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Por qué es esencial una modelización eficiente de las cargas hidrodinámicas para lograr plataformas marinas sostenibles

/ 19 Jun 2024 / por: Yurii Shumak

Estructuras marinas y offshore

A medida que se intensifica el cambio climático y sube el nivel del mar, la resistencia de las plataformas en alta mar es más crítica que nunca. Conozca cómo la modelización avanzada de la carga de las olas está ayudando a los ingenieros a diseñar estructuras que puedan resistir los crecientes desafíos de nuestros océanos cambiantes.

Fundamentos de la modelización de la carga del oleaje

La interacción de las olas con las estructuras marinas es un fenómeno complejo, regido por los principios de la dinámica de fluidos. En su esencia, la carga de las olas surge del campo de presión fluctuante inducido por el movimiento de las olas. Para modelizar este comportamiento, los ingenieros suelen emplear teorías del oleaje, que van desde la teoría simplificada del oleaje lineal hasta teorías más sofisticadas de orden superior que tienen en cuenta las no linealidades del oleaje.

Carga de las olas sobre la cubierta de acero de una plataforma PUQC (campo petrolífero de Rong Doi, Vietnam)

Teoría de la carga de las olas

La ecuación de Morison es una piedra angular del análisis de cargas hidrodinámicas para estructuras en alta mar. Proporciona un marco semi-empírico para estimar la fuerza por unidad de longitud ejercida por las olas sobre miembros cilíndricos esbeltos, como las patas de las plataformas con cubierta. La ecuación engloba dos componentes principales de la fuerza:

1. Fuerza de arrastre (Fd): Esta fuerza surge de la resistencia del flujo de agua alrededor del miembro. Es proporcional al cuadrado de la velocidad del flujo y se caracteriza por el coeficiente de arrastre (Cd), que depende de la forma del miembro, la rugosidad de la superficie y el número de Reynolds.

2. Fuerza de inercia (Fi): Esta fuerza resulta de la aceleración del agua que rodea al miembro al paso de la ola. Es proporcional a la aceleración del flujo y se caracteriza por el coeficiente de inercia (Cm), que tiene en cuenta el efecto de la masa añadida.

La ecuación de Morison combina estas fuerzas de la siguiente manera:

F = Fd + Fi

Dónde:

• F es la fuerza total por unidad de longitud
• Fd = (1/2) ρ Cd D u * |u| (fuerza de arrastre)
• Fi = ρ Cm (π/4) D^2 du/dt (fuerza de inercia)
• ρ es la densidad del fluido
• D es el diámetro del miembro
• u es la velocidad del flujo
• du/dt es la aceleración del flujo

Teoría de las ondas lineales (Teoría de las ondas de Airy)

Esta teoría fundamental proporciona una aproximación razonable para muchas aplicaciones de ingeniería en alta mar. Asume olas de pequeña amplitud y perfiles de olas sinusoidales, lo que la hace eficiente desde el punto de vista computacional. Los parámetros clave de las olas en este contexto son la altura (H), el periodo (T) y la longitud de onda (L), que están interrelacionados.

Teorías ondulatorias de orden superior

Para olas más pronunciadas o situaciones en las que los efectos no lineales se vuelven significativos (por ejemplo, aguas poco profundas), las teorías de orden superior como la teoría de olas de Stokes o la teoría de olas cnoidales ofrecen una mayor precisión. Estas teorías tienen en cuenta la asimetría de las olas, las crestas puntiagudas y otros fenómenos no lineales.

Para profundizar en los retos de la verificación de las estructuras en alta mar, en particular de las plantas eólicas flotantes, explore nuestro artículo sobre los problemas de la verificación de estas estructuras según las normas del sector.

Componentes de carga: Fuerzas en línea y transversales

Las fuerzas inducidas por las olas que actúan sobre las estructuras marinas pueden descomponerse en dos componentes ortogonales:

1. Fuerza en línea (F_x): Este componente de la fuerza actúa en paralelo a la dirección de propagación de las olas. Surge principalmente del componente de fuerza de arrastre de la ecuación de Morison y es responsable de empujar o tirar de la estructura en la dirección de propagación de la ola. Las fuerzas en línea son típicamente el componente de fuerza dominante para los miembros esbeltos como las patas de la cubierta.

2. Fuerza transversal (F_y): Esta componente de la fuerza actúa perpendicularmente a la dirección de propagación de la onda. Surge tanto de los componentes de la fuerza de arrastre como de la fuerza de inercia de la ecuación de Morison y es responsable de inducir vibraciones laterales y momentos de flexión en la estructura. Las fuerzas transversales son especialmente significativas en los miembros de mayor diámetro o con formas no cilíndricas.

Comprender la interacción entre las fuerzas en línea y transversales es esencial para evaluar el patrón de carga global sobre una estructura. Por ejemplo, la combinación de fuerzas en línea y transversales puede dar lugar a complejos fenómenos de desprendimiento de vórtices, que pueden inducir cargas dinámicas adicionales sobre la estructura.

Implementación del SDC Verifier

SDC Verifier simplifica el proceso de modelado de la carga de las olas proporcionando una interfaz fácil de usar y un robusto motor de cálculo. Aquí tiene una guía paso a paso para configurar un caso de carga de oleaje:

La pestaña «Gráfico de oleaje» de la imagen muestra cómo SDC Verifier proporciona una representación visual del perfil de oleaje calculado y sus parámetros asociados.

Coeficientes de onda

Para traducir la cinemática de las olas en fuerzas que actúan sobre la estructura, SDC Verifier emplea coeficientes de olas, a saber:

• Coeficiente de arrastre (Cd): Este coeficiente cuantifica la resistencia de un elemento estructural al flujo en la dirección de propagación de la onda. Depende de la forma del elemento, de la rugosidad de la superficie y del número de Reynolds.
• Coeficiente de inercia (Cm): Este coeficiente tiene en cuenta la fuerza necesaria para acelerar el agua que rodea al elemento estructural. Está influido por la geometría del elemento y el efecto de la masa añadida.
• Diámetro hidrodinámico (Dh): Este parámetro representa el diámetro efectivo del elemento estructural para los cálculos de carga hidrodinámica. Se suele utilizar junto con la ecuación de Morison para estimar las fuerzas del oleaje sobre miembros esbeltos.

SDC Verifier permite a los usuarios definir estos coeficientes para diferentes tipos de elementos basándose en datos empíricos, pruebas de modelos o directrices industriales.

Modelización avanzada de la carga de las olas

Los entornos de alta mar son dinámicos y están sujetos a un amplio espectro de condiciones de oleaje. Para garantizar la solidez estructural, los ingenieros deben tener en cuenta múltiples escenarios de oleaje que abarcan distintos estados del mar, fenómenos tormentosos y variabilidad direccional.

La importancia de un análisis riguroso de la carga de las olas para desarrollar soluciones seguras y responsables desde el punto de vista medioambiental se puso de manifiesto durante el desmantelamiento de la boya de almacenamiento y carga de petroleros Brent Spar, donde se necesitaron planes alternativos después de que las propuestas iniciales se enfrentaran a un intenso escrutinio.

Escenarios de olas múltiples

SDC Verifier permite la creación y gestión de múltiples casos de carga de olas dentro de un mismo proyecto. Esto permite a los ingenieros evaluar la respuesta estructural a diferentes alturas, periodos y direcciones de las olas, capturando toda la gama de condiciones de carga potenciales. Por ejemplo, un diseño podría incluir:

• Estado operativo del mar: Condición de oleaje representativa del funcionamiento normal, caracterizada por alturas y periodos de oleaje moderados.
• Estado extremo del mar: Un acontecimiento raro pero crítico, como una tormenta de 100 años, con olas de altura significativamente mayor y periodos más largos.
• Variación direccional: Múltiples casos de carga de olas con direcciones de olas variables para evaluar el impacto del ataque de olas oblicuas sobre la estructura.

Personalizar la dirección de las ondas

SDC Verifier proporciona flexibilidad en la definición de la dirección de las olas. Los usuarios pueden especificar el ángulo de aproximación de las olas con respecto al sistema de coordenadas global, lo que permite simular olas procedentes de cualquier dirección.

Esto es especialmente importante para las estructuras con geometrías asimétricas o las situadas en zonas con patrones de oleaje complejos, y especialmente crítico cuando se modelan acontecimientos extremos como huracanes u olas rebeldes para garantizar la resistencia de la plataforma.

Exportación de datos de carga de onda

Para facilitar su posterior análisis o verificación, SDC Verifier permite exportar los datos de carga de onda en varios formatos (por ejemplo, CSV, Excel). Estos datos exportados pueden utilizarse para:

• Post-procesamiento: Realización de análisis detallados de las distribuciones de carga de las olas, cálculo de fuerzas y momentos máximos y generación de informes personalizados.
• Verificación externa: Comparación de los resultados del SDC Verifier con los obtenidos con otras herramientas de software o métodos analíticos para garantizar su precisión y coherencia.
• Optimización del diseño: Utilización de los datos de carga del oleaje para perfeccionar el diseño estructural, minimizando el uso de materiales y manteniendo los márgenes de seguridad.

Crecimiento marino

El crecimiento marino, la acumulación de organismos biológicos en estructuras sumergidas, es un reto persistente en la ingeniería de alta mar. Aunque aparentemente benigno, el crecimiento marino puede alterar significativamente las propiedades hidrodinámicas de los miembros estructurales, provocando un aumento de las fuerzas de arrastre e inercia y, en consecuencia, mayores cargas estructurales.

Tipos comunes de crecimiento marino

Diferentes tipos de organismos marinos colonizan las estructuras marinas, cada uno con patrones de crecimiento y efectos únicos:

• Crecimiento duro: Los percebes, los mejillones y los gusanos tubícolas forman conchas duras y calcáreas que se adhieren tenazmente a las superficies. Este tipo de crecimiento aumenta significativamente la rugosidad de la superficie y el diámetro hidrodinámico, lo que provoca mayores fuerzas de arrastre.
• Crecimiento blando: Las algas, los hidroides y los briozoos forman colonias más blandas y flexibles. Aunque su impacto en el arrastre es menos pronunciado que el crecimiento duro, aún pueden contribuir a aumentar las cargas, sobre todo en zonas con velocidades de flujo elevadas.

Directrices de la industria para contabilizar el crecimiento marino

Reconociendo la importancia de las consideraciones sobre el crecimiento marino en el diseño de plataformas marinas, las directrices de la industria ofrecen recomendaciones para mitigar su impacto:

• DNVGL-RP-C205 : Esta práctica recomendada proporciona una orientación exhaustiva sobre la evaluación del espesor del crecimiento marino, su efecto sobre las cargas hidrodinámicas y las estrategias para incorporarlo al proceso de diseño.
• API RP 2A-WSD: La práctica recomendada del Instituto Americano del Petróleo también aborda el crecimiento marino, ofreciendo orientación sobre la estimación del espesor y su inclusión en los cálculos de carga.

Estas directrices suelen sugerir que se aplique una tolerancia de espesor de crecimiento marino al diámetro hidrodinámico de los miembros estructurales. La magnitud de este margen depende de factores como la profundidad del agua, la ubicación geográfica y la vida útil prevista de la estructura.

¿Preparado para simplificar su modelización de la carga de las olas?

SDC Verifier agiliza todo el proceso de modelado de cargas de olas, permitiéndole diseñar estructuras marinas más seguras y eficientes.

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Validación y verificación

El adagio «confíe pero verifique» tiene un significado especial. Incluso con una meticulosa preparación del modelo y aplicación de las cargas, es imperativo validar y verificar rigurosamente los resultados obtenidos con SDC Verifier. Esto garantiza que las cargas de onda calculadas sean precisas, fiables y conformes a las normas del sector.

Herramientas de diagnóstico

SDC Verifier ofrece un conjunto de herramientas de diagnóstico que permiten a los ingenieros escudriñar sus modelos y cálculos. Dos herramientas clave son:

1. Registro de cálculos: Este archivo de registro proporciona un registro detallado de los cálculos de carga de olas realizados por SDC Verifier. Incluye información sobre los parámetros de las olas, los coeficientes, las fuerzas de los elementos y el estado de la convergencia. Examinando este registro, los ingenieros pueden identificar errores potenciales, como valores de entrada incorrectos, inestabilidades numéricas o problemas de convergencia.

2. Registro de elementos: Este registro se centra en los cálculos de carga de olas para elementos individuales. Detalla las fuerzas y momentos aplicados a cada elemento, junto con los parámetros y coeficientes de oleaje asociados. Esta información es muy valiosa para identificar anomalías de carga localizadas, verificar los patrones de distribución de la carga y solucionar problemas específicos de cada elemento.

Consejos para identificar y resolver errores

• Compruebe los valores de entrada: Asegúrese de que todos los parámetros de entrada, como la densidad del agua, la altura de las olas, el periodo, la dirección y los coeficientes, se introducen correctamente y de forma coherente con las especificaciones de su proyecto.
• Visualice los resultados: Utilice las capacidades de visualización de SDC Verifier para examinar los perfiles de oleaje, las distribuciones de carga y las deformaciones estructurales. Busque cualquier incoherencia o patrón inesperado que pueda indicar errores en el modelo o en la aplicación de la carga.
• Realice análisis de sensibilidad: Varíe los parámetros de entrada dentro de un rango razonable y observe el impacto en los resultados. Esto puede ayudar a identificar los parámetros que tienen una influencia desproporcionada en las cargas de olas calculadas.
• Consulte con expertos: Si se encuentra con cuestiones persistentes o problemas complejos, no dude en pedir consejo a ingenieros experimentados o al servicio de asistencia de SDC Verifier.

Comparación con las normas del sector

SDC Verifier simplifica el proceso de conformidad integrando a la perfección las normas líderes del sector directamente en su flujo de trabajo. Esto elimina la necesidad de referencias cruzadas manuales y garantiza que sus diseños se adhieren a las últimas normativas de seguridad y expectativas de rendimiento.

Las normas clave integradas en SDC Verifier incluyen:

• API RP 2A-WSD: Práctica recomendada para la planificación, el diseño y la construcción de plataformas fijas mar adentro – Diseño de la tensión de trabajo
• DNVGL-OS-C101: Diseño de estructuras de acero en alta mar, general (Det Norske Veritas)
• ISO 19902: Industrias del petróleo y del gas natural – Estructuras fijas de acero en alta mar

Comparando sus resultados con estas normas, podrá evaluar la idoneidad de su diseño, identificar posibles áreas de mejora y demostrar su cumplimiento a las autoridades reguladoras.

Estos hallazgos tienen importantes implicaciones para el diseño, como:

1. Dimensionamiento de los miembros. Puede ser necesario ajustar las dimensiones de los miembros críticos para garantizar que puedan soportar las tensiones máximas sin fallar. La modelización de la carga de las olas se utiliza habitualmente para optimizar el dimensionamiento de los miembros en el diseño de plataformas de forro, lo que supone un importante ahorro de material y una mejora del rendimiento estructural.
2. Configuración de los arriostramientos. La disposición de los arriostramientos puede modificarse para aumentar la rigidez estructural y reducir la respuesta dinámica.
3. Diseño de cimientos. Puede que sea necesario aumentar el tamaño y la capacidad de los cimientos para resistir el esfuerzo cortante máximo de la base y el momento de vuelco.
4. Mitigación de la fatiga. Pueden aplicarse medidas de mitigación de la fatiga, como el perfilado de las soldaduras o la adición de refuerzos, para prolongar la vida útil a la fatiga de los miembros críticos.

Flujo de trabajo de ingeniería y mejores prácticas

La eficacia de la modelización de cargas de olas en SDC Verifier depende de un modelo de elementos finitos bien preparado y de una aplicación meticulosa de las cargas. La adhesión a las mejores prácticas a lo largo de este flujo de trabajo garantiza resultados precisos y decisiones de diseño informadas.

Si sigue estas recomendaciones de flujo de trabajo de ingeniería y se adhiere a las mejores prácticas, podrá maximizar la precisión y la fiabilidad de sus esfuerzos de modelado de carga de olas en SDC Verifier. Esto, a su vez, dará lugar a diseños más seguros, eficientes y rentables para las plataformas fijas en alta mar.

Conclusión

Las capacidades de SDC Verifier se extienden más allá del modelado de cargas de olas para incluir el análisis estructural, la evaluación de la fatiga y la evaluación de la respuesta dinámica, proporcionando una visión holística del rendimiento de la plataforma. Al validar y verificar rigurosamente los resultados, SDC Verifier infunde confianza en la precisión y fiabilidad de sus decisiones de ingeniería.

No deje que la incertidumbre comprometa la seguridad y la sostenibilidad de sus proyectos en alta mar.

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