya com-pletos con todos sus equipos en un solo levan-tamiento con el fin de minimizar el número deconexiones que es necesario efectuar en el

emplazamiento marino. Esta lección hace refe-rencia en su mayor parte a este tipo de plata-forma integrada que ya se describió en la lec-ción 17.10.

La selección del concepto para el forjadoestructural es una labor que se efectúa en íntimacolaboración con las demás disciplinas.

Cuando se procede al diseño de lasestructuras de forjado, es necesario considerarlas condiciones en el emplazamiento, junto conlas diversas etapas previas tales como la fabri-cación, embarque, transporte y montaje.

Los sistemas estructurales para lasestructuras de módulos comprenden varios delos siguientes elementos:

254

• Pisos (chapa o emparrillado de acero)

• Trancanil del tablero (vigas laminadas doble T, nervios o troughs) } Discutidos en la

• Arriostramiento horizontal lección

• Baos de cubierta 17.10

• Viguetas primarias Discutidos

• Vigas de celosía o arriostramiento vertical } en esta

• Pilares del módulo lección

2. DISEÑO DE LA ESTRUCTURAPRINCIPAL

2.1 Introducción

A continuación se estudian algunos de losaspectos más importantes del diseño estructuralde los módulos.

2.2 Diseño del Pórtico de laEstructura PrincipalEn varios importantes diseños recientes,

tales como Amoco P15, Placid K12 [5] yPenzoil L8, del sector holandés se ha uti-lizado un determinado diseño del pórtico.

La unión de la viga principal/pilar,tal y como se muestra en la figura 1,tiene una gran importancia a la hora dedeterminar la altura. La disposición máspráctica consiste en colocar las alas delas vigas principales longitudinales ytransversales a la misma altura.

No obstante, el enriñonado de laviga principal transversal, cuya carga enel plano es menor, no constituye en rea-lidad una opción, ya que estas vigassoportan cargas muy elevadas durante eltransporte.

El fuerte embridado que supone elefectuar la soldadura de un tubular en undiafragma exige la selección de aceroTTP para la sección del pilar.

Debido a la gran importancia delas chapas transversales de refuerzoentre almas para la integridad global dela estructura y a los constreñimientos dela soldadura en las chapas de almasituadas en medio, también se seleccio-na el acero TTP para el diafragma.

Otra opción consiste en soldar lasvigas directamente sobre la sección norigidizada del pilar. Recientemente se han

llevado a cabo estudios relativos a la evaluaciónde la resistencia máxima y a la resistencia a la fati-ga (consultar lección 17.12).

Es necesaria una mejora de los conoci-mientos básicos tanto teóricos como experimen-tales. En el caso de las estructuras de vigas decelosía que soportan una carga menor, este tipode unión no rigidizada se ha utilizado con éxito.

Una tercera solución consiste en soldarlas vigas directamente a la sección del pilar, lacual está rigidizada circularmente en su interior.El inconveniente más serio consiste en la dificul-tad que entraña la inspección del interior del pilar.

255

DISEÑO DE LA ESTRUCTURA PRINCIPAL

Punto de tangencia

R

Chapa tipo III

Chapas de diafragma superior e inferior de grosor 30 tipo VI

R = 50

Grosor 25

3500

30

1500

Figura 1 Unión tipo en una estructura principal de tipo pórtico

La desventaja de ambas uniones directasviga/pilar consiste en que el dimensionamientode las vigas está determinada por los elevadosmomentos presentes en el punto de transiciónpilar/viga laminada.

Los nudos de fundición constituyen unaalternativa a los diseños soldados.

Normalmente, la selección de las barraspara las estructuras porticadas con módulos desección creciente incluye:

• vigas laminadas de 300 mm de anchura.

• vigas laminadas de 400 mm de anchura.

• vigas laminadas de 450 mm /460 mm deanchura

• vigas alveoladas fabricadas a partir de vigaslaminadas, lo cual proporciona una altura de1,5 veces la altura original de la viga laminada.

• vigas compuestas a partir de perfiles T devigas laminadas con una chapa de almasoldada en medio.

• vigas compuestas.

Evidentemente, las vigas compuestas pro-porcionan la mayor flexibilidad para el diseño, se-lección del material y adquisición, si bien su cos-te por tonelada es aproximadamente el doble queel de la viga laminada.

2.3 Diseño de las Vigas deCelosía de la EstructuraPrincipalesLa mayor parte de las estructuras petrolí-

feras de tamaño medio se han equipado conestructuras de tipo viga de celosía. Normalmenteeste tipo de vigas de celosía están formadas porvigas laminadas como cordones y tubularescomo jabalcones.

Para efectuar el diseño de las vigas decelosía hay varias opciones que afectan a la efi-cacia estructural y que además influyen sobreotras disciplinas:

• número y configuración de los refuerzos

• refuerzos ascendentes o descendentes

256

1000 1000 100

Chapas de extremo

HEA1000A

500

20

1000 1000 100

HEA1000A

500

20

Tubulares

Rigidizadores verticales

Inserción en el alma

Inserción en el ala

Refuerzos tubulares

Centro de fuerzas

Diseño convencional Diseño mejorado Diseño más económico

Figura 2 Unión en una celosía típica: 3 diseños distintos para la unión

• elemento intermedio cargado de los cordo-nes

• presencia de momentos externos en lasuniones

• arriostramientos: tubulares o perfiles lami-nados en doble T

• cordones: perfiles laminados o vigas com-puestas

• uniones de celosía: cordón con refuerzolocal o perfil de nudo prefabricado.

La figura 2 muestra diferentes configura-ciones de los arriostramientos (fundamentalmen-te de tipo N o W) obtenidos mediante la variacióndel número de nudos. Debe tenerse en cuentaque todos los jabalcones y montantes producenobstrucciones con respecto a todo tipo de tubosy recorridos del cableado.

En el caso de las vigas de celosía trans-versales, la transparencia adquiere una mayorimportancia, especialmente en las proximidadesdel área del pozo. Por lo tanto, el número de lasbarras necesarias se debe limitar al mínimo.

Se debe evaluar la opción de proporcionaruna viga de celosía en W con montantes ligerosfrente a la elección de un perfil de la estructuraprincipal más pesado.

Si una unión situada en el módulo supe-rior, como, por ejemplo, la antorcha o el pedestalde la grúa o el soporte de la grúa, se ve someti-da a momentos elevados debido al levantamien-to, una gran parte de la tensión del arriostra-miento se produce como resultado de la so-licitación a flexión no deseada. Normalmente, elembridado de los pilares del tablero plantea unproblema similar en la cubierta inferior. Por lotanto, una evaluación de la situación indicará queel emplazamiento más apropiado para el nudoes el arriostramiento del extremo.

La viga de celosía se flexa bajo su cargavertical, lo cual produce el embridado de la es-tructura principal de las patas y la flexión de la

estructura principal. Ambos efectos pueden afec-tar seriamente a la eficacia. Por lo tanto, es nece-sario que el perfil de cordón sea compacto y nose le debe proporcionar demasiada altura.

Se pueden escoger barras tubulares (cir-culares, cuadradas o rectangulares) o perfileslaminados para los arriostramientos.

La elección depende fundamentalmentede las cargas y de la anchura de la estructuraprincipal. Una anchura de la estructura princi-pal de 300 mm tan sólo puede acomodar unarriostramiento de 10 pulgadas. En vista deello, es preferible un ala de cordón de mayor an-chura.

2.4 Diseño de los CerramientosResistentes de lasEstructuras Principales Una tercera, e importante, opción estruc-

tural consiste en el concepto del cerramientoresistente, en el que paredes de chapa en todala altura se hacen cargo de la función de la vigade celosía o del pórtico.

Los módulos de los alojamientos se cons-truyen frecuentemente de acuerdo con este con-cepto. La razón por la que no se han construidootros módulos con cerramientos resistentes esque durante la construcción originan importantesobstrucciones.

En el caso de los módulos con cerramien-tos resistentes de menor tamaño, es posible uti-lizar chapa ondulada trapezoidal con el fin deproporcionar una pared en una estructura desecciones huecas cuadradas.

En el caso de los módulos de mayortamaño, las paredes se fabrican mediante la uti-lización de chapa plana reforzada con rigidizado-res.

La única manera de efectuar el diseñodetallado consiste en un plano claro para el mon-taje del módulo que indique cuáles son los pane-les que es necesario prefabricar.

257


2.5 Paredes Sin Carga

Las plataformas petrolíferas deben contarcon muros cortafuegos o anti explosión. Debidoa su función, frecuentemente la soldadura a laestructura principal resulta inevitable (véase lafigura 3a.)

Es necesario prestar una atención espe-cial a los siguientes aspectos:

• la capacidad de las paredes para ajustarsea la deformación de la estructura principalproducida durante el embarque, transportemarítimo, levantamiento y durante el servi-cio.

• que la resistencia de las soldaduras a laestructura principal sea mayor que la de lachapa con el fin de evitar la rotura y la ini-ciación de una fisura potencial en la estruc-

tura principal.

Una solución consiste en propor-cionar un detalle flexible, véase las figuras3b y 3c, con unos rigidizadores que sequeden cortos.

2.6 Soportes de las Grúas

A continuación se discuten breve-mente las sillas de apoyo de las grúas.

Desde un punto de vista estructu-ral, resulta económico colocar el soportede la grúa sobre un pilar principal. En elcaso de la estructura tipo viga de celosía,la estructura principal se encontrará próxi-ma a la periferia de la plataforma, demanera que una longitud moderada de lapluma de la grúa es suficiente.

En el caso de las estructuras tipopórtico cuyos pilares están cercanos a laperiferia exterior, es necesario un pilarespecial para las sillas de apoyo con el finde evitar la utilización de una grúa con unapluma de gran longitud. La figura 4 ilustrauna solución de este tipo.

Las funciones de la estructura prin-cipal con respecto al soporte de la grúason las siguientes:

• proporcionar un apoyo torsional, pre-feriblemente en el nivel de la platafor-ma

• proporcionar embridado lateral en elnivel de la plataforma

258

(a) Directa y rígida (b) Flexible

(c) Flexible

Figura 3 Formas de entrega de las paredes de chapa secundarias ala estructura principal

• proporcionar embridado la-teral en el extremo inferiordel soporte

• proporcionar apoyo verti-cal, preferiblemente en elextremo inferior del sopor-te.

El embridado para laflexión mediante baos de cu-bierta y/o de las vigas de laestructura principal no resultanecesario y se debe reducirallí donde sea posible hacerlo.Es preferible que sea la chapadel piso, el elemento más rígi-do, el que resista la torsióncausada por la rotación de lagrúa.

Se ha convertido enuna práctica habitual el incluirla sección superior del sopor-te de la grúa como compo-nente de la misma. La secciónsuperior contiene un plato degran tamaño para el apoyo dela rotación.

La fatiga debida al usode la grúa es un criterio deldiseño que precisa de unacuidadosa configuración delos detalles, tanto del soportecomo de la estructura adya-cente.

259


Escalera de gato

Suelo superior

Suelo principal

Unión móvil

1400 O.D

1400 O.D

406 O.D

Viga compuesta

Figura 4 Disposición de un pedestal para grúa en el exterior del cerramiento de unapared de la plataforma

3. ANÁLISIS DE LAS ESTRUCTURAS DEL MODULO

3.1 IntroducciónSi bien el análisis de las estructuras del

módulo es una tarea normalizada, existen variosaspectos que requieren una atención especial:

• Diseño de las vigas compuestas

• Resistencia de las uniones

• Resistencia de la chapa del piso

• Puntos para el levantamiento

• Modelación de las chapas del piso

• Soporte para los módulos.

3.2 Diseño de las VigasCompuestas

El diseño de las vigas compuestas esuna labor que exige la selección tanto de ungran número de variables dimensionales como

de enfoques para la evaluación de la resisten-cia de la carga. Las lecciones 10.4 se ocupancon más detalle del diseño de las vigas com-puestas.

El pandeo del alma resultado de la flexión,el esfuerzo normal y el esfuerzo cortante limitanla esbeltez del alma, que se expresa como laaltura del alma (h) dividida por su espesor (t).

API-RP2A [2] hace referencia al manual AISC [3]que proporciona las cifras que se indican a con-tinuación para un material con un límite elásticode 355 MPa:

Tensión de flexión admisible 0,66 Fy 0,60 FyIndice de la altura del alma h frenteal espesor t 90 138Indice de la anchura del ala b frenteal espesor t 18 27

En lugar de utilizar el enfoque anterior,algunas investigaciones más recientes, [3] y [6],permiten la utilización de la pospandeal. En estecaso no son aplicables los límites altura/espesorque se han indicado anteriormente.

3.3 Resistencia de lasUniones

Las uniones más importantes situa-das en una estructura metálica de un módu-lo son las siguientes:

• la unión con rigidización circular situa-da entre vigas laminadas o vigas com-puestas y un pilar circular.

• la unión no rigidizada situada entre vi-gas laminadas o vigas compuestas yun pilar circular.

• la unión del refuerzo tubular a vigas dealma simple.

• la unión tubular sin solape.

Estas uniones se discuten en la lec-ción 17.12.

260

Fuerza axial Fuerza transversal

Fuerza oblicua Fuerza lateral

Figura 5 Fuerzas que actúan en un cáncamo

3.4 Puntos para el Levantamiento

El efecto de los puntos para el levanta-miento sobre el diseño del módulo es considera-ble. Por ejemplo, las fuerzas locales que actúansobre los puntos de levantamiento (figura 5) tie-nen que transmitirse de manera segura hasta laestructura del forjado.

Existen dos tipos de puntos de levanta-miento, muñones y cáncamos, figura 6.

Los muñones, si bien desde otros puntosde vista son adecuados (véase el apartado 4),pueden generar un descentramiento considera-

ble de la fuerza de la eslinga con respecto a lospuntos del sistema del módulo. Se genera unaflexión significativa que se transfiere a las vigasdel módulo hasta el punto de contribuir a la rigi-dez de la unión. Resulta más eficaz dejar estosmomentos flectores en el pilar, mediante la utili-zación de pilares rígidos.

Generalmente la utilización de cáncamosproporciona una buena ocasión para minimizar oeliminar el descentramiento, siempre y cuandoéstos estén situados sobre el pilar. La necesidadde utilizar cáncamos empotrados (estos cáncamosson los que se colocan entre la altura del ala supe-rior e inferior), así como la presencia de otras

estructuras en la cubierta,puede producir una dispo-sición muy excéntrica yunos elevados momentosresultantes. Debido a estarazón, es necesario desa-rrollar el concepto del le-vantamiento durante la fa-se conceptual del desarro-llo de la estructura.

API-RP2A[1] exigela utilización de coeficien-tes de ponderación máselevados en el caso debarras cargadas directa-mente mediante cánca-mos o muñones.

3.5 Diseño delPisoHay dos puntos

que tienen un interés es-pecial:

• la representación del pi-so de chapa en el mode-lo estructural

• la altura real

Existen varias ma-neras de diseñar el piso.La más directa consiste en

261

ANÁLISIS DE LAS ESTRUCTURAS…

Chapas de alas

Chapa central

Chapa principal

Agujero perforado

Chapa de diafragma

Tubulares

Chapa de rigidización

Chapa de estanqueidadCáncamo

Chapa de mantenimiento

Chapa de cortadura

Ángulo de la eslinga

Tubular

Alzado

PlantaMuñón

Figura 6 Diseño de puntos de levantamiento

elegir un programa informático que permita laselección de los elementos de chapa. Una segun-da opción consiste en definir elementos represen-tativos que diseñen la rigidez de la chapa median-te diagonales.

Frecuentemente, la chapa del piso secoloca en el diseño a la altura de la línea media,es decir, la altura media de las vigas de la estruc-tura principal, con el fin de ahorrar nudos en eldiseño. No obstante, es necesario reconocer queeste “error” de la altura, que puede ascender a0,5 - 1 m, puede afectar a los resultados. Asípues, es necesario efectuar una evaluación inde-pendiente del efecto de este “error” deliberadopor lo menos en algunos puntos críticos.

3.6 Soportes para los MódulosLos módulos y las estructuras de cubier-

ta interaccionan estructuralmente. API-RP2A

[1] exige que los módulos se diseñen como es-tructuras elásticas para el análisis de la cubier-ta de apoyo. Durante la década de los años 70,las dificultades más importantes se produjeronen los módulos para las estructuras de hormi-gón, ya que los módulos se representabancomo una serie de cargas, para los diferentescasos de carga, actuando sobre los puntos deapoyo, y se ignoraba la interacción estructural.El fenómeno básico de esta interacción consis-te en que la distribución de las reacciones en elapoyo del módulo es bastante desigual y varíacon el caso de carga. El control dimensional delos módulos, así como el del apoyo, junto conmedidas correctivas, proporcionan un mayorgrado de control sobre la interacción entre losmódulos y la cubierta. Algunos módulos, talescomo los de los alojamientos, compresor de gasy de inyección se colocan sobre placas antivi-bratorias con el fin de aislarlos de las vibracio-nes.

262

4. CONSTRUCCIÓN

4.1 Introducción

En la lección 17.1 se introdujeron losaspectos más importantes de la construcción delas plataformas petrolíferas y de sus equiposprincipales.

A continuación se discuten aspectos másespecíficos de los módulos.

4.2 Fabricación

4.2.1 Operaciones

El diseño debe permitir la suficiente prefa-bricación efectiva de las secciones principales. Laprefabricación evitará que se produzca la con-gestión en un área de trabajo al tiempo que ace-lera el proceso de construcción en su totalidad.

Tanto la prefabricación como el montajedeben incorporar adecuadamente todos losaspectos del montaje de las instalaciones mecá-nicas principales y secundarias, así como elequipamiento de tubos, cableado eléctrico e ins-trumental y líneas. Debe tenerse en cuenta quecon frecuencia las principales instalacionesmecánicas y eléctricas no están disponiblesdurante el inicio del montaje y deben incorporar-se durante la fabricación.

4.2.2 Aspectos del DiseñoPuesto que el espacio superior está com-

pletamente cubierto por extensas rutas de tubosy bandejas de cables durante la construcción, espreferible no colocar los trabajos estructurales“tardíos” en una posición elevada en ese áreadebajo del piso.

Normalmente, el montaje del conjuntoestructural de las estructuras metálicas de lasplataformas petrolíferas se efectúa fundamental-mente mediante soldaduras.

Tanto el concepto de la prefabricación co-mo la configuración de los detalles de las uniones

deben maximizar la productividad de las soldadu-ras mediante una gran cantidad de soldadurashorizontales efectuadas utilizando preferiblementela tecnología SCA.

Es necesario controlar adecuadamente elsoporte del módulo durante la construcción conel fin de evitar el asiento y de no rebasar los lími-tes de las tolerancias de construcción.

Se debe prestar una atención especial ala selección de los materiales adecuados para lafabricación. En aquellos casos en los que seempleen elementos con un gran espesor depared que requieran un tratamiento térmico pos-terior a la soldadura (TTPS), el diseño debe colo-car tanto estas soldaduras como el tratamientoen la fase de prefabricación.

4.3 Pesaje

El módulo debe someterse a un estrictocontrol del peso, tal y como se explicó en la lec-ción 17.10. Con el fin de efectuar este control,normalmente se pesa la cubierta antes de pro-ceder al embarque de la barcaza. El diseño bási-co de un sistema de pesaje consiste normal-mente en una serie de gatos hidráulicos,equipados con células de carga eléctricas en suparte superior, que se instalan entre el suelosuperior y el piso del taller. Generalmente laexactitud de este tipo de sistemas es del 0,5-1%.

La exactitud es necesaria con el fin deverificar la posición real del centro de gravedad.El conocimiento de esta posición es de vitalimportancia para el montaje.

El sistema para el soporte del módulodebe ser similar al método que se anticipó parael embarque.

4.4 Embarque

4.4.1 OperacionesNormalmente el embarque combina dos

operaciones:

263

CONSTRUCCIÓN

• el desplazamiento del módulo desde lanave de fabricación hasta el muelle cerca-no.

• el desplazamiento del módulo desde elmuelle hasta colocarla sobre la barcaza.

El corto viaje por tierra puede complicarsecuando la vía no es plana o es necesario tomarcurvas.

La opción que se utiliza con mayor fre-cuencia para el embarque consiste, por lo tanto,en la utilización de una plataforma-remolque conruedas suspendidas individuales, véase la figura7 y la diapositiva 1.

El remolque sube a la barcaza desde elmuelle pasando por encima de una pasarelaoscilante que se apoya sobre el muelle y la bar-caza. La barcaza mantiene la estiba adecuadamediante el bombeo del lastre.

Una vez ha alcanzado la posición ade-cuada, el módulo se coloca sobre el emparrillado

de vigas de la estructura para el amarre duranteel transporte marítimo.

4.4.2 Aspectos del Diseño para el Embarque

Cuando se utilizan platafor-mas-remolque, la cubierta inferior hade estar diseñado de tal manera quecumpla tres requisitos básicos parael embarque:

• todas las chapas del ala inferiorde las vigas transversales de-ben estar en el mismo plano.

• la distancia entre las vigas trans-versales no debe ser superior aaproximadamente 7 m.

• el forjado inferior debe ser capazde resistir una reacción ascen-dente que generalmente tendráun campo de 50-60 kN/m2 delárea del piso.

Para las plataformas-remol-que se asume que la distribución delas cargas es uniforme. Los siste-mas de deslizamiento que no estén

264

Figura 7 Disposición básica de levantamiento para una plataforma basadaen una jacket

Diapositiva 1

provistos de un sistema de reparto de la cargaadecuado producirán una repartición de la cargano uniforme.

El diseño para el embarque exige la coor-dinación con el diseño del amarre para el trans-porte marítimo.

4.5 Transporte Marítimo ySujeción Durante el Mismo

4.5.1 OperacionesEl transporte marítimo constituye una

operación extremadamente crítica, especialmen-te en el caso de los módulos (véase la diapositi-va 2).

Una vez completado el embarque y elamarre total a la barcaza, ésta se lastra hastaalcanzar el calado necesario y se hace a la marpara iniciar el transporte.

Uno o dos remolcadores transportan labarcaza hasta el emplazamiento de la platafor-ma. Una vez allí, la barcaza se coloca junto albuque grúa.

Antes de proceder al levantamiento, seliberan los amarres utilizados para el transportemarítimo.

La programación del transporte marítimoconsta de varias etapas:

• identificación de las dimensiones de loshuelgos críticos como por ejemplo la pro-fundidad del puerto, la anchura de puenteso esclusas, etc, en las aguas cercanas a lacosta.

• la selección de la barcaza (estabilidad,comportamiento dinámico, emplazamientode los topes para la carga).

• evaluación de la ruta marítima (condicionesmeteorológicas, distancia del remolcado).

• evaluación de los movimientos de la barca-za debido al estado de la mar.

• desarrollo del concepto del amarre para eltransporte marítimo.

• evaluación de la integridad del módulo.

• evaluación de la integridad de la barcaza.

Con algunos buques grúa existe la opciónde efectuar el transporte del módulo a bordo deestos barcos. Normalmente es necesaria unaoperación extra debido a que el calado del buquegrúa es superior a la profundidad del muelle delfabricante. No obstante, la ventaja de este méto-do consiste en que se facilita el amarre para eltransporte marítimo. Además, la operación en elemplazamiento de la plataforma es más rápida ymás simple, puesto que se evita la operación

265

CONSTRUCCIÓN

Diapositiva 2

más sensible a las condiciones meteorológicas -el levantamiento desde la barcaza.

4.5.2 Aspectos del Diseño delTransporte Marítimo y delAmarre Durante el MismoLas condiciones de la carga durante el

transporte dominan varios elementos de laestructura (véase la lección 17.1.)

Todos los equipos situados en o sobre lacubierta (paneles de control, rodillos del gene-rador, grúa de la plataforma) también se vensometidos a cargas pesadas durante el transpor-te.

El arriostramiento interno de la cubiertapara el transporte no constituye una opción prác-tica debido a que crea obstáculos y riesgo dedaños o incendio en el cableado, instrumental,tubos y equipos durante su retirada subsiguien-te. El arriostramiento externo tampoco está librede problemas. La anchura de la cubierta exigeuna barcaza que tenga una anchura extra.Resulta difícil encontrar puntos “fuertes” en laparte externa de la cubierta. Por lo tanto, el con-cepto básico consiste en efectuar la fijación de lacubierta a la barcaza únicamente por sus pilares.

El diseñador debe ser consciente de que,frecuentemente, la rigidez a la flexión del módu-lo supera a la de la barcaza. Es posible que seproduzca una considerable “acción conjunta”cuando la barcaza se flexa en condiciones defuerte mar de proa.

Un aspecto muy importante en todos losconceptos del amarre marítimo consiste en con-siderar los aspectos de la retirada de estos ama-rres, es decir, de su suelta antes de proceder allevantamiento, así como la necesidad de propor-cionar seguridad en un estado del mar modera-do.

La suelta de los amarres debe ser tal queno precise de la operación de grúas. Por lo tanto,es necesario que los refuerzos liberados en unextremo se mantengan estables y seguros cuan-

do tan sólo se encuentren fijados por uno de susextremos.

El diseño del amarre marítimo no debeincluir ninguna soldadura en la unión del pilar,puesto que en ese caso el módulo no estaría pre-parado para ser colocado inmediatamente sobrela jacket.

Cuando la duración del remolcado seasuperior a uno o dos días, es posible que resultenecesario considerar la fatiga en los nudos críti-cos.

4.6 Montaje

4.6.1 OperacionesEl montaje de la infraestructura puede con-

sistir en:

• acoplamiento del módulo a una de hormi-gón sumergida a gran profundidad (diapositiva 3)

• levantamiento para la colocación sobre unajacket previamente instalada (diapositiva 4).

El acoplamiento del módulo constituyeuna operación flotante que se lleva a cabo en unemplazamiento protegido como, por ejemplo, unfiordo noruego o una ensenada escocesa. Para

266

Diapositiva 3

efectuar esta operación es necesario que el mó-dulo se encuentre apoyado temporalmente de talmanera que los apoyos finales estén libres. Esterequisito produce una situación de la carga muycomplicada en la estructura del módulo.

El levantamiento constituye el método deinstalación habitual para los módulos basadossobre jackets. Es necesario definir la estrategiadel levantamiento durante el desarrollo del con-cepto de la plataforma como parte de la estrate-gia global de la construcción. La capacidad decarga de los buques grúa se define en base a lacarga del gancho y al radio de alcance.

El radio de alcance necesario se determi-na fundamentalmente en base a la anchura delmódulo y/o de la barcaza de transporte.

Las etapas principales de este procesoson las siguientes:

• estudio del informe del peso.

• evaluación de las alturas “críticas”.

• evaluación de los buques grúa viables.

• desarrollo del concepto del levantamiento.

• dimensionamiento preliminar de las eslin-gas, grilletes, muñones, etc.

• diseño del concepto de las guías y topes.

• análisis de la estructura de los módulos odel suelo para las condiciones del levanta-miento.

4.6.2 Aspectos del Diseño del Montaje MedianteLevantamiento

El concepto del levantamiento consta devarios elementos:

• levantamiento mediante grúa simple o doble

• la configuración de las eslingas

• la elección de los puntos de levantamientodel módulo

• la necesidad (o no) de barras de distribu-ción o incluso de bastidores de distribución

• eslingas simples, dobles o aparejadas

• la elección de los cáncamos o muñones.

En la lección 17.1 se ofreció una lista delos buques grúa. Las eslingas disponibles tienenun diámetro nominal de hasta 400 mm con unascargas útiles de seguridad de 20-25 MN.

Un elemento básico en todos los levanta-mientos lo constituye la inevitable tolerancia enla longitud de las eslingas que produce unreparto desigual de las fuerzas de éstas (gene-ralmente de un 25%-75%) en el caso de unlevantamiento con cuatro eslingas. Este dese-quilibrio de las fuerzas de las eslingas producetensiones significativas en el módulo (véase lafigura 8).

La utilización de barras distribuidoras pro-porciona un levantamiento totalmente equilibra-do sin que se produzcan distorsiones en elmódulo. No obstante, las barras distribuidorasresultan bastante caras y generalmente exigenuna altura mayor del gancho.

267

CONSTRUCCIÓN

Diapositiva 4

La utilización del bastidor distribuidordebe considerarse únicamente en casos excep-cionales y no impide la deformación del módulo.La opción de cáncamos/grilletes está limitadapor la carga útil de seguridad (máximo 10MN)del grillete mayor. La utilización de muñones per-mite el manejo de cargas mayores.

4.7 Conexión

La conexión consiste en la finalización detodas las uniones y uniones tras el montaje.

Debido a razones de índole económico, laestrategia de construcción global debe limitar launión al mínimo. Las labores de unión críticasson aquellas que han de efectuarse inmediata-mente para asegurar la estructura con el fin deque sobreviva al siguiente temporal.

4.8 Puesta en Servicio

La puesta en servicio carece de relevan-cia para el diseño estructural.

4.9 Inspección, Mantenimiento y Reparaciones (IMR)

Estas actividades constituyen una impor-tante fuente de gastos de explotación, OPEX, taly como se indicó en la lección 17.1.

Los siguientes son algunos de los requisi-tos de estas actividades:

• la inspección de la estructura primaria cons-tituye una actividad reglamentaria, total-mente programada.

268

B0,1433W

0,1433W0,1433W

0,1433W

H

S L

W B

W B

WB lbH WB

lbWB lb

WB lbH

60o

WB lbH WB

lbWB lb

WB lbH

Componentes verticales de las fuerzas de levantamiento

Trayectoria de la cortadura por torsión

Las fuerzas de distorsión se transfieren al arriostramiento mediante las vigas y la chapa del suelo

Cargas verticales fuera de equilibrio Componente de torsión Componente de distorsión

0,2165 cosθ 0,0722 W cosθ

0,0722 W senθ0,2165 W senθ

0,0722 W senθ 0,2165 W senθ

0,2165 cosθ0,0722 W cosθ

Fuerzas horizontales en el plano del suelo superior debidas a las componentes horizontales de las fuerzas de las eslingas

Nota: Las expresiones anteriores y adjuntas pueden obtenerse a partir de un enfoque de mecánica básica. Son muy aptas para una evaluación del diseño conceptual.

Trayectoria de la cortadura en la cubierta, las paredes y el suelo de un módulo rectangular, con distribución de fuerzas de eslingas de 75/25 y una inclinación de eslingas de 60 grados Fuerzas dentro del plano debidas

a las componentes horizontales de las fuerzas de eslingas

Figura 8 Análisis del levantamiento

• la inspección tan sólo resulta posible cuan-do se proporciona el acceso al área o a launión.

• la disponibilidad de acceso resulta costosay requiere que se deje espacio libre detrásde los equipos.

• algunas disposiciones mínimas como, por e-jemplo, pequeñas abrazaderas bajo el suelo,aceleran en gran medida la colocación delandamiaje.

• la propagación de fisuras como consecuen-cia de la fatiga es lenta. Normalmente unafisura es detectable antes de que hayatranscurrido una cuarta parte de su vida.

• la acumulación de suciedad favorece losdaños causados por la corrosión.

• se debe hacer el mayor uso posible de losresultados de las inspecciones. La evalua-ción de estos resultados debe producir

modificaciones del programa de inspeccióncuando así resulte apropiado.

4.10 Retirada

Los requisitos de la retirada varían segúnlos países. En el caso de ciertas profundidadesdel agua, algunos países exigen la retirada com-pleta desde el nivel del lodo. En otros casos tansólo es necesario retirar la estructura que esté a75 o más metros por encima del nivel del lodo.

Es necesaria un amplio desarrollo de laingeniería de la retirada con el fin de lograr unaoperación segura y efectiva. En el Golfo de Mé-xico las plataformas retiradas se sumergen en elmar para la formación de arrecifes. Actualmenteresulta muy difícil e ineficaz incluir la ingenieríaconceptual de la retirada en la fase del diseño.Por contra, en aquellos casos en los que se pla-nea la reutilización de la instalación es necesariodesarrollar la ingeniería de la retirada en unaetapa inicial del diseño.

269

CONSTRUCCIÓN

5. RESUMEN FINAL• Se han introducido los sistemas estructura-

les para cada uno de los tipos de estructuradel módulo, es decir, los sistemas de vigasde celosía, pórticos, vigas en cajón y cerra-mientos resistentes.

• En el apartado dedicado a la concepción dela construcción se han discutido algunosaspectos con más detalle.

• En el apartado dedicado a la construcciónse ha efectuado una presentación másdetallada de las diversas fases, es decir:

i. Fabricación

ii. pesaje

iii. embarque

iv. transporte marítimo

v. montaje en el emplazamiento marino,especialmente el acoplamiento del mó-dulo

montaje de los módulos

vii. unión

viii. puesta en marcha

• La lección concluye con una breve discu-sión acerca de la inspección, reparación yretirada de la plataforma.

6. BIBLIOGRAFÍA[1] API-RP2A: Recommended practice for plan-ning, designing and constructing fixed platforms.

American Petroleum Institute 18th ed., 1989.

El reglamento estructural para las plataformaspetrolíferas, rige la mayor parte de las plataformas.

[2] AISC: Allowable stress design manual(ASD).

9th ed., American Institute of Steel Construction,1989.

Un reglamento estructural ampliamente utilizadopara los módulos.

[3] API-Bulletin 2V: Bulletin on design of flatplate structures.

American Petroleum Institute, 1st ed., 1987.

Un valioso apéndice a API-RP2A.

[4] API-Bulletin 2U: Bulletin on stability design ofcylindrical shells.

American Petroleum Institute, 1st ed., 1987.

Un valioso apéndice a API-RP2A.

[5] D.v.d. Zee & A.G.J. Berkelder: Placid K12BPbiggest Dutch production platform.

IRO Journal, nr. 38, 1987, pp 3-9.

Presenta un ejemplo reciente de un módulo por-ticado.

[6] R. Narayanan: Plated structures/Stability andStrength.

Applied Science Publishers, London, 1983.

Una buena guía para el diseñador relativa a laconcepción de la construcción de las estructurasenchapadas.

[7] ANON: Gullfaks C platform deckmating.

Ocean Industry, April 1989, pp 24.

Una acertada descripción del acoplamiento realdel módulo a la estructura basada en la grave-dad (EBG).

[8] A.G.J. Berkelder: Seafastening 105 MNBrent C deck.

Bouwen met Staal, nr.24 1979.

Una presentación de la concepción de la cons-trucción del amarre para el módulo de unaestructura basada en la gravedad (EBG).

270



Lección 17.12: Uniones en Estructuras de Cubierta de Plataformas Petrolíferas

271

273

OBJETIVOS/CONTENIDO

OBJETIVOS/CONTENIDO

Señalar y explicar los mejores métodospara la conformación de las uniones estructura-les en las estructuras de cubierta de las platafor-mas petrolíferas; discutir la importancia de unaelección adecuada del tipo de unión con el fin deobtener tanto la resistencia como la rigidez nece-sarias, así como de facilitar la fabricación.


Lecciones 13.2.1: Generalidades sobreUniones Soldadas

Lecciones 13.4: Análisis de Uniones

Lecciones 15: Estructuras Tubulares

Lecciones 17: Sistemas Estructurales dePlataformas Petrolíferas

LECCIONES AFINES (que cubren aspectosespecíficos com mayor detalle)

Lección 3.4: Calidades y Tipos deAcero

Lección 3.5: Selección de la Calidaddel Acero

Lecciones 4.6: Inspección/Garantía deCalidad

Lección 5.5: Corrosión en PlataformasPetrolíferas y Tablestacas

Lecciones 13.5: Uniones simples para edi-ficaciones

Lección 14.2: Introducción Avanzada ala Fatiga

Lecciones 14.4: Comportamiento de laFatiga en SeccionesHuecas

RESUMEN

Se discuten varios tipos de unionesestructurales en los módulos de las plataformaspetrolíferas; éstas incluyen las uniones entretrancaniles de cubierta y vigas maestras, entrelas mismas vigas maestras, entre las vigasmaestras y los pilares de cubierta, uniones delas vigas de celosía y uniones entre pilares yvigas. Se enfatiza la importancia de un diseño ydimensionamiento encaminados a minimizartanto la fabricación como el mantenimiento.

1. INTRODUCCIÓN

Tradicionalmente, los grandes módulos delas plataformas petrolíferas se han ensambladoutilizando componentes modulares, véase laslecciones 17.10 y 17.11; se construye unaestructura de apoyo modular sobre los pilares dela cubierta de la estructura de la jacket sobre laque se instalan varios módulos. Las elevadascapacidades de carga de las que se disponeactualmente permiten que el montaje de los sue-los superiores de las estructuras de las platafor-mas petrolíferas ligeras y de peso medio se efec-túe mediante un único levantamiento. Estedesarrollo ha ejercido una considerable influen-cia tanto sobre la fabricación como sobre la con-cepción de la construcción de los módulos; haproducido módulos más pesados, en cuya cons-trucción se utilizan elementos más grandes ypesados, todo lo cual ha tenido sus consecuen-cias para las uniones.

Otro aspecto que influye sobre la fabrica-ción y, por lo tanto, sobre el diseño, lo constituyeel desarrollo de aceros más limpios, con compo-siciones químicas modificadas y buenas propie-dades en la totalidad del espesor. Este acerodenominado acero TTP, (es decir, acero con pro-piedades en la totalidad del espesor, véase lalección 3.4) tiene un bajo contenido de azufrecon el fin de evitar el desgarro laminar. Además,si el carbono y su equivalente (CEV) es bajo, esposible reducir la temperatura de precalenta-miento del acero, lo que produce una soldaduramás fácil (sin calentamiento previo), que, unavez más, influye sobre el diseño de las uniones.

Tanto el aumento de la capacidad decarga como la prospección de gas y petróleo enaguas más profundas han tenido como resultadounas estructuras de mayor tamaño y han propi-ciado la utilización de aceros de mayor resisten-cia, que proporcionan resistencias superiores a355 N/mm2.

Es necesario diseñar las uniones con elobjeto de que resistan las diversas condicionesde carga (véase las lecciones 17.2 y 17.3) expe-rimentadas durante la fabricación, embarque,transporte, montaje y también durante las condi-ciones de servicio (proceso de trabajo y tempo-rales). Con el fin de permitir la redistribución delas tensiones, es importante que las unionessean más fuertes que los elementos conectados;si no es este el caso, las uniones mismas debendisponer de la suficiente capacidad de deforma-ción/rotación.

El diseño de las uniones debe tener encuenta todos los aspectos que se acaban demencionar y debe considerarse como un proce-dimiento interactivo que incluye la elección de unplan de conjunto estructural, la secuencia de lafabricación y las calidades y clases de acero quese han de utilizar. También es necesario consi-derar otros aspectos tales como la inspección yla protección frente a la corrosión.

Puesto que los costes de la fabricaciónestán gobernados en gran medida por los costesde las soldaduras, las uniones deben ser simplesy, cuando sea posible, se debe evitar la utiliza-ción de rigidizadores.

274

2. UNIONES EN LOS MÓDULOSDE LAS CUBIERTAS DE LASPLATAFORMASPETROLÍFERASEl tipo de uniones utilizadas en los módu-

los de las plataformas petrolíferas dependedirectamente del tipo de estructura en cuestión:

• tipos de viga de celosía

• tipos de pórtico

• tipos de cerramiento resistente

Tal y como se ha discutido detalladamen-te en las lecciones 17.10 y 17.11, el sistemaestructural para un módulo incluye varios de lossiguientes elementos:

• piso (chapa o emparrillado de acero)

• trancaniles de cubierta (vigas en I, llantascon nervio)

• baos de cubierta

• vigas maestras o vigas laminadas (vigas situa-das en las líneas principales del emparrillado)

• vigas de celosía o refuerzos verticales

• pilares de cubierta

Dependiendo de su función, carga y dis-ponibilidad de perfiles, estos elementos puedenfabricarse a partir de perfiles laminados en I o endoble T, secciones laminadas huecas tubulares orectangulares o secciones soldadas; para lasmagnitudes mayores se utilizan vigas compues-tas de cajón o en I soldadas o barras tubularessoldadas.

Es necesario conectar estos elementosentre sí; puesto que los módulos se fabricannormalmente bajo condiciones controladas enel astillero de fabricación, las uniones soldadasconstituyen una práctica habitual. A continua-ción se describen con mayor detalle los princi-pales tipos de uniones. Si bien la utilización deAPI-RP2A [1] o de las reglas AISC [2] es unapráctica común en el diseño de las plataformaspetrolíferas, en esta lección se discute el com-portamiento básico de las uniones sin hacerreferencia a los coeficientes de seguridad quese han de utilizar.

275

UNIONES EN LOS MÓDULOS…

3. UNIONES ENTRE TRANCANILES Y VIGAS

La estructura del piso del módulo puedediseñarse como una chapa del piso con tranca-niles o como una chapa ortotrópica. La chapa delpiso con trancaniles constituye el tipo más habi-tual ya que proporciona flexibilidad al diseño enlo relativo a las modificaciones posteriores (car-gas concentradas, elementos a través de cubier-tas, etc). Normalmente las estructuras de chapaortotrópica se utilizan en los helipuerto (véaselas lecciones 17.10 y 17.11.)

La utilización de trancaniles superpues-tos, tal y como se muestra en la figura 1, facilitala fabricación y es, por lo tanto, preferible frentea la utilización de uniones continuas, como laque se muestra en la figura 2.

Con motivo de facilitar la fabricación, sedeben evitar los rigidizadores siempre que seaposible. Esto significa que las almas tendránque transmitir las cargas verticales, tal comose muestra en la figura 1, a lo largo de una lon-

gitud ls en el caso del trancanil y lb en el delbao; también es posible el colapso del almadebido al pandeo y debe verificarse. Estosdetalles son detalles habituales de los que seocupa tanto el Eurocódigo 3 [3] como otrosreglamentos.

En el caso de las uniones continuas, mos-tradas en la figura 2, se asume que la unión delala transfiere el momento y la del alma el esfuer-zo cortante.

El tipo de soldadura de penetración totaldel ala superior para las uniones continuasdepende de la secuencia de la fabricación y es elfabricante quien ha de tomar la decisión al res-pecto. Normalmente, la unión del ala inferior ydel alma puede realizarse mediante soldadurasa filete. Es preferible una soldadura de penetra-ción total del ala, sin un agujero tipo “ratonera”,por motivos de protección frente a la corrosión,aunque este procedimiento produce un pequeñodefecto de la soldadura en la garganta entre elala y el alma. No obstante, incluso cuando lascondiciones son de carga de fatiga, este tipo de

276

Chapa de piso

Trancanil

Detalle expuesto abajo

Viga

45o

lb

Distribución de la carga en la viga de suelo

Distribución de la carga en el extremo del trancanil

Distribución de la carga en el trancanil

45o

ls lse

Figura 1 Transferencia de cargas en la unión trancanil continuo/viga de suelo

defecto resulta aceptable [4]; lomismo puede decirse con respec-to a la carga estática. Tan sólo enlos casos en los que se utiliza unacero de muy alta resistencia (fy >500N/mm2) y se produce un indi-ce de la fluencia con respecto allímite de rotura elevado, por ejem-plo fy/fu > 0,9, es necesaria unaevaluación rigurosa de este deta-lle. Puesto que no siempre se veri-fican todos los casos de carga, esnecesario diseñar las soldadurasde manera que tengan, por lo me-nos, la misma resistencia que laspartes conectadas, es decir lamisma resistencia que el ala o elalma.

Debe tenerse en cuentaque la distribución de la tensióntangencial (figura 2) para undetalle que presente un agujerotipo “ratonera” es más grave quela de un detalle que carezca deeste tipo de agujero. Debe pres-tarse mucha atención a la carasuperior sin apoyo del alma quese muestra en la figura 2b, pues-to que la abolladura puede cons-tituir un problema (véase la lec-ción 8.2 y [5].)

277

UNIONES ENTRE TRANCANILES Y VIGAS

Soldadura de penetración total



a Detalle que precisa tolerancias

b Detalle de fácil fabricación

v ττ

σh σbCrítico - Sección l - l Tensión de flexión

σb debida a esfuerzo cortante v tensión de cortadura elástica τ

- Verificar el pandeo local del alma no apoyada en la entalladura

Transferencia de cargas en un trancanil enresado con agujero de ratón

Figura 2 Transferencia de cargas en una unión enrasada entre trancanil y vigade suelo

4. UNIONES ENTRE LOS BAOS PRINCIPALES E INTERMEDIOSLa unión entre los baos de cubierta resul-

ta más conveniente si estos baos son de la

misma altura, tal como se indica enla figura 3b. En este caso las alasestán conectadas mediante solda-duras de penetración total y el almamediante soldaduras a filete omediante soldaduras de penetracióncompleta, dependiendo del espesor.El control de la tolerancia es nece-sario con el fin de evitar problemasen el nivel de cubierta, entre tranca-niles. Normalmente, las cargas deesfuerzo cortante son demasiadoelevadas como para permitir unaentalladura por una o por las doscaras, tal y como se muestra en la

figura 3b, puesto que esta configuración produceuna tensión tangencial mayor (véase la figura 2.)Cuando las alturas son iguales, no es necesarioutilizar acero TTP para las vigas. No obstante, enel caso de uniones de vigas de diferentes alturas,como el que se muestra en la figura 3a, el alma

de la viga maestra debe estarfabricada en acero de calidadTTP debido a que las cargas setransfieren a través del espesorde alma. Además, con el fin desatisfacer los requisitos destina-dos a impedir la fisuración enfrío, etc, o bien el espesor de aladel bao intermedio debe serinferior a 1,5 veces el espesorde alma de la viga maestra, o elmaterial debe tener un bajo con-tenido en carbono (véase la lec-ción 3.5).

Una solución alternativade elevado coste consiste enhacer pasar una chapa queconecte las alas a través delalma, tal como se muestra enla figura 4. Las alternativas ba-sadas en el enriñonado se indi-can en las lecciones 17.10 y17.11.

El diseño de todas lassoldaduras debe ser tal que és-

278

Trancanil

Viga principal

tw

tp

tp ≈ 1,1tf

tf

tf tw

> 1,5 (caro)Detalles alternativos para

Chapa de piso Viga

intermedia

Figura 4 Unión entre baos de distinta altura y alas gruesas

TrancanilViga intermedia

Viga de la estructura principal

tw

tf

tf tw

≤ 1,5

(a) Unión entre baos de distintas alturas

(b) Unión entre baos de igual altura

Figura 3 Uniones viga-viga para un sistema de suelo flotante

tas tengan la resistencia de las partes conecta-das.

Como consecuencia de ello, la unión estan fuerte como la barra; únicamente es necesa-

rio verificar la tensión tangencial y la posible abo-lladura de la parte del alma sin apoyo [5] en elcaso de que existan grandes agujeros de tipo“ratonera”.

279

UNIONES ENTRE LOS BAOS…

5. UNIONES DEL BAO AL PILARDE CUBIERTA

Las vigas maestras, bien sean perfiles la-minados en doble T o vigas compuestas, debenconectarse a los pilares de cubierta, que nor-malmente están formados por barras tubularessoldadas. En el caso de una estructura de tipopórtico, esta unión debe ser rígida y capaz detransmitir la resistencia al momento de fluenciade las vigas conectadas. Generalmente, estasuniones, o nudos, son prefabricadas y consistenen un módulo tubular con unas chapas “romboi-dales” situadas alrededor (diafragma)para la unión con los baos, tal y comose muestra en la figura 5. Este tipo deunión requiere unas especificacionesdel material y procedimientos de sol-dadura especiales.

Uniones Rigidizadas

La unión de las chapas delalma a las paredes del tubo transfierelas cargas de esfuerzo cortante. Lachapa romboidal transmite el momen-to en combinación con una anchuraanular efectiva del módulo tubular. Laresistencia diseñada, para las cargasponderadas, se verifica normalmentemediante la fórmula de Kamba experi-mental, simplificada por Kurobane [6]de la siguiente manera:

NRd =

donde:

NRd es la resistencia proyectadapara el ala para la carga pon-derada

fy es la tensión de fluencia delmódulo del pilar de cubierta

b1 es la anchura de ala del baode cubierta

do es el diámetro exterior del tubo

to es el espesor de pared del módulo delpilar de cubierta

ts es el espesor de la chapa anular

hs es la anchura menor de la chapa anu-lar

bf′ = 2 h +

2d

so

)h + t( t t 1,9) +d

b (4,29 . f sosoo

’f

y

280

MbwMcw

V do

2

Mcw = Mbw -V do

2

do 2

do 2

Diagrama de momentos flectores

Línea principal

Pared del módulo tubular

R

R = 50

Figura 5 Unión típica en una estructura principal tipo pórtico

Campos de validez:

El esfuerzo axial del ala N, se deriva apartir de N = Mcw/(h1 - t1) (véase la figura 5).Esta fórmula se basa en los resultados de ensa-yos efectuados sobre una unión con rigidizacióncircular con dos cargas opuestas; actualmentese está llevando a cabo una investigación másdetallada [7]. En el caso de carga multiplanar,para cuatro cargas que actúen en la mismadirección, la resistencia de la unión será mayor.No obstante, si las dos cargas en una direcciónson de tracción y las dos que actúan en la direc-ción perpendicular a la de estas primeras cargasson de compresión, es posible que se observeuna reducción de la resistencia de la unión. Lareferencia [7] informa que se observó que esteaumento ascendía como máximo al 30%.Además, si el pilar se carga mediante una ten-sión de compresión axial que ascienda al 60%del valor de fluencia, es necesario reducir laresistencia de la unión en un 20%.

Uniones No Rigidizadas

En el caso de las estructuras de tipo viga decelosía, la unión del bao al pilar ha de transferir fun-damentalmente la carga axial y podría utilizarse unaunión no rigidizada, como la que se muestra en lafigura 6; no obstante, este procedimiento todavía noconstituye una práctica habitual. Si existe la sufi-ciente capacidad de deformación, es posible ignorarlos momentos flectores secundarios en el caso decargas estáticas. No obstante, si resulta necesarioverificar la carga de fatiga, se debe tener cuidadocon estos momentos flectores secundarios, puestoque los coeficientes de concentración de tensionesen la unión del ala a la barra tubular son bastanteelevados. En la práctica, estos coeficientes de con-centración de tensiones pueden ser del orden de 10

para (véase [8].)

La resistencia estática proyectada para lacarga ponderada de la unión no rigidizada sedetermina mediante la resistencia de la unión

del ala al tubo, que puede basarse en el modeloanular de Togo (véase la lección 15.2.) Euro-código 3 [3] y [9] proporciona la resistencia pro-yectada para las cargas del ala en una dirección(carga de unión en X).

NRd =

donde:

NRd es la resistencia diseñada para el alapara la carga ponderada

k . )0,81 (1

5,0 . t . f p2

oyo

β−

1,0 = t

t and 0,4 = d

b 25, = t

d

o

1

o

1

o

o

0,7 d

b 0,3 0,3 d

h 0,07 50 t

d 15o

1

o

s

o

o ≤≤≤≤≤≤

281

UNIONES DEL BAO AL PILAR DE LA CUBIERTA

Distribución elástica de las tensiones en el ala

Pilar del suelo, perfil usual 1000-1600mm O.D.

Habitualmente 30 mm

Habitualmente 50 mmdo

tot1

h1

Bao

Módulo tubular del pilar del suelo

Figura 6 Unión no rigidizada entre bao y pilar del suelo

y

fyo es la tensión de fluencia del módulo de launión

to es el espesor de la pared del módulo dela unión

β es el indice de la anchura de ala b1 conrespecto al diámetro del módulo do

kp es la función de influencia para la tensiónadicional en el cordón.

Campos de validez:

0,4 ≤ β ≤ 1,0

Para los momentos flectores en el plano,el esfuerzo axial N se deriva de N = Mcw/(h1 -t1),tal y como se muestra en la figura 5.

En el caso de una carga axial, las unionesde ala pueden interactuar de manera que laresistencia de la unión (perfil en I a barra tubular)

no sea el doble de la resistencia de una unión deala, pero:

NRd .

Por lo tanto, es necesario verificar la unióndel bao al pilar con respecto a:

NSd ≤ NRd

Mipsd ≤ NR.d (h1 - t1)

Actualmente, en el caso de carga multi-planar con cargas y momentos que actúan endirección opuesta, se recomienda la mismareducción de la resistencia de la unión de un30% que se ha recomendado anteriormente, apesar de que las investigaciones iniciales indi-quen que se trata de un margen demasiado cau-teloso [10]. No es necesario aplicar ningunareducción cuando las cargas actúan en la mismadirección.

d

h 0,25 + 1o

1

d

h 0,25 + 1o

1

50 t

d 15o

o ≤≤

282

6. UNIONES ENTRE BAOS Y PILARES

Los pilares entre las cubiertas resultannecesarios cuando las superficies externas de

los módulos están revestidas o cuando se pro-porcionan estructuras en ménsula o áreas parala distribución. La unión con los baos decubierta puede ser flexible en la dirección lon-gitudinal si estos pilares únicamente han de

resistir la carga lateral. Noobstante, si se utilizan con elfin de transferir cargas desdelas estructuras en ménsula aambas cubiertas, las unionesdeben tener la misma resis-tencia que el pilar o la sufi-ciente capacidad de deforma-ción.

La figura 7 muestra unposible detalle de resistenciatotal para pilares conectados auna viga compuesta, con posi-bles vigas laterales conectadasy una estructura en ménsulaextendida. En este caso, elalma de la viga compuesta fina-liza antes del ala con el fin depermitir la soldadura de la sec-ción tubular entre las alas. Losperfiles de vigas en I, inclusode diferentes alturas, puedensoldarse fácilmente a esta sec-ción tubular y los pilares pue-den soldarse a las alas.

El módulo de la unióndebe tener aproximadamenteel mismo diámetro y espesorque el pilar. En la figura 7, lasvigas longitudinales y una vigaGerber también se conectan aeste módulo. En este caso, laresistencia al momento flectorla determina la unión del alainferior al módulo tubular, demanera similar a la discutida enel apartado 5.

283

UNIONES ENTRE BAOS Y PILARES

Viga principal: viga compuesta o viga laminada de alas anchas

Viga en voladizo

Unión del ala inferior de la viga transversal

Figura 7 Unión entre pilar de pared y viga de suelo, aplicando un elemento tubu-lar soldado

7. UNIONES DE LAS VIGAS DE CELOSÍAPuesto que las vigas principales de las

vigas de celosía forman parte de los pisos de lascubiertas, casi siempre se fabrican a partir deperfiles en I o en doble T; en casos excepciona-les se utilizan secciones tubulares soldadas. Lasdiagonales son secciones huecas tubulares orectangulares o perfiles en doble T; todos ellospresentan ventajas y desventajas con respectoal coste del material, mantenimiento y fabrica-ción. Cuando estas diagonales se conectan auna viga principal de perfil en I, se debe rigidizarla viga principal con el fin de obtener una resis-tencia completa de la unión; debe tenerse encuenta que es posible que se tengan que conec-tar los baos intermedios a la viga principal eneste lugar. El diseño de la unión debe ser tal quetanto la fabricación como la inspección sean fáci-les de llevar a cabo.

La figura 8 muestra algunos detalles de launión para vigas de celosía sometidas a unacarga ligera.

Generalmente, estas uniones no desa-rrollan una resistencia igual o mayor que el lími-

te elástico de las diagonales. Por lo tanto, esnecesario que la unión disponga de la suficien-te capacidad de deformación. No obstante, tansólo se dispone de evidencias experimentalespara las uniones efectuadas de acuerdo con lafigura 8a.

Desde el punto de vista de la fabricación,son preferibles las uniones con una separaciónentre los refuerzos. No obstante, las unionescon arriostramientos solapados, como las quese muestran en las figuras 8c y 8d, son másfuertes.

La resistencia de la unión puede estarcontrolada por varios criterios, dependiendo dela geometría:

a. resistencia del alma de la viga principal

b. pandeo del alma del cordón bajo unarriostramiento de compresión

c. el esfuerzo cortante del alma de la vigaprincipal entre las diagonales de unaunión con separación

d. el pandeo del alma del cordón

e. la anchura efectiva del arriostramiento(diagonal)

f. el colapso por esfuerzo cortante delarriostramiento en la unión del ala

g. el colapso de la soldadura (que se ha deevitar mediante soldaduras de resistenciatotal)

h. desgarro laminar (que se ha de evitarmediante la utilización de material TTPpara el ala)

En el caso de las uniones efectuadas deacuerdo con la figura 8a, Eurocódigo 3 [3] pro-porciona unas fórmulas para la resistencia cal-culada que pueden utilizarse, modificadas, paralas uniones de las figuras 8b a 8d.

El alcance de esta lección no permiteque se traten detalladamente todas las uniones,aunque, no obstante, en la figura 9 se ofrece unejemplo para una unión entre refuerzos tubula-res y un cordón de perfil en I.

284

(a) (b)

(c) (d)

Figura 8 Uniones sin rigidizar de vigas de celosía bajo cargaligera

285

UNIONES DE LAS VIGAS DE CELOSÍA

B BA A

θ1

N1 N2

t1

tp

bm1

bm

be

be1

bm2

be2

t2

bf

tf

tw

d1

Configuración de la unión

Área eficaz en la sección transversal A - A (una diagonal)

Área eficaz en la sección transversal B - B (una diagonal)

Transferencia principal de carga

Figura 9 Áreas eficaces para el diseño de una unión de celosía rigidizada con chapas y con separación

La resistencia de la unión con respecto alas cargas axiales en la intersección del cordón(sección transversal A) está gobernada por elárea de la anchura efectiva:

Aeff.c = 2 (bm1 tp + bm2 tw)

Para la intersección del arriostramiento, laanchura eficaz se obtiene mediante:

Aeff.b = 2 (be1 + be2) tpPor lo tanto, la resistencia de la unión se

obtiene a partir de:

N2sen θ2 = Aeff.c fyo

y

N2sen θ2 = Aeff.b fyo

Eurocódigo 3 (6.6.8 yApéndice K, tabla K.8.2)proporcionan las anchuraseficaces bm1, bm2, be1 y be2.

Es necesario verifi-car, como comprobaciónadicional, la sección trans-versal del cordón entre losarriostramientos en lo rela-tivo al esfuerzo cortante encombinación con la cargaaxial y los momentos flecto-res (véase la tabla K.8.2. deEurocódigo 3.)

Además, el cordón ylos arriostramientos han desatisfacer los límites parad/t y h/t con el fin de evitarla abolladura.

Es necesario evitarsiempre tanto el colapso dela soldadura como el des-

garro laminar mediante la elección de soldadu-ras de resistencia completa y la selección de laclase y calidad del acero.

Cuando la resistencia de la unión es infe-rior a la resistencia de la barra del arriostramien-to y, además, se ignoran los momentos flectores,es necesario disponer de la suficiente capacidadde rotación. Puesto que es difícil demostrar queexiste la suficiente capacidad de deformacióndebido a la falta de evidencias de las investiga-ciones, es necesario o bien incorporar losmomentos flectores a la evaluación de la resis-tencia o rigidizar la unión de tal manera que suresistencia sea superior a la resistencia de labarra del arriostramiento, como se muestra en lafigura 10.

286

d1 t1t3

t2d2

tw

tp

d3

Para áreas eficaces, aplicación de los principios de las figura 7 y 9

Figura 10 Unión de viga de celosía rigidizada

8. UNIONES ESPECIALES

Las secciones anteriores se han ocupadode los tipos de unión más comunes; no obstan-te, dependiendo del plan de conjunto de la plata-forma, es posible que resulten necesarios otrostipos de uniones. La figura 11, por ejemplo,muestra la unión entre dos paneles de chapasrigidizadas. En este caso, ambos paneles hansido fabricados mediante procesos de soldadura(semi) automática. Las tolerancias de la solda-dura se proporcionan efectuando el soldeo delos trancaniles con posterioridad al montaje delos paneles. Este procedimiento puede utilizarsepara los módulos diseñados mediante la utiliza-ción del método del cerramiento resistente.

El levantamiento de los módulos exigedisposiciones especiales; es posible, por ejem-plo, proporcionar cáncamos y muñones paraeste fin, tal y como se muestra en la figura 12;actualmente, hay ocasiones en las que estos dis-positivos se fabrican en fundición. Es importanteque estos dispositivos para el levantamiento sediseñen de tal manera que puedan conectarse ala estructura del módulo durante una etapa pos-terior en la que se conozcan tanto el emplaza-miento exacto del centro de gravedad del módu-lo como el procedimiento de levantamiento.

Frecuentemente la evaluación de la resis-tencia de los cáncamos se efectúa mediante lasfórmulas de “Lloyds”, que se presentan en el for-mato de carga útil de seguridad (CUS).

La carga útil de seguridad es el menor delos siguientes valores de Ni:

N1 = 0,60 (a tL + 2 b tE) fy

N2 = 1,08 (c tL + (D - d) tE) fy

N3 = 0,87 d (tL + 2 tE) fy

donde son aplicables las siguientes limitaciones:

• 1,0 ≤ ≤ 8,0

t 2 + t

d

EL

287

UNIONES ESPECIALES

Figura 11 Unión entre dos paneles de chapas rigidizadas

Alzado

Planta

(a) Muñon

(b) Cáncamo (c) Dimensiones del cáncamo

c

a b

d

D

tE

tL

WL > tE /3

Figura 12 Diseño de los puntos de elevación

• y si ≤ 1,0

entonces se utiliza tL + 2 tE = d en las fórmulasanteriores.

• tE no debe ser superior a tL/2

• dAGUJERO/dPERNO ≤ 1,05

Esta lección no se ocupa de las unio-nes tubulares puesto que éstas ya se discu-

tieron con mayor detalle en las lecciones 15.2y 15.3.

En el caso de las estructuras decubierta de las plataformas petrolíferasensambladas a partir de paneles de chaparigidizada, se deben consultar las lecciones10.3 y 10.4.

Para los alojamientos y el helipuerto, sepuede utilizar la información contenida en lassecciones anteriores.

t 2 + t

d

EL

288

9. RESUMEN FINAL

• El diseño óptimo de las estructuras de losmódulos de las plataformas petrolíferas de-pende en gran medida de la coordinaciónentre los especialistas de las diversas disci-plinas; la coordinación entre los ingenierosestructurales, mecánicos, eléctricos, de fa-bricación, del embarque y del montaje revis-te una gran importancia para el plan de con-junto.

• El diseñador de estructura tiene que consi-derar la siguiente secuencia; las condicio-nes para la soldadura y la inspección (porejemplo, ¿es posible efectuar la soldaduracorrectamente?); las consecuencias de laelección de la clase y de la calidad delmaterial sobre la fabricación; y las diversascondiciones de carga.

• En general, el diseño de la mayor parte delas uniones puede basarse en las fórmulasbásicas utilizadas para las uniones tubula-res y para las uniones viga/pilar. En [1, 2, 9,11 - 15] se proporcionan unas nocionesbásicas al respecto.

• Recientemente se ha llevado a cabo unestudio con el fin de investigar la utilizaciónde RHS en las estructuras de los módulos[16]. Este estudio demuestra que la utiliza-ción de RHS, en lugar de vigas laminadas,para las vigas de celosía de los módulospuede resultar una opción económica. Noobstante, debido a las limitaciones en cuan-to a los tamaños disponibles, las solucioneseconómicas han de buscarse en menorestamaños de las plataformas y en estructu-ras metálicas secundarias tales como torresde escaleras, plataformas de acceso y apo-yos para los equipos.

10. BIBLIOGRAFÍA

[1] API-RP2A “Recommended Practice forPlanning, Designing and Constructing FixedOffshore Platforms”. American PetroleumInstitute, 18th Edition, 1989

[2] AISC “Specification for the Design, Fabricationand Erection of Structural Steel for Buildings”.American Institute of Steel Construction, Chicago,1980

[3] Eurocódigo 3: “Design of Steel Structures”:ENV 1993-1-1: ENV 1993-1-1: ENV 1993-1-1:Part 1.1, General Rules and Rules for Buildings,CEN, 1992.

[4] Dijkstra, O.D., Wardenier, J. “The FatigueBehaviour of Welded Splices with and withoutMouseholes in IPE 400 and HEM 320 beams”.Paper 14 Int. Conference Weld Failures,November 1988, London

[5] Lindner, F. and Gietzeit, R. “Zur Tragfähigkeitausgeklinkter Träger” Stahlbauwz. 1985.

[6] Kurobane, Y. “New Developments andPractices in Tubular Joint Design”. IIW doc. XV-488-81/XIII-1004-81, International Institute ofWelding, 1981

[7] Rink, H.D., Wardenier, J. and Winkel, G.D. de“Numerical Investigation into the Static Strengthof Stiffened I-Beam to Column Connections”.Proceedings International Symposium onTubular Structures, Delft, June 1991. DelftUniversity Press.

[8] Hertogs, A.A., Puthli, R.S. and Wardenier, J.“Stress Concentration Factors in Plate to TubeConnections”. Proceedings ASME/OMAEConference, March 1989, Vol. II, pp. 719-727

[9] Wardenier, J. “Hollow Section Joints”. DelftUniversity Press, Delft, 1982

[10] Broek, T.J. van der, Puthli, R.S. andWardenier, J. “The Influence of MultiplanarLoading on the Strength and Stiffness of Plate toTubular Column Connections”. ProceedingsInternational Conference “Welded Structures90”, London, UK, November 1990

[11] DNV “Rules for the Design, Constructionand Inspection of Fixed offshore Structures”1977 (con correcciones 1982)

289

BIBLIOGRAFÍA

[12] Lloyd’s Register “Rules and Regulations forthe Classification of Fixed Offshore Installation”.London, July 1988

[13] IIW-XV-E “Design Recommendations forHollow Section Joints - Predominantly StaticallyLoaded - 2nd edition”. 1989, IIW doc XV-701-89

[14] UEG “Design of Tubular Joints for OffshoreStructures”. UEG, London, 1985 (3 volumes)

[15] Voss, R.P. “Lasteinleitung in geschweissteVollwandträger aus Stahl im Hinblick auf dieBemessung von Lagersteifen”. Ph.D-Thesis, TUBerlin D83, 1983

[16] Guy, H.D. “Structural Hollow Sections forTopside Constructions”. Steel ConstructionToday, 1990, 4


1. Marshall, P.W. “Design of Welded TubularConnections: Basis and Use of AWS Provisions”.Elsvier, 1991

2. Schaap, D., Pal, A.H.M. v.d., Vries, A. de.,Dague. D. and Wardenier, J. “The Design ofAmoco’s `Rijn’ Production Platform”. Proceedingsof the International Conference on Steel andAluminium Structures, Cardiff, UK, 8-10 July 1987,Vol. Steel Structures

3. Paul, J.C., Valk, C.A.C. v.d., and Wardenier, J.“The Static Strength of Circular Multiplanar X-joints”. Proceedings of the third IIW InternationalSymposium on Tubular Structures, Lappeenranta,September 1989

290



Problema resuelto 17.3: Unión del Bao al Pilar de Suelo

291

293

CONTENIDO

CONTENIDO

Problema Resuelto 17.3: Unión del Bao al Pilar de Suelo

1. Resumen

2. Ejemplo de proyecto: unión del bao al pilar de suelo

2.1 Unión de bao rigidizado al pilar de suelo

2.2 Unión de bao no rigidizado al pilar de suelo

2.3 Comparación de las uniones de los baos rigidizados y no rigidizados al pilar de suelo

1. RESUMEN

Este ejemplo proporciona cálculos para las uniones de vigas I a un pilarde suelo tubular. Se evalúan los efectos de varias cargas, así como elefecto de un rigidizador circular.

294

Referencia

2. EJEMPLO DE PROYECTO: UNIÓN DEL BAO AL PILAR DE SUELO

Normalmente, las uniones del bao al pilar de suelo se efectúan mediantechapas romboidales, tal y como se muestra en la figura 5 de la lección17.12. No obstante, en el caso de cargas ligeras es posible utilizar unionesno rigidizadas, como también se muestra en la figura 11 de la lección. Eneste ejemplo se consideran ambos tipos de unión. En las plataformas petro-líferas resulta habitual trabajar con tensiones admisibles y cargas no pon-deradas; sin embargo, en este ejemplo se utilizan cargas ponderadas y lasresistencias del cálculo del estado límite con el fin de mantener la coheren-cia con el Eurocódigo 3.

295

EJEMPLO DE PROYECTO DEL BAO…

Referencia

b'f

hs = 150ts = 30

1500

30

20

400

Junta tubular 1500 φ × 50

M1Sd

M1

1

Figura 1 Unión rigidizada que es necesario verificar

2.1 Unión de Bao Rigidizado al Pilar de Suelodo = 1500 mm } Tubular

to = 50 mm } Pilar de suelo

h1 = 1500 mm }

b1 = 400 mm } Viga compuesta

t1 = 30 mm } Bao

tw = 20 mm }

hs = 150 mm }

ts = 30 mm } chapas romboidales

bf = 1272 mm }

Clase de Acero S355

fy = 355 N/mm2 (t ≤ 40 mm)

fy = 335 N/mm2 (t > 40 mm)

En el emplazamiento (1), el momento máximo del cálculo elásticode la resistencia del bao (sección transversal del alma: Clase 3) es:

= 8715 × 106 Nmm

Supongamos, para este ejemplo, que M1.Sd en la unión del pilar detablero será un 10% mayor, es decir, M1.Sd = 9587 kNm.

Las chapas romboidales han de transferir estemomento; las fuerzas resultantes N1.Sd son:

N1.Sd =

Nota: Si el bao está cargado mediante lacombinación de un momento y una carga axial,las chapas romboidales también tienen quehacerse cargo de la carga axial y es necesariotener en cuenta la carga combinada.

En este caso es necesario verificar la unión de las chapas romboi-dales para N1.Sd = 6522 kN.

kN 6522 = 1,47

9587

355 )60 (1500 20 6

1 + 30) (1500 30 400 = M 2

Sd1.

−×××××

296

Referencia

1470

N1

N1

La resistencia proyectada se obtiene mediante la ecuación:

N1.Rd =

=

= 7614 kN > 6522 kN

Por lo tanto, la unión del bao al pilar es más fuerte que el bao; noobstante, es preciso tener presentes los puntos siguientes:

• Si el pilar soporta una carga pesada a compresión, la resistenciade la unión puede reducirse hasta un 20%.

• Si todos los baos están cargados hasta la resistencia proyectadamáxima, con los momentos en los dos planos en sentidos opues-tos, la resistencia de la conexión puede reducirse hasta un 30%.

El esfuerzo de cizallamiento del bao puede transferirse directamen-te al pilar a través de las soldaduras. Las soldaduras se calculan demanera que sean, por lo menos, igual de fuertes que el alma.

150) + (50 30 50 1,9 + 1500

1272 4,29 0,355

)h + t( t t 1,9 + d

b 4,29 f sosoo

’f

yo

297


Referencia

Lección 17.12

2.2 Unión de Bao no Rigidizado al Pilar de Suelo

Por motivos de simplicidad, se han tomado las mismas dimensionesy clases de acero que en el caso de la unión rigidizada.

El momento proyectado de resistencia del bao es 8715 kNm (yaindicado anteriormente).

El momento calculado de resistencia de la unión se obtiene median-te la resistencia calculada al esfuerzo axil de la unión del ala multi-plicada por la altura del bao:

M1.Rd =

No obstante, la validez de esta fórmula se limita a β ≥ 0,4 mientrasque β = 0,27 (kp: se expresa a continuación).

Considerando la función de influencia, f(β), es posible adoptar lasiguiente hipótesis cautelosa:

)t h( k 0,81 1

5,0 t f 11p2

oyo −××β−

×

298

Referencia

Lección 17.12

1500

30400

1500 φ × 50

M1Sd

Figura 2 Unión no rigidizada que es necesario verificar

Para valores de β reducidos f(β) ≈ 16,2 β (consultar la figura 3).

Así pues, utilizando la ecuación:

M1.Rd = fyo × to2 × (16,2 β) × kp (h1 - t1)

= 0,355 × 502 × 16,2 × 0,27 × 1,470 kpkNm

= 5706 kp kNm

kp = 1 + 0,3 (np - np2) ≤ 1,0

con np =

• Donde la tensión de compresión σop en el pilar, en el estado lími-te, es igual a la tensión de fluencia fyo del pilar: np = -1 lo que pro-porciona kp = 0,4. Esto da como resultado una reducción del 60%de la resistencia de la unión.

• En el caso de carga multiplanar, con momentos iguales en senti-do opuesto en los dos planos, es necesario aplicar una reducciónde la resistencia aún mayor, de un 30%.

fyo

opσ

299


ReferenciaN1

fyo to2

f (β) = 51-0,81β

Hipótesis conservadora para valores pequeños de β

28

25

20

16

12

8

4

0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 β

Figura 3 Coeficiente del momento (f(β)

2.3 Comparación de las Uniones de los BaosRigidizado y No Rigidizado al Pilar de Suelo

• La comparación muestra que la resistencia calculada de launión rigidizada es mayor que la de la conexión no rigidizada, sibien la diferencia es menor de lo que podría esperarse en unprincipio.

• Este resultado se produce fundamentalmente como consecuen-cia de la diferencia en el margen de seguridad adoptado paracada caso. Debido a que tan sólo se dispone de evidencias expe-rimentales limitadas para la conexión rigidizada, el margen deseguridad adoptado es mayor que en el caso de la unión no rigi-dizada. Además, el colapso de la unión rigidizada es debida alpandeo plástico de la chapa romboidal, mientras que el colapsode la unión no rigidizada está causada por la plastificación de lapared del cordón asociada a grandes deformaciones, lo que final-mente produce un colapso por cizallamiento de punzonamiento.

• La resistencia de la unión no rigidizada se ve afectada en mayormedida por la carga del cordón o del pilar que la de la unión rigi-dizada. Este efecto está directamente relacionado con las defor-maciones de la pared del cordón.

• El efecto de la carga multiplanar es prácticamente el mismo, apesar de que podría esperarse que fuera peor en el caso de launión no rigidizada.

• Bajo carga de fatiga, el comportamiento de la unión rigidizada esconsiderablemente mejor que el de la unión no rigidizada, puestoque los coeficientes de concentración de tensiones son unas 3 o4 veces inferiores a los de las uniones no rigidizadas.

• Actualmente las uniones mencionadas con anterioridad se estánestudiando en mayor profundidad dentro del marco de un progra-ma de investigación.

En vista de las consideraciones anteriores, es posible concluir queno siempre es necesario rigidizar una unión bao-tubo.

300

Referencia

DIAPOSITIVAS COMPLEMENTARIAS DEL TOMO 17:

SISTEMAS ESTRUCTURALES. PLATAFORMAS PETROLÍFERAS

301

303

T17c1 Fabricación

T17c2 Fabricación

T17c4 Fabricación T17c5 Fabricación

T17c7 Fabricación de estructura de tableroT17c6 Fabricación: transporte de nudo en plataforma

T17c3 Fabricación

304

T17c8 Montaje de plataforma mediante izada de elemen-tos prefabricados

T17c10 Fase final de soldadura de plataforma antes deltransporte

T17c12 Montaje de plataforma petrolífera

T17c13 Montaje de plataforma petrolífera

T17c9 Montaje de plataforma de la BP en dique seco

T17c11 Plataforma petrolífera preparada para transporte

T17c14 Instalación de plataforma

305

T17c15 Construcción de plataforma de perforación semi-sumergible

T17c16 Plataforma de perforación semisumergible

T17c18 Plataforma de perforación semisumergible T17c19 Construcción de plataforma en dique seco

T17c21 Plataforma CFEM T 2005 de forma triangularT17c20 Transporte de plataforma con patas en posiciónelevada

T17c17 Construcción de plataforma de perforación semi-sumergible

306

T17c22 Pata de anclaje

T17c23 Extremo de pata de anclaje

T17c25 Preparación de dique seco (comienzo de proyec-to, mes 0)

T17c26 Preparación de nudos principales

T17c24 Pata de anclaje en ubicación definitiva

T17c27 Pata de anclaje en ubicación definitiva

307

T17c28 Izado de tanques de flotación

T17c29 Prefabricación de guías conductoras

T17c31 Comienzo de montaje (mes 8)

T17c32 Fase final del montaje (mes 13)

T17c30 Comienzo de montaje

T17c33 Fase final del montaje (mes 15)

308

T17c34 Transporte de estructura acabada a su ubicación definitiva

T17c35 Estructura montada en su ubicación definitiva

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