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• Martin Noel Perez Rodriguez

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INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL

Escuela Superior de Ingeniería y Arquitectura Unidad Zacatenco Subdirección Académica

“Comparación de los métodos WSD Y LRFD para el diseño de plataformas marinas fijas”

TESIS Que para obtener el título de: INGENIERO CIVIL Presenta: Eduardo Galindo Hernández

Asesor: Ing. Antonio Hernández Villanueva

México D.F., 7 de abril de 2004

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Agradecimientos

Desde el punto de vista profesional, este trabajo ha sido posible gracias a mi asesor, el Ing. Antonio Hernández, por toda su ayuda, dirección y sugerencias para poder elaborarlo. Ha sido un placer aprender un poco de su amplia experiencia en un ambiente de confianza, afecto y amistad. También quiero dar gracias al Ing. José Luis Morales, por su ayuda con el uso del programa de computo SACS, así como por su tiempo, valiosos consejos y comentarios durante la elaboración de este trabajo. El Instituto Mexicano del Petróleo ha sido un sitio magnífico por proporcionar todas las facilidades durante mi estancia para el desarrollo de esta tesis. Ha sido una buena experiencia formar parte de la Competencia de Ingeniería Civil; a todos aquellos que la conforman, gracias. Desde el punto de vista personal, agradezco a mis padres Juan Galindo y Antonia Hernández por el esfuerzo que han realizado durante toda su vida al proporcionarme la educación que ahora culmino. A mis amigos Henry Alejandro, Olivia, Emmanuel y Hugo Alfredo con quienes tengo el privilegio de compartir la vida, gracias por todos esos momentos inolvidables que hemos pasado. Finalmente a todas aquellas personas que con su actitud nos hacen la vida más amena.

¡A TODOS GRACIAS!

Eduardo Galindo Hernández

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Resumen

En la actualidad se han diseñado e instalado más de 200 plataformas fijas en las Regiones Marinas del Golfo de México, el diseño estructural se ha llevado a cabo hasta ahora por el método de diseño por esfuerzos de trabajo (WSD). La tendencia mundial en el diseño estructural, incluyendo el diseño de plataformas marinas, es adoptar la metodología de diseño por factores de carga y resistencia (LRFD). Esta tendencia se hace evidente en la próxima edición de la norma Industrias del Petróleo y Gas Natural – Estructuras Fijas de Acero Costa Afuera (ISO 19902), misma que busca la estandarización internacional del diseño de plataformas marinas fijas, y que sigue la metodología planteada por el LRFD, para lo que ha tomado la filosofía inicialmente planteada por la Práctica Recomendada para Planeación, Diseño y Construcción de Plataformas Fijas Costa Afuera – Diseño por Factores de Carga y Resistencia (API RP 2ALRFD). En este trabajo se muestra la diferencia que existe entre ambos métodos de diseño, aplicados a una plataforma fija tipo “jacket”. El criterio de diseño ambiental utilizado en ambos diseños, es con apego a la norma Diseño y Evaluación de Plataformas Marinas Fijas en la Sonda de Campeche (NRF-003-PEMEX-2000); las cargas, condiciones y combinaciones de cargas, reciben especial atención debido a las diferencias que presenta la API RP 2A en sus versiones WSD y LRFD. El análisis y diseño estructural es desarrollado usando el programa de cómputo SACS, la revisión de esfuerzos en los miembros y juntas de cada componente de la plataforma, se realiza de acuerdo a las especificaciones del Instituto Americano de la Construcción en Acero (AISC) para el caso de la superestructura; y para la subestructura y la cimentación, la revisión se lleva cabo considerando las recomendaciones del Instituto Americano del Petróleo (API). Finalmente, se muestra una comparación de los resultados obtenidos con ambos métodos; se proporcionan conclusiones y se dan sugerencias tendientes a la próxima adopción del método LRFD aplicable al diseño de plataformas marinas fijas.

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Índice

Agradecimientos Resumen

1. Introducción

1

1.1 Contexto y entorno actual 1.2 Seguridad y economía en el diseño de plataformas fijas 1.3 Descripción del trabajo

1 2 4

2. Diseño estructural en acero

5

2.1 Diseño estructural 2.2 Acero estructural 2.2.1 Relaciones esfuerzo-deformación 2.2.2 Composición y tipos de acero 2.2.3 Perfiles de acero 2.3 Conceptos de diseño estructural en acero 2.3.1 Especificaciones de diseño 2.3.2 Cargas 2.3.3 Métodos de diseño 2.3.4 Estados límite 2.3.5 Factores de seguridad 2.3.6 Factores de carga y resistencia 2.3.7 WSD vs. LRFD

5 7 8 11 17 19 19 20 20 22 22 23 25

3. Análisis y diseño de plataformas fijas

27

3.1 Introducción 3.2 Plataforma fija tipo “jacket” 3.3 Consideraciones de diseño 3.4 Estructuración 3.4.1 Superestructura 3.4.2 Subestructura 3.4.3 Cimentación 3.4.4 Accesorios 3.5 Criterios de diseño 3.6 Información del sitio 3.6.1 Información geofísica 3.6.2 Información geotécnica 3.6.3 Información sísmica 3.6.4 Información meteorológica y oceanográfica 3.7 Ingeniería básica y de detalle 3.7.1 Ingeniería básica 3.7.2 Ingeniería de detalle 3.8 Bases de diseño 3.9 Cargas 3.9.1 Cargas gravitacionales 3.9.2 Cargas ambientales 3.9.3 Cargas accidentales 3.9.4 Cargas de construcción 3.9.5 Condiciones y combinaciones de cargas 3.10 Análisis estructurales 3.10.1 Fabricación 3.10.2 Carga a la barcaza 3.10.3 Transportación 3.10.4 Instalación

27 28 29 29 29 30 32 32 35 36 36 37 37 37 37 38 38 38 39 40 40 42 43 43 44 45 46 47 48

3.10.5 3.10.6 3.11 3.11.1 3.11.2 3.11.3

Operación Reuso Diseño estructural Cimentación Superestructura Subestructura

51 52 52 53 53 54

4. Diseño de plataforma fija tipo “jacket” por el método WSD

55

4.1 Descripción del proyecto 4.1.1 Descripción general de la plataforma 4.2 Criterios de diseño 4.3 Datos generales para el diseño de la plataforma 4.3.1 Categorización de la plataforma 4.3.2 Información del sitio 4.4 Cargas 4.5 Estructuración 4.5.1 Configuración estructural 4.6 Modelo para análisis y diseño estructural 4.6.1 Programa de cómputo SACS 4.6.2 Análisis de cargas 4.6.3 Condiciones y combinaciones de cargas 4.7 Análisis y diseño estructural 4.7.1 Superestructura 4.7.2 Subestructura 4.7.3 Cimentación

55 55 56 57 57 58 62 64 64 66 66 68 81 85 85 87 89

5. Diseño de plataforma fija tipo “jacket” por el método LRFD

91

5.1 Consideraciones generales 5.2 Criterios de diseño 5.3 Cargas 5.4 Adecuación del modelo para análisis y diseño estructural 5.4.1 Condiciones y combinaciones de cargas 5.4.2 Factores de resistencia 5.5 Análisis y diseño estructural 5.5.1 Superestructura 5.5.2 Subestructura 5.5.3 Cimentación

91 91 92 93 93 97 98 98 100 102

6. Comparación de resultados 6.1 WSD vs. LRFD 6.1.1 Fuerzas globales 6.1.2 Resistencia de elementos estructurales

105 105 106 106

7. Conclusiones

109

Referencias Apéndice A Plataformas marinas

113 115

1

Introducción

1.1 Contexto y entorno actual El petróleo es un recurso natural indispensable en el mundo moderno, actualmente es el energético más importante del planeta y este cubre aproximadamente el 70% del consumo mundial. El petróleo juega un papel muy importante en la economía internacional, y aún más en la de los países que lo producen. México, como país productor, debe contar con reservas importantes para poder alcanzar un desarrollo sustentable nacional e internacional, este desarrollo requiere un uso eficiente de los hidrocarburos debiendo satisfacer la demanda interna, así como la del exterior para mantener la presencia del país en los mercados internacionales. Por tal motivo, la exploración y explotación de hidrocarburos en el Golfo de México continúa, debido a la necesidad de incorporar nuevas reservas de crudo y gas para satisfacer la creciente demanda de energía.

Figura 1.1 Complejo de producción en el Golfo de México

Es un hecho que casi la mitad de las reservas totales de crudo de nuestro país se localizan en yacimientos marinos, ya que tan solo en 2002 la producción de petróleo en el Golfo de México, representó el 82% del total, con una producción diaria de más de 2’500,000 barriles. De las dos zonas del golfo: la Región Marina Noreste y la Suroeste, la

Comparación de los métodos WSD y LRFD para el diseño de plataformas marinas fijas

más representativa es la Noreste, ya que en esta se localiza el Complejo Cantarell, que por sí solo aportó, casi 60% de la producción total de petróleo crudo del país. La explotación de nuevos campos recientemente descubiertos en esta región, requiere la construcción de infraestructura adecuada, que implica el diseño de instalaciones costa afuera. Para cumplir este objetivo, Petróleos Mexicanos (Pemex) inició el Programa de Construcción de Plataformas Marinas, en el cual se contempla la construcción de 47 plataformas y el tendido de 56 ductos con una extensión total de más de 600 kilómetros, el programa permitirá desarrollar la reserva de los campos Ku-Maloob-Zaap y Lankahuasa, con lo que se espera incorporar hacia su conclusión en 2006, una producción diaria de 1’500,000 barriles de crudo y 1,400 millones de pies cúbicos de gas. Cabe destacar que este programa es el más grande que se ha realizado en México y uno de los mayores internacionalmente, lo que reafirma la posición de Pemex como una de las empresas petroleras a la vanguardia en producción costa afuera, con una producción total actual de 2’700,000 barriles por día.

1.2 Seguridad y economía en el diseño de plataformas fijas La explotación de hidrocarburos en las Regiones Marinas del Golfo de México se ha realizado por muchos años por medio de plataformas fijas, ya que este sistema estructural ha sido una opción rentable y eficiente. El propósito fundamental del diseño estructural de plataformas fijas es lograr estructuras seguras y económicas, estos objetivos se logran aplicando los criterios de diseño adecuados; usando por una parte, las reglas de diseño tradicionales para estimar la resistencia de los elementos estructurales, y por otra los criterios de diseño ambiental convenientes. Otro factor de gran importancia que debe considerarse en el diseño, es la configuración estructural de la plataforma. En la actualidad, existen dos métodos de diseño estructural aplicables al diseño de plataformas fijas: el diseño por esfuerzos de trabajo (WSD) y el diseño por factores de carga y resistencia (LRFD), el primer método ha sido por muchos años el método a utilizar, debido a su gran aceptación por los diseñadores. El segundo método ha tenido una difícil adaptación por parte de la comunidad de diseño, debido a conjeturas tales como que el LRFD no alcanza un diseño más económico que la versión tradicional del WSD, así como inversión de tiempo y comodidad de uso, o bien una carencia de familiaridad con el formato. La tendencia de las diferentes organizaciones ha sido impulsar el uso del LRFD en el diseño estructural, ya que este representa una solución más cercana a la realidad proporcionando factores de seguridad específicos para los diferentes tipos de cargas y comportamiento estructural de los elementos. Ciertamente se ha comprobado que con ambos métodos se obtienen niveles de seguridad adecuados, con la diferencia de que el LRFD presenta una uniformidad en sus niveles de seguridad.

2

1. Introducción

El diseño de plataformas marinas con el método LRFD ofrece ventajas y desventajas distintas para alcanzar niveles de seguridad uniformes en las diversas regiones del mundo, ya que en cada una existe una diferencia fundamental en el ambiente marino. Los factores de carga usados para las cargas ambientales no pueden estandarizarse como se ha hecho con otro tipo de cargas, tales factores deben calibrarse por medio de un análisis de confiabilidad para cada región del mundo. La norma Industrias del Petróleo y Gas Natural – Estructuras Fijas de Acero Costa Afuera (ISO 19902) proporciona una metodología de diseño considerando la información suficiente para el análisis y diseño general, pero solicitando se realicen estudios específicos de la localidad para establecer los parámetros aplicables en la región. La ya inminente aplicación de la norma ISO 19902 en el diseño de plataformas fijas, y el hecho de que ésta tome como base las recomendaciones de la Práctica Recomendada para Planeación, Diseño y Construcción de Plataformas Fijas Costa Afuera – Diseño por Factores de Carga y Resistencia (API RP 2A-LRFD), obligan a revisar la metodología de análisis y diseño empleada actualmente, así como los requerimientos que la aplicación de las nuevas disposiciones traerán como consecuencia. En esta investigación se examinan dos opciones de diseño con los que se pretende alcanzar niveles de seguridad aceptables en plataformas fijas. El primero es el diseño por esfuerzos de trabajo, que es el más usado en el diseño de estas estructuras. Para analizar este método, nos basaremos en la Práctica Recomendada para Planeación, Diseño y Construcción de Plataformas Fijas Costa Afuera – Diseño por Esfuerzos de Trabajo (API RP 2A-WSD). El segundo método a analizar es el de diseño por factores de carga y resistencia, para lo que emplearemos la alternativa de diseño manejada por la misma recomendación, en su versión correspondiente (API RP 2A-LRFD). Ambas metodologías son aplicadas a la misma estructura, diseñada para las condiciones locales de las Regiones Marinas en nuestro país. Estás regiones alguna vez se caracterizaron por las condiciones severas a que se vieron sometidas durante el paso del huracán Roxana en 1995. La magnitud de este acontecimiento hizo que Pemex y el Instituto Mexicano del Petróleo (IMP) generaran un criterio de diseño ambiental aplicable al Diseño y Evaluación de Plataformas Marinas Fijas en la Sonda de Campeche (NRF- 003-PEMEX2000), este criterio será utilizado en ambos diseños, con el fin de considerar las condiciones locales de la región. El proceso de calibración para la obtención de los factores de carga será una incertidumbre estadística dentro del diseño por factores de carga y resistencia, ya que se usarán conservadoramente los factores de carga recomendados por el Instituto Americano del Petróleo (API). El objetivo del presente trabajo es la identificación de las diferencias fundamentales que existen en la aplicación de los dos métodos de diseño, las ventajas que la aplicación del método LRFD puede traer, las limitantes actuales y los problemas que se encontrarán al aplicar este método de diseño alterno.

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Comparación de los métodos WSD y LRFD para el diseño de plataformas marinas fijas

1.3 Descripción del trabajo El cuerpo principal de este trabajo está integrado por seis capítulos. El capítulo 2 es una descripción del diseño estructural en acero. En éste se definen las principales propiedades del acero estructural y los conceptos de diseño en acero. Conocer las diferentes propiedades del acero es necesario para entender el comportamiento del material, ya que tales características han sido la base para el desarrollo de las teorías y especificaciones de diseño estructural. El capítulo 3 es una introducción teórica al análisis y diseño de plataformas fijas. En este capítulo se da una descripción de la estructuración de los principales componentes de una plataforma fija tipo “jacket”, así como las consideraciones de diseño pertinentes antes de iniciar el análisis y diseño de la estructura. Tales consideraciones, reciben especial atención debido a que dependen de aspectos regionales, tales como las condiciones del lugar y los criterios de diseño aplicables. Posteriormente, se da una descripción de las diferentes etapas durante la vida de una plataforma, en las cuales van implícitos los análisis estructurales para el diseño integral de la estructura. El capítulo 4 muestra el proceso para el análisis y diseño estructural de una plataforma octápoda tipo “jacket” usando el método de diseño por esfuerzos de trabajo. Como primer paso se define la categorización de la plataforma y la información del sitio para el diseño, según lo requerido por la norma NRF-003-PEMEX-2000. Las cargas, condiciones y combinaciones de cargas se establecen de acuerdo a lo indicado en la API RP 2A-WSD. El análisis para condiciones de operación y tormenta, es el objetivo de estudio por ser el análisis inicial y de gran impacto en la vida de la plataforma, el cual es desarrollado por medio del programa de cómputo SACS. En el capítulo 5 se adecua el modelo para análisis y diseño del capítulo anterior, y así diseñar la plataforma por el método de diseño por factores de carga y resistencia. En este caso se vuelve a utilizar el criterio de diseño ambiental propuesto por la norma NRF003-PEMEX-2000, para tener la misma referencia en los análisis realizados. Las cargas, condiciones y combinaciones de cargas difieren respecto al diseño anterior, ya que se establecen de acuerdo a lo indicado en la API RP 2A-LRFD. En el capítulo 6 se da la comparación de los resultados obtenidos en ambos diseños. En ellos se puede apreciar el comportamiento estructural de la plataforma a nivel local y global. Con estos resultados se muestran los niveles de seguridad alcanzados por un diseño y por otro. Finalmente en el capítulo 7 se dan algunas conclusiones y sugerencias sobre el trabajo.

4

2

Diseño estructural en acero

2.1 Diseño estructural La ingeniería estructural trata con el análisis y diseño de estructuras, tales como edificios, puentes, plataformas marinas, tuberías, estadios, torres de transmisión, etc. Una estructura es un ensamble de miembros interconectados por juntas como se muestra en la Figura 2.1. Un miembro es un tramo entre dos juntas, los puntos en que dos o más miembros de la estructura están conectados son llamados juntas y cada soporte de la estructura es una condición de apoyo que impide los movimientos en ciertas direcciones. Ésta es la forma en que son idealizadas las estructuras para representar en lo posible su comportamiento real. El análisis y diseño estructural es requerido con el objetivo de proveer una estructura segura y económica para satisfacer una necesidad específica. El análisis estructural comprende la modelación de la estructura y el cálculo de las reacciones, fuerzas y deformaciones debido a las cargas aplicadas. Por su parte, el diseño estructural determina las proporciones y dimensiones globales de la estructura soportante, así como la selección de las secciones transversales de cada uno de los miembros que la componen. El análisis y diseño estructural están interrelacionados dentro de un proceso iterativo, que tiene como finalidad la elaboración de los planos estructurales, que son la base para la realización de los planos de taller. P3

W2 1

3

4

3 7

5

A

P2

5

P1 9

W1 1

2

10

4

6

8

B

C

Figura 2.1 Modelo idealizado de una estructura

D

Comparación de los métodos WSD y LRFD para el diseño de plataformas marinas fijas

En un proyecto de diseño estructural en acero podemos distinguir las siguientes etapas: •

Identificación de una necesidad Estudio preliminar. Requerimientos del propietario. Condiciones del lugar. Legislación y reglamentación. Posibles estructuraciones. Factibilidad.

•

Anteproyecto Estructuración. Definición del sistema estructural. Cargas. Gravitacionales, ambientales y accidentales. Análisis. Modelación del sistema estructural. Cálculo de las reacciones, fuerzas y deformaciones. Diseño. Selección de secciones transversales. Seguridad y economía.

•

Proyecto Producción de documentos para construcción. Memorias de cálculo, planos y especificaciones.

•

Ejecución Construcción. Métodos, programación y supervisión.

El énfasis del proceso de diseño estructural es el diseño de miembros individuales de acero estructural y sus conexiones. Se debe seleccionar y evaluar el sistema estructural global para producir un diseño eficiente y económico, pero no puede hacerse sin un conocimiento total del diseño de los componentes de la estructura. Una estructura correctamente diseñada debe tener resistencia, rigidez, estabilidad y durabilidad adecuadas. Las especificaciones de diseño estructural aplicables se utilizarán para determinar si un componente estructural posee la resistencia requerida para soportar las cargas dispuestas sobre la estructura, basándose en los resultados obtenidos del análisis estructural. La rigidez es requerida para prevenir efectos estructurales indeseables tales como deformaciones excesivas o vibraciones. La estabilidad estructural puede ser alcanzada empleando una estructuración y disposición de miembros adecuada para resistir las combinaciones de cargas y la durabilidad es producto de un adecuado programa de mantenimiento que depende del tipo de acero y de los mecanismos de protección que se le proporcionen a la estructura.

6

2. Diseño estructural en acero

2.2 Acero estructural Por muchas características deseables, los aceros estructurales han sido elegidos en una gran variedad de aplicaciones, ya que están disponibles en muchas formas y ofrecen características ventajosas en algunos casos como material estructural. Entender el comportamiento de las estructuras de acero nos llevará a hacer un uso más eficiente del material, por tal motivo hay que conocer las diferentes propiedades del acero antes de comenzar el proceso de diseño. El acero estructural posee una alta ductilidad, es decir, tiene la capacidad de soportar grandes deformaciones inelásticas bajo grandes cargas axiales sin fracturarse, y bajo cargas normales puede fluir localmente en esos puntos donde se producen altas concentraciones de esfuerzos. La elasticidad del acero es la capacidad del metal de recobrar su forma original después de ser cargado y descargado; dentro de ciertos intervalos, este comportamiento en los aceros estructurales puede predecirse casi en un 100% a diferencia de otros materiales, debido a que las hipótesis de diseño se basan en la teoría elástica o bien siguen la ley de Hooke. La alta resistencia del acero por unidad de peso, significa que se utilizará menor cantidad de material y por consiguiente se obtendrá menor peso estructural, esta propiedad es de gran importancia en estructuras de grandes magnitudes donde el uso de otro material resulta antieconómico. Se dice que un acero estructural posee tenacidad cuando tiene resistencia y ductilidad, la tenacidad le proporciona al acero la capacidad de resistir grandes fuerzas aún después de sufrir grandes deformaciones, tales fuerzas pueden verse reflejadas durante su formación y montaje, siendo posible doblarlos, cortarlos, taladrarlos, etc. Otras propiedades de gran importancia son la resistencia a la corrosión y la soldabilidad, las cuales dependen directamente de la composición química del acero. La resistencia a la corrosión se produce aleando el acero con cobre y otros elementos, para producir alta resistencia ante los agentes atmosféricos, de manera que se produzca un óxido tenaz que inhiba los efectos de la corrosión. La soldabilidad es un factor importante en el diseño estructural, esta propiedad está influenciada por el contenido químico del acero. El carbono, manganeso, silicio, níquel, cromo y cobre, por ejemplo, tienden a tener un efecto adverso, en tanto que el molibdeno y el vanadio pueden ser benéficos. Para relacionar la influencia del contenido químico sobre las propiedades estructurales del acero y la soldabilidad, se ha propuesto el uso del contenido equivalente de carbono (CE): CE =

Mn Ni + Cu Cr + Mo + V + + 6 15 5

(2.1)

El contenido equivalente de carbono está relacionado con la rapidez máxima a la que la soldadura y el metal de base adyacente se pueden enfriar después de soldar, sin que se presente fisuración debajo del cordón de la soldadura. Mientras más alto sea el contenido equivalente de carbono, menor será la rapidez de enfriamiento permisible. Del mismo modo, cuando mayor sea el contenido equivalente de carbono, más importante será el uso de precalentamiento y electrodos de bajo contenido de hidrógeno. En general, los aceros con un contenido de carbono ≤ 0.30% son adecuados para soldadura de alta velocidad y los

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Comparación de los métodos WSD y LRFD para el diseño de plataformas marinas fijas

aceros con un contenido de carbono > 0.35% requieren cuidado especial durante el proceso de soldadura. 2.2.1 Relaciones esfuerzo-deformación

Las características del acero que son de mayor interés para los ingenieros estructuristas pueden examinarse graficando los resultados de una prueba de tensión. Si un espécimen de prueba es sometido a una carga axial P, como se muestra en la Figura 2.2, el esfuerzo y la deformación unitaria pueden calcularse como sigue: f =

P A

(2.2)

∆L L

(2.3)

y ε=

donde: f = esfuerzo de tensión axial. A = área de la sección transversal. ε = deformación unitaria axial. L = longitud del espécimen. ∆L = cambio de longitud. Área = A P

P Sección L ∆L Figura 2.2 Prueba de tensión

Si la carga es acrecentada en incrementos desde cero hasta el punto de fractura y el esfuerzo y la deformación unitaria son calculados en cada etapa, puede graficarse una curva esfuerzo-deformación unitaria como la mostrada en la Figura 2.3. Esta curva es típica de una clase de acero conocido como dúctil o acero dulce. La relación entre el esfuerzo y la deformación unitaria es lineal hasta el límite de proporcionalidad; donde se dice que el material obedece la ley de Hooke. Después de esto alcanza rápidamente un valor pico, llamado punto superior de fluencia, al cual sigue una nivelación en el punto inferior de fluencia. El esfuerzo permanece entonces constante, aunque la deformación unitaria continúa creciendo. En esta etapa de la carga, el espécimen de prueba continúa alargándose en tanto que no se retire la carga, aun cuando la carga no pueda ser incrementada. Esta región de esfuerzo constante se llama meseta de fluencia o rango plástico. Bajo una deformación de aproximadamente 12 veces la deformación unitaria, en la fluencia comienza el endurecimiento por deformación y se requiere entonces una carga adicional (y esfuerzo) para generar un alargamiento adicional (y deformación unitaria). Se alcanza así 8

2. Diseño estructural en acero

un valor máximo del esfuerzo, después de lo cual comienza en el espécimen la “estricción”, en donde el esfuerzo decrece con una deformación unitaria creciente y ocurre luego la fractura. Aunque la sección transversal se reduce durante el proceso de carga (el efecto Poisson), el área transversal original se usa para calcular todos los esfuerzos. El esfuerzo calculado de esta manera se conoce como esfuerzo de ingeniería. Si se usa la longitud original para calcular la deformación unitaria, esta se llama deformación unitaria de ingeniería. f Punto superior de fluencia

Límite elástico A

Límite proporcional

Punto inferior de fluencia

ε

B

0

Plástico

Endurecimiento por deformación

Elástico

Estricción y falla

Figura 2.3 Diagrama esfuerzo-deformación característico de un acero dúctil

Al acero que exhibe el comportamiento mostrado en la Figura 2.3, se le llama dúctil debido a su capacidad de sufrir grandes deformaciones antes de fracturarse. La ductilidad puede ser medida por el alargamiento, definido como: e=

L f − Lo Lo

(2.4)

x100

donde: e = alargamiento (expresado en porcentaje). L f = longitud de la probeta en la fractura. Lo = longitud original.

El límite elástico del material es un esfuerzo que se encuentra entre el límite proporcional y el punto superior de fluencia. Hasta este esfuerzo, la probeta puede descargarse sin que quede una deformación permanente; la descarga será a lo largo de una porción lineal del diagrama, es decir, la misma trayectoria seguida durante la carga. Esta parte del diagrama esfuerzo-deformación unitaria se llama rango elástico. Más allá del límite elástico la descarga será a lo largo de una línea recta paralela a la parte lineal inicial 9

Comparación de los métodos WSD y LRFD para el diseño de plataformas marinas fijas

de la trayectoria de carga y se tendrá entonces una deformación permanente. Por ejemplo, si la carga es retirada en el punto A, como en la Figura 2.3, la descarga será a lo largo de la línea AB, resultando la deformación unitaria permanente OB. La Figura 2.4 muestra una versión idealizada de esta curva esfuerzo-deformación unitaria. El límite proporcional, el límite elástico y los puntos superior e inferior de fluencia están todos muy cercanos entre sí y son tratados como un solo punto llamado el punto de fluencia, definido por el esfuerzo Fy. El otro punto de interés para el ingeniero estructurista es el valor máximo del esfuerzo que puede alcanzarse, llamado resistencia última a tensión, Fu. La forma de esta curva es típica de todos los aceros estructurales dulces, que son diferentes uno de otro principalmente en los valores de Fy y Fu. La razón del esfuerzo a la deformación unitaria dentro del rango elástico, denotada E y llamada módulo de Young o módulo de elasticidad, es la misma para todos los aceros estructurales y tiene un valor de 2’035,000 kg/cm2 (29,000 ksi). f

Resistencia última a tensión, Fu

Punto de fluencia, Fy

E 1

ε

Figura 2.4 Representación de Fy y Fu en el diagrama esfuerzo-deformación

La Figura 2.5 muestra una curva típica esfuerzo-deformación unitaria para aceros de alta resistencia, que son menos dúctiles que los aceros dulces mencionados hasta ahora. Aunque hay una porción elástica lineal y una clara resistencia en tensión, no se tiene un punto de fluencia bien definido o meseta de fluencia. Para usar esos aceros de alta resistencia de manera consistente con el uso de aceros dulces, debe escogerse algún valor de esfuerzo como valor para Fy, de manera que los mismos procedimientos y fórmulas puedan usarse con todos los aceros estructurales. Aunque no hay un punto de fluencia, uno tiene que ser definido. Como se mostró previamente, cuando un acero está forzado más allá de su límite elástico y luego se descarga, la trayectoria seguida hasta el esfuerzo cero no será la trayectoria original desde el esfuerzo cero; ésta será a lo largo de una línea que tiene la pendiente de la porción lineal de la trayectoria seguida durante la carga, es decir, una pendiente igual a E o módulo de elasticidad. Se tendrá entonces una deformación unitaria residual o permanente después de la descarga. El esfuerzo de fluencia para el acero con una curva esfuerzo-deformación unitaria del tipo mostrado en la Figura 2.5 se llama resistencia de fluencia y se define como el esfuerzo en el punto de descarga que corresponde a una deformación unitaria permanente de cierta cantidad definida arbitrariamente. Se selecciona usualmente una deformación unitaria de 0.002 y a este método de determinar la resistencia 10

2. Diseño estructural en acero

de fluencia se le llama el método del 0.2% de desplazamiento. Como se mencionó previamente, las dos propiedades usualmente necesarias en el diseño de acero estructural son Fu y Fy, independientemente de la forma de la curva esfuerzo-deformación unitaria e independiente de cómo se haya obtenido Fy. Por está razón se usa el término genérico esfuerzo de fluencia y puede significar punto de fluencia o bien resistencia de fluencia. f Resistencia a tensión, Fu Resistencia a la fluencia, Fy

Límite elástico E 1 ε

Deformación unitaria residual Figura 2.5 Diagrama esfuerzo-deformación característico de un acero frágil

2.2.2 Composición y tipos de aceros.

Las diversas propiedades del acero estructural, son determinadas por su composición química. El acero es una aleación cuya componente principal es el hierro, pero contiene cantidades pequeñas de otros elementos para producir características físicas deseables tales como resistencia, dureza, ductilidad, tenacidad y resistencia a la corrosión. El carbono es el más importante de dichos elementos, el incremento del contenido de carbono produce un incremento en la resistencia y la dureza, pero disminuye la ductilidad y la tenacidad. Aluminio, azufre, cobre, colombio, cromo, fósforo, manganeso, molibdeno, níquel, silicio y vanadio son algunos de los elementos que pueden adicionarse al acero estructural. Las propiedades del acero pueden cambiarse en gran medida variando las cantidades de los elementos mencionados. En la actualidad, se requieren aceros más fuertes, con mejores propiedades de soldabilidad, mayor resistencia a la corrosión y otras características benéficas. Las investigaciones realizadas por la industria del acero han proporcionado una variedad de nuevos aceros que satisfacen muchas necesidades, de manera que actualmente existe una gran gama de aceros. Los diferentes grados de aceros estructurales son identificados por la designación asignada a ellos por entidades como la Sociedad Americana para Pruebas y Materiales (ASTM). Esta organización elabora normas para definir los materiales en términos de sus composiciones, propiedades y desempeño, y prescribe pruebas específicas para medir esos atributos (ASTM, 1996a). Los grados de acero considerados por el Instituto Americano de la Construcción en Acero (AISC) se dan en el Capítulo A, “Disposiciones Generales”, de las Especificaciones AISC, donde se muestra un listado de especificaciones ASTM para aceros estructurales 11

Comparación de los métodos WSD y LRFD para el diseño de plataformas marinas fijas

aprobados para su uso en la construcción de edificios. La Tabla 2.1 (Tabla 1-1 en la Parte 1 del Manual LRFD) muestra cinco grupos de perfiles y once rangos de espesores de placas y barras disponibles en varios niveles de esfuerzo de fluencia mínimo y esfuerzo de tensión, para siete tipos de acero. Los aceros estructurales mostrados son agrupados de acuerdo a su composición, como sigue: Aceros al carbono. Los aceros al carbono tienen un punto de fluencia definido y contienen los siguientes porcentajes máximos de componentes, en peso respecto al hierro: 1.7% de carbono, 1.65% de manganeso, 0.60% de silicio y 0.60% de cobre. Estos aceros son divididos en cuatro categorías en función del porcentaje de carbono:

Acero de bajo contenido de carbono < 0.15%. Acero dulce al carbono 0.15 a 0.29%. (El acero A36 queda dentro de está categoría) Acero medio al carbono 0.30 a 0.59%. Acero de alto contenido de carbono 0.60 a 1.70%. Aceros de alta resistencia y baja aleación. Estos aceros al igual que los

aceros al carbono tienen un punto de fluencia definido en un rango de 2,810 a 6,325 kg/cm2 (40 a 70 ksi), y obtienen su alta resistencia por la adición de elementos tales como el colombio, cobre, cromo, fósforo, manganeso, molibdeno, níquel, vanadio y circonio. El término baja aleación se usa para describir el máximo porcentaje de elementos aleantes en la composición total del acero, el cual no debe exceder el 5%. Aceros templados y revenidos. Los aceros templados y revenidos no muestran

puntos de fluencia bien definidos, por lo que es necesario definir su resistencia a la fluencia en función del esfuerzo asociado a una deformación de 0.2%, obteniendo un rango de 6,325 a 7,730 kg/cm2 (70 a 110 ksi). Estos aceros contienen mayores elementos agregados en comparación con los aceros anteriores, los términos templado y revenido se refiere al tratamiento térmico que reciben para aumentar su resistencia. El revenido consiste en un enfriamiento rápido del acero con agua o aceite, cambiando la temperatura de 699 a 149 °C (1,650 a 300 °F) y el templado del acero es un recalentamiento de hasta 621 °C (1,150 °F) que luego se deja enfriar. El acero estructural más comúnmente usado en la actualidad es un acero dulce designado como ASTM A36 o brevemente A36. Éste tiene una curva esfuerzo-deformación unitaria del tipo mostrado en las Figuras 2.3 y 2.4 y tiene las siguientes propiedades en tensión: Esfuerzo de fluencia: Resistencia a tensión:

Fy = 2,530 kg/cm2 (36 ksi) Fu = 4,075 a 5,620 kg/cm2 (58 ksi a 80 ksi)

12

2. Diseño estructural en acero

Placas y barras

Perfiles

Tipo de acero

Designación ASTM

Fy Esfuerzo Fu Esfuerzo de fluencia de tensión mínimo

Grupos de acuerdo a la norma ASTM A6

1b

2,245

4,075-5,620

2,530

4,075-5,620c

42

2,950

4,215-5,975

50

3,515

4,920-7,030

42

2,950

4,215

50

3,515

4,570

60

4,215

4,920

65

4,570

5,620

2,950

4,425

3,230

4,710

3,515

4,920

2,950

4,425

3,230

4,710

3,515

4,920

4,920

6,325-7,730

6,325

7,030-9,140

7,030

7,730-9,140

carbono

Alta resistencia y baja aleación

Alta resistencia, baja aleación y resistencia a la corrosión

Grado A572

Al

Grado A529f

A36

A242

A588

Aleación templada y revenida

A852e

Baja aleación templada y revenida

A514e

2

3

4

5

Más Más Más Más Más Más de 13 de 19 de 32 de 38 de 51 de 64 Hasta mm. mm. mm. mm. mm. mm. 13 hasta hasta hasta hasta hasta hasta mm. 102 64 51 38 32 19 incl. mm. mm. mm. mm. mm. mm. incl. incl. incl. incl. incl. incl.

Más de 102 mm. hasta 127 mm. incl.

Más de 127 mm. hasta 152 mm. incl.

Más de 152 Más mm. de 203 hasta mm. 203 mm. incl.

d

a Valor mínimo, a menos que se muestre un intervalo. b Incluye perfiles y barras. c Para perfiles de más de 635 kg/m, únicamente se aplica el valor mínimo de 4,075 kg/cm d Placas de hasta 25 mm de espesor x 305 mm de ancho y barras de hasta 38 mm. e Solamente placas. f Hasta mejorar la soldabilidad del acero A529, la especificación de máximo equivalente de carbono (de acuerdo a los requerimientos suplementarios del ASTM S78) es recomendada. Disponible. No disponible.

Tabla 2.1 Disponibilidad de perfiles, placas y barras de acuerdo a las especificaciones para aceros estructurales ASTM

El acero A36 es clasificado como un acero simple al carbono y tiene los siguientes componentes: Carbono: Fósforo: Azufre:

0.26% (máximo) 0.04% (máximo) 0.05% (máximo)

13

Comparación de los métodos WSD y LRFD para el diseño de plataformas marinas fijas

Estos porcentajes son aproximados, los valores exactos dependen de la forma del producto de acero terminado. El A36 es un acero dúctil con un alargamiento definido por la ecuación 2.3, de 20% con base en la longitud original no deformada de 20.32 cm. Los fabricantes de acero que proporcionan el acero A36 deben certificar que éste cumple con las normas ASTM. Los valores para el esfuerzo de fluencia y la resistencia en tensión mostrados, son requisitos mínimos; ellos pueden excederse y usualmente lo hacen en cierta medida. La resistencia en tensión está dada en un rango de valores ya que esta propiedad no puede alcanzarse con el mismo grado de precisión que el esfuerzo de fluencia. Un acero con un esfuerzo de fluencia de más de 2,530 kg/cm2 (36 ksi) se considera usualmente como un acero de alta resistencia. Los aceros de alta resistencia más frecuentemente usados son aquellos con un esfuerzo de fluencia de 3,515 kg/cm2 (50 ksi) y una resistencia en tensión de 4,570 a 4,920 kg/cm2 (65 a 70 ksi), aunque se dispone de un acero con 7,030 kg/cm2 (100 ksi). Por ejemplo, el ASTM A242 es un acero de baja aleación, resistente a la corrosión disponible con esfuerzos de fluencia de 2,950, 3,230 y 3,515 kg/cm2 (42, 46 y 50 ksi) con resistencias correspondientes de tensión de 4,425, 4,710 y 4,920 kg/cm2 (63, 67 y 70 ksi). Su composición es la siguiente: Carbono: Manganeso: Fósforo: Azufre: Cobre:

0.15% (máximo) 1.00% (máximo) 0.15% (máximo) 0.05% (máximo) 0.20% (máximo)

El acero A242 no es tan dúctil como el acero A36, su alargamiento, basado en la longitud original de 20.32 cm es de 18%, en comparación con 20% del A36. Por otra parte, los aceros estructurales usados para la construcción de plataformas fijas que son considerados por el Instituto Americano del Petróleo (API), se dan en la Sección I “Material” de la API RP 2A-LRFD. Las Tablas 2.2, 2.3 y 2.4 para placas, perfiles y tubos respectivamente (Tablas I.1, I.2 e I.3 en la sección I de la API RP 2A-LRFD), incluyen aceros de especificaciones ASTM y API. Estos aceros son clasificados en grupos de acuerdo a su nivel de resistencia y características de soldabilidad; y en clases de acuerdo a los requerimientos de tenacidad: 2

Grupo I. Designados aceros dulces con esfuerzos de fluencia mínimo de 2,810 kg/cm

(40 ksi) o menor. El equivalente de carbono es generalmente de 0.40% o menor, y estos aceros pueden soldarse por cualquier proceso de soldadura descrito en el código AWS D1.1. Grupo II. Designados aceros de resistencia intermedia con esfuerzos de fluencia de

2,810 a 3,655 kg/cm2 (40 a 52 ksi). El equivalente de carbono es de hasta 0.45%, y estos aceros requieren el uso del proceso de soldadura de bajo contenido de hidrógeno.

14

2. Diseño estructural en acero

Grupo III. Designados aceros de alta resistencia con esfuerzos de fluencia de más de 3,655 kg/cm2 (52 ksi). Tales aceros pueden usarse de manera que cada aplicación sea investigada considerando:

(a) La soldabilidad y los procesos de soldadura especiales que puedan requerirse. (b) Los problemas de fatiga que puedan resultar de altos esfuerzos de trabajo, y (c) La tenacidad, en relación a otros elementos de control de fractura, tales como fabricación, procedimientos de inspección, esfuerzos de servicio y temperatura ambiental. Clase C. Son aceros que tienen una historia de exitosas aplicaciones en estructuras

soldadas a temperaturas de servicio sobre temperaturas de congelación, pero para los cuales las pruebas de impacto no están especificadas. Tales aceros son aplicables a los miembros estructurales primarios que involucran espesores limitados, disposición moderada, restricciones bajas, concentración de esfuerzos somera, cargas estáticas y redundancia estructural de manera que una fractura aislada no sea catastrófica. Ejemplos de tales aplicaciones son los pilotes, piernas y arriostramientos de la subestructura, así como columnas y vigas de la superestructura. Clase B. Son aceros adecuados para su uso donde el espesor, trabajo en frío, restricciones, concentración de esfuerzos, cargas de impacto y/o falta de redundancia indican la necesidad de mejorar la tenacidad. Donde las pruebas de impacto están especificadas, los aceros Clase B deben presentar la prueba Charpy de muesca V con energía de 20 J (15 ft-lbs) para el Grupo I, y 34 J (25 ft-lbs) para el Grupo II, a la más baja temperatura de servicio anticipada. Los aceros enumerados en este punto como Clase B generalmente pueden encontrar estos requerimientos Charpy en rangos de temperatura de 10 a 0 °C (50 a 32 °F). Cuando las pruebas de impacto son especificadas para aceros Clase B, la prueba de acuerdo con la ASTM A673, Frecuencia H, es sugerida. Clase A. Son aceros adecuados para su uso a temperaturas abajo del punto de

congelación y para aplicaciones críticas que involucran combinaciones adversas de los factores citados arriba. Las aplicaciones críticas pueden garantizar pruebas Charpy de 2 a 12 °C (36 a 54 °F) debajo de las temperaturas de servicio más bajas anticipadas. Este margen extra de tenacidad previene la propagación de fracturas frágiles, previniendo el crecimiento de las grietas en espesores de varios cm. Los aceros enumerados en este punto como Clase A generalmente cumplen con los requerimientos Charpy indicados arriba en rangos de temperatura de -20 a -40 °C (-4 a -40 °F). La frecuencia de las pruebas de impacto para aceros Clase A estarán de acuerdo con la especificación bajo la cual es ordenado el acero; en la ausencia de otros requerimientos, la prueba de calentamiento puede ser usada.

15

Comparación de los métodos WSD y LRFD para el diseño de plataformas marinas fijas

GRUPO CLASE

ESPECIFICACIÓN Y GRADO

ESFUERZO DE FLUENCIA kg/cm² ksi 2,530 36 2,390 34 30 2,105

ESFUERZO DE TENSIÓN kg/cm² ksi 4,075 - 5,620 58 - 80 4,075 - 4,990 58 - 71 3,865 - 5,270 55 - 75

I

C

ASTM A36 (to 50 mm. (2 in.) de espesor) ASTM A131 Grado A (hasta 13 mm. (1/2 in.) de espesor) ASTM A285 Grado C (hasta 19 mm. (3/4) in.) de espesor)

I

B

ASTM A131 Grados B y D ASTM A516 Grado 65 ASTM A573 Grado 66 ASTM A709 Grado 36T2

2,390 2,460 2,460 2,530

34 35 35 36

4,075 4,570 4,570 4,075

4,990 5,975 5,410 5,620

58 65 65 58

-

71 85 77 80

I

A

ASTM A131 Grados CS y E

2,390

34

4,075 - 4,990

58

-

71

II

C

ASTM A572 Grado 42 (hasta 50 mm. (2 in.) de espesor*) ASTM A591 requerido a más de 13 mm (1/2 in.) de espesor ASTM A572 Grado 50 (hasta 50 mm. (2 in.) de espesor*) ASTM A591 requerido a más de 13 mm (1/2 in.) de espesor

2,950

42

4,215

min.

60

min.

3,515

50

4,570

min.

65

min.

ASTM A709 Grados 50T2 y 50T3 ASTM A131 Grado AH32 ASTM A131 Grado AH36

3,515 3,195 3,585

50 45.5 51

4,570 min. 4,780 - 5,975 4,990 - 6,325

65 68 71

-

min. 85 90

API Spec 2H Grado 42 Grado 50 (hasta 64 mm. (2 1/2 in.) de espesor) (más de 64 mm. (2 1/2 in.) de espesor)

2,950 3,515 3,300

42 50 47

4,355 - 5,620 4,920 - 6,325 4,920 - 6,325

62 70 70

-

80 90 90

II

II

III

B

A

A

-

API Spec 2W Grado 42 (hasta 25 mm. (1 in.) de espesor) (más de 25 mm. (2 1/2 in.) de espesor) Grado 50 (hasta 25 mm. (1 in.) de espesor) (más de 25 mm. (2 1/2 in.) de espesor) Grado 50T (hasta 25 mm. (1 in.) de espesor) (más de 25 mm. (2 1/2 in.) de espesor) Grado 60 (hasta 25 mm. (1 in.) de espesor) (más de 25 mm. (2 1/2 in.) de espesor)

2,950 2,950 3,515 3,515 3,515 3,515 4,215 4,215

-

4,710 4,355 5,270 4,920 5,620 5,270 6,325 5,975

42 42 50 50 50 50 60 60

-

67 62 75 70 80 75 90 85

4,355 4,355 4,570 4,570 4,920 4,920 5,270 5,270

min. min. min. min. min. min. min. min.

62 62 65 65 70 70 75 75

min. min. min. min. min. min. min. min.

API Spec 2Y Grado 42 (hasta 25 mm. (1 in.) de espesor) (más de 25 mm. (2 1/2 in.) de espesor) Grado 50 (hasta 25 mm. (1 in.) de espesor) (más de 25 mm. (2 1/2 in.) de espesor) Grado 50T (hasta 25 mm. (1 in.) de espesor) (más de 25 mm. (2 1/2 in.) de espesor)

2,950 2,950 3,515 3,515 3,515 3,515

-

4,710 4,355 5,270 4,920 5,620 5,270

42 42 50 50 50 50

-

67 62 75 70 80 75

4,355 4,355 4,570 4,570 4,920 4,920

min. min. min. min. min. min.

62 62 65 65 70 70

min. min. min. min. min. min.

5,975 6,325 6,325 5,835 6,325 6,325

68 71 70 63 70 70

-

5,620 - 7,030 5,620 - 7,030

80 80

- 100 - 100

ASTM A131 Grados DH32 y EH32 Grados DH36 y EH36 ASTM A537 Clase I (hasta 64 mm. (2 1/2 in.) de espesor) ASTM A633 Grado A Grado C y D ASTM A678 Grado A

3,195 3,585 3,515 2,950 3,515 3,515

45.5 51 50 42 50 50

ASTM A537 Clase II (hasta 64 mm. (2 1/2 in.) de espesor) ASTM A678 Grado B

4,215 4,215

60 60

4,780 4,990 4,920 4,425 4,920 4,920

-

85 90 90 83 90 90

API Spec 2W Grado 60 (hasta 25 mm. (1 in.) de espesor) (más de 25 mm. (2 1/2 in.) de espesor)

4,215 - 6,325 4,215 - 5,975

60 60

-

90 85

5,270 5,270

min. min.

75 75

min. min.

API Spec 2Y Grado 60 (hasta 25 mm. (1 in.) de espesor) (más de 25 mm. (2 1/2 in.) de espesor)

4,215 - 6,325 4,215 - 5,975

60 60

-

90 85

5,270 5,270

min. min.

75 75

min. min.

ASTM A710 Grado A Clase 3 (Revenido y precipitation heat treatment) Hasta 50 mm. (2 in.) De 50 mm. (2 in.) hasta 100 mm. (4 in.) Más de 100 mm. (4 in.) * Nivel máximo de vanadio permitido = 0.10% V.

5,270 4,570 4,215

75 65 60

Tabla 2.2 Placas de acero estructural

16

5975 5270 4920

85 75 70

2. Diseño estructural en acero

GRUPO CLASE

ESPECIFICACIÓN Y GRADO

ESFUERZO DE FLUENCIA kg/cm² ksi 36 2,530 34 2,390

ESFUERZO DE TENSIÓN kg/cm² ksi 4,075 - 5,620 58 - 80 4,075 - 5,620 58 - 80

I

C

ASTM A36 (to 50 mm. (2 in.) de espesor) ASTM A131 Grado A (hasta 13 mm. (1/2 in.) de espesor)

I

B

ASTM A709 Grado 36T2

2,530

36

4,075 - 5,620

58

II

C

ASTM A572 Grado 42 (hasta 50 mm. (2 in.) de espesor*) ASTM A572 Grado 50 (hasta 50 mm. (2 in.) de espesor*) ASTM A591 requerido a más de 13 mm (1/2 in.) de espesor

2,950 3,515

42 50

4,215 4,570

min. min.

60 65

II

B

3,515 3,195 3,585

50 45.5 51

4,570 min. 4,780 - 5,975 4,990 - 6,325

65 68 71

ASTM A709 Grados 50T2 y 50T3 ASTM A131 Grado AH32 ASTM A131 Grado AH36 * Nivel máximo de vanadio permitido = 0.10% V.

-

80 min. min.

-

min. 85 90

Tabla 2.3 Perfiles de acero estructural GRUPO CLASE

ESFUERZO DE FLUENCIA ksi kg/cm² 2,460 35 2,460 35 2,460 35 2,460 35 33 2,320 39 2,740 36 2,530

ESPECIFICACIÓN Y GRADO

ESFUERZO DE TENSIÓN kg/cm² ksi 4,215 min. 60 min. 4,215 min. 60 min. 4,215 min. 60 min. 4,215 min. 60 min. 3,160 min. 45 min. 3,160 min. 45 min. 4,075 min. 58 min.

I

C

API 5L Grado B* ASTM A53 Grado B ASTM A135 Grado B ASTM A139 Grado B ASTM A500 Grado A (circular) (conformado) ASTM A501

I

B

ASTM A106 Grados (normalizado) ASTM A524 Grado I (hasta 10 mm. (3/8 in.)) ASTM A524 Grado II (más de 10 mm. (3/8 in.))

2,460 2,460 2,105

35 35 30

4,215 min. 4,215 min. 3,865 - 5,620

60 60 55

min. min. - 80

A

ASTM A333 Grado 6 ASTM A334 Grado 6

2,460 2,460

35 35

4,215 4,215

min. min.

60 60

min. min.

I

C

API 5L Grado X42 2% max. expansión en frío API 5L Grado X52 2% max. expansión en frío ASTM A500 Grado B (circular) (conformado) ASTM A618

2,950 3,655 2,950 3,230 3,515

42 52 42 46 50

4,215 4,640 4,075 4,075 4,920

min. min. min. min. min.

60 66 58 58 70

min. min. min. min. min.

II

B

API 5L Grado X52 con SR5, SR6 o SR8

3,655

52

4,640

min.

66

min.

II A Ver sección I.2.2 * Sin costura o con costura de soldadura longitudinal.

Tabla 2.4 Tubos de acero estructural

2.2.3 Perfiles de acero

El objetivo principal dentro del proceso de diseño estructural mencionado antes, es la selección de las secciones transversales apropiadas para los elementos individuales de la estructuración definida. Comúnmente, esta selección nos llevará a escoger un perfil de sección transversal estándar que se encuentre disponible en el mercado, y si el proyecto lo requiere se tendrá que diseñar un perfil con dimensiones y propiedades especiales. La selección de un “perfil comercial” será casi siempre la opción más económica, incluso si ello implica usar un poco más de material. Los perfiles rolados en caliente son la categoría más grande de perfiles estándar. Las secciones transversales de los perfiles rolados en caliente más usados, se muestran en la Figura 2.6.

17

Comparación de los métodos WSD y LRFD para el diseño de plataformas marinas fijas

Perfil IR (W)

Perfil IE (S)

Perfil TR (T)

Perfil CE (C)

Perfil LI (L)

Perfil LD (L)

Figura 2.6 Perfiles laminados

Otros perfiles usados con frecuencia se muestran en la Figura 2.7. Las barras pueden tener secciones transversales circulares, cuadradas o rectangulares. Si el ancho de un perfil rectangular es de 20.32 cm o menor, éste se clasifica como barra. Si el ancho es mayor de 20.32 cm se designa como placa.

≤ 8"

> 8"

Barras

Placa

Figura 2.7 Barras y placas

En la Figura 2.8 se muestran perfiles huecos que pueden ser producidos doblando el material de la placa a la forma deseada y soldando la costura, o bien por trabajo en caliente para producir un perfil sin costura.

Tubo circular OC (HSS round)

Tubo cuadrado OR (HSS square)

Tubo rectangular OR (HSS rectangular)

Figura 2.8 Perfiles tubulares

18

2. Diseño estructural en acero

Existen otros perfiles, pero los descritos aquí son los más frecuentemente usados. En la mayoría de los casos, uno de esos perfiles estándar cumplirá los requisitos del diseño. Si los requisitos son especialmente severos, puede entonces ser necesaria una sección compuesta, como las mostradas en la Figura 2.9.

Perfil IR (W) con cubreplacas

Trabes armadas

Ángulo doble

Figura 2.9 Perfiles armados

2.3 Conceptos de diseño estructural en acero 2.3.1 Especificaciones de diseño

El diseño de las estructuras está regido por especificaciones de diseño. Las especificaciones proporcionan a los ingenieros estructuristas una guía definida sobre el diseño de miembros estructurales y sus conexiones. Las especificaciones representan las últimas investigaciones sobre la buena práctica de la ingeniería en un área determinada, las cuales son revisadas periódicamente y actualizadas en suplementos o ediciones completamente nuevas. Las especificaciones se escriben en un formato legal por instituciones afines al tipo de estructura, no son legalmente obligatorias, pero al presentar los criterios de diseño en forma de recomendaciones y restricciones legales, ellas pueden ser adoptadas adecuadamente. Las especificaciones de mayor interés en este trabajo, son aquellas publicadas por las siguientes instituciones: •

AISC-ASD, Manual de Construcción en Acero – Diseño por Esfuerzos Permisibles, 9ª edición, Instituto Americano de la Construcción en Acero: Estas especificaciones se refieren al diseño de edificios de acero estructural y sus conexiones empleando el método de diseño por esfuerzos permisibles.

•

AISC-LRFD, Manual de Construcción en Acero – Diseño por Factores de Carga y Resistencia, 2ª edición, Instituto Americano de la Construcción en Acero: Estas especificaciones se refieren al diseño de edificios de acero estructural y sus conexiones utilizando la metodología de diseño por factores de carga y resistencia.

•

API RP 2A-WSD, Práctica Recomendada para Planeación, Diseño y Construcción de Plataformas Fijas Costa Afuera – Diseño por Esfuerzos de Trabajo, 20ª edición: Estas especificaciones se refieren al diseño de plataformas fijas y estructuras afines, empleando el método de diseño por esfuerzos de trabajo.

19

Comparación de los métodos WSD y LRFD para el diseño de plataformas marinas fijas

•

API RP 2A-LRFD, Práctica Recomendada para Planeación, Diseño y Construcción de Plataformas Fijas Costa Afuera – Diseño por Factores de Carga y Resistencia, 1ª edición: Estas especificaciones se refieren al diseño de plataformas fijas y estructuras afines, empleando la filosofía de diseño por factores de carga y resistencia.

2.3.2 Cargas

Las fuerzas que actúan sobre una estructura se denominan cargas. Las cargas son clasificadas en cargas muertas y vivas. Las cargas muertas son aquellas que no varían con el tiempo respecto a su peso y posición. Ejemplos de cargas muertas son el peso de la estructura misma, también llamado peso propio, así como las cargas que permanecen unidas a la estructura tales como sistemas de piso, muros, instalaciones y equipos. Las cargas mencionadas son fuerzas resultado de la gravitación, por lo que son llamadas cargas gravitacionales. Las cargas vivas que también pueden ser gravitacionales, son aquellas que no son tan permanentes y varían con el tiempo respecto a su magnitud y posición. Ejemplos de estás cargas son la gente, muebles, vehículos, material almacenado, etc. También son cargas vivas el viento, nieve, hielo, sismo, impactos, etc., cada una de las cargas mencionadas son de naturaleza transitoria y por lo tanto pertenecen a la categoría de las cargas vivas. Sin embargo, debido a la relativa complejidad de determinación de las diferentes cargas, se consideran como una categoría aparte de carga. Las cargas producto de fenómenos naturales se clasifican como cargas ambientales, y las cargas producto de eventos tales como impactos, explosiones y otros, se clasifican como cargas accidentales. Todas las cargas dependen del tipo de estructura, el uso al que se le destine y su ubicación geográfica. Comúnmente las cargas se presentan en combinación, por lo que debe considerarse la probabilidad de esas combinaciones, así como la magnitud de cada una. Las cargas muertas son fáciles de determinar, debido al conocimiento de su magnitud y distribución. Las cargas vivas en las estructuras, normalmente son proporcionadas por las diferentes especificaciones de diseño. Las estructuras de formas poco comunes pueden requerir pruebas de modelos físicos o matemáticos para determinar la magnitud y distribución de las cargas, tal es el caso de las cargas ambientales y accidentales. 2.3.3 Métodos de diseño

El diseño estructural de un miembro implica satisfacer dos objetivos principales: economía y seguridad. La economía se obtiene utilizando una cantidad mínima de acero, la cuál se logra seleccionando una sección transversal con el menor peso por metro, que es aquella con una menor área transversal, aunque esto no siempre se aplica, ya que este criterio puede verse afectado por otras consideraciones, como la facilidad de construcción, entonces el proceso comienza con la selección del perfil más ligero que cumpla con la función deseada. Una vez definido este objetivo, se debe decidir como hacer ese perfil seguro ante las cargas aplicadas, que es donde entran en juego los diferentes métodos de diseño. Diseño por esfuerzos permisibles. En el diseño por esfuerzos permisibles

(ASD), un miembro se selecciona de manera que tenga propiedades transversales como área y momento de inercia suficientemente grandes para prevenir que el esfuerzo máximo exceda un esfuerzo permisible. Este esfuerzo permisible estará en el rango elástico del 20

2. Diseño estructural en acero

material y será menor que el esfuerzo de fluencia, Fy (vea la Figura 2.3). El esfuerzo permisible se obtiene dividiendo el esfuerzo de fluencia, Fy o bien la resistencia última a tensión, Fu entre un factor de seguridad. Este enfoque de diseño se llama también diseño elástico o diseño por esfuerzos de trabajo (WSD). Los esfuerzos de trabajo son aquellos que resultan de las cargas de trabajo, que son las cargas aplicadas. Las cargas de trabajo se conocen también como cargas de servicio. Un miembro apropiadamente diseñado quedará sometido a esfuerzos no mayores que el esfuerzo permisible bajo cargas de trabajo. Diseño plástico. El diseño plástico se basa en una consideración de las condiciones de falla en vez de consideraciones de la carga de trabajo. Un miembro se selecciona usando el criterio de que la estructura fallará bajo una carga considerablemente mayor que la carga de trabajo. La falla en este contexto significa el colapso o deformaciones extremadamente grandes. Se usa el término plástico porque en la falla, las partes del miembro estarán sometidas a deformaciones muy grandes que introducen al miembro en el rango plástico (vea la Figura 2.2). Cuando la sección transversal entera se plastifica en suficientes localidades, se formarán “articulaciones plásticas” en esas localidades, creándose un mecanismo de colapso. Como las cargas reales serán inferiores a las cargas de falla multiplicadas por un factor de seguridad conocido como factor de carga, los miembros diseñados de esta manera no son inseguros, a pesar de ser diseñados con base en lo que sucede en la falla. El procedimiento de diseño es aproximadamente como sigue:

1. Multiplique las cargas de trabajo (cargas de servicio) por el factor de carga para obtener las cargas de falla. 2. Determine las propiedades de la sección transversal necesarias para resistir la falla bajo esas cargas (se dice que un miembro con esas propiedades tiene suficiente resistencia y que estará a punto de fallar cuando se someta a las cargas factorizadas). 3. Seleccione el perfil más ligero con la sección transversal que tenga esas propiedades. Los miembros diseñados por teoría plástica alcanzan el punto de falla bajo las cargas factorizadas pero son seguros bajo las cargas de trabajo reales. Diseño por factores de carga y resistencia. El diseño por factores de carga y resistencia (LRFD) es similar al diseño plástico en tanto que se considera la resistencia o la condición de falla. Los factores de carga se aplican a las cargas de servicio y se selecciona un miembro que tenga suficiente resistencia frente a las cargas factorizadas. Además, la resistencia teórica del miembro es reducida por la aplicación de un factor de resistencia. El criterio que debe satisfacerse en la selección de un miembro es:

Carga factorizada ≤ resistencia factorizada

(2.5)

En esta expresión, la carga factorizada es realmente la suma de todas las cargas de servicio que resistirá el miembro, cada una multiplicada por su propio factor de carga. Por ejemplo, las cargas muertas tendrán factores de carga que son, en general, diferentes de 21

Comparación de los métodos WSD y LRFD para el diseño de plataformas marinas fijas

aquellos empleados para las cargas vivas. La resistencia factorizada es la resistencia teórica multiplicada por un factor de resistencia. La ecuación 2.4 puede entonces escribirse como:

Σ (Cargas x factores de carga) ≤ resistencia x factor de resistencia

(2.6)

La carga factorizada es una carga de falla mayor que la carga de servicio real total, por lo que los factores de carga son usualmente mayores que la unidad. Sin embargo, la resistencia factorizada es una resistencia reducida y el factor de resistencia es usualmente menor que la unidad. Las cargas factorizadas son las cargas que llevan a la estructura o al miembro a su límite. En términos de seguridad, este estado límite puede ser fractura, fluencia o pandeo y la resistencia factorizada es la resistencia útil del miembro, reducida del valor teórico por el factor de resistencia. El estado límite puede también ser uno de servicio, como la deflexión máxima aceptable. 2.3.4 Estados límite

Como se vio, el diseño por factores de carga y resistencia está basado en los conceptos de estados límite. Los estados límite son condiciones donde una estructura alcanza un punto en el que deja de satisfacer la función para la cual fue diseñada, claramente, estos estados no deben ser alcanzados. A pesar de que el estado límite más obvio es el asociado a la determinación de la capacidad de la estructura (estados límite de resistencia), otro estado límite que también debe ser reconocido es el que está asociado con la provisión adecuada de las condiciones de servicio (estados límite de servicio). Estados límite de resistencia. Están asociados con el colapso total o parcial de

una estructura, tales como fractura, inestabilidad local o global, capacidad plástica, formación de mecanismos, etc. Alcanzar un estado límite de resistencia implicaría pérdida de vidas, lesiones y/o perdidas financieras importantes, la probabilidad de ocurrencia de estas condiciones debe mantenerse baja. Estados límite de servicio. Están asociados a aspectos que pueden afectar el uso de una estructura o la comodidad de los ocupantes, tales como deflexiones, vibraciones, agrietamientos, etc. Alcanzar un estado límite de servicio debe evitarse a través de la vida de la estructura. Las consecuencias de exceder un estado límite de servicio son generalmente menos severas que las asociadas a exceder un estado límite de resistencia, y por lo tanto la probabilidad de ocurrencia puede ser algo más alta. 2.3.5 Factores de seguridad

El factor de seguridad de un miembro estructural, se define como la razón de la resistencia del miembro al esfuerzo máximo esperado. La resistencia de un miembro que se usa para determinar el factor de seguridad se puede considerar como la resistencia última del miembro, pero a menudo se usa un valor menor. Por ejemplo, se puede suponer que la falla ocurre cuando el miembro sufre deformaciones excesivas. Si este es el caso, el factor de seguridad se podría determinar dividiendo el esfuerzo de fluencia entre el esfuerzo máximo esperado. En materiales dúctiles, el factor de seguridad se basa usualmente en el esfuerzo de fluencia, mientras que en materiales frágiles se basa usualmente en la resistencia última.

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2. Diseño estructural en acero

2.3.6 Factores de carga y resistencia

La ecuación 2.5 puede escribirse más precisamente como: (2.7)

Σγ i Qi ≤ φRn

donde: Qi = un efecto de carga (una fuerza o un momento).

γ i = un factor de carga. Rn = la resistencia nominal de la componente bajo consideración.

φ = factor de resistencia.

La resistencia factorizada φRn se llama resistencia de diseño. La sumatoria en el lado izquierdo de la ecuación 2.6 es sobre el número total de efectos de carga (incluidas, pero no limitadas a las cargas muertas y vivas), donde cada efecto de carga puede asociarse con un factor de carga diferente. No sólo puede cada efecto de carga tener un factor de carga diferente, sino que también el valor del factor de carga para un efecto de carga particular dependerá de la combinación de las cargas bajo consideración. Factores de carga. La función principal de los factores de carga es considerar las

incertidumbres implicadas en la estimación de cada una de las cargas aplicadas a la estructura. El valor de un factor de carga dependerá del grado de certidumbre en la estimación de las cargas, ya que unas se pueden determinar con más precisión que otras, por ejemplo: el factor de carga usado para cargas muertas será menor que el de las cargas vivas, ya que las primeras permanecerán fijas durante largos periodos respecto a las segundas que se aplican por cortos periodos, tales como las cargas de viento. Las combinaciones de cargas consideradas por el AISC se dan en el Capítulo A, “Disposiciones Generales”, de las Especificaciones AISC como: •

Combinaciones de cargas gravitacionales, incluyendo cargas de nieve, lluvia o hielo, sin incluir el encharcamiento. La carga de impacto se incluye en la combinación A4.2: 1.4D A4-1 1.2D + 1.6L + 0.5 (Lr o S o R) A4-2

•

Combinaciones de cargas considerando las fuerzas de viento o sismo, además de la carga de impacto en la combinación A4-3: A4-3 1.2D + 1.6 (Lr o S o R) + (0.5L o 0.8W) 1.2D + 1.3W + 0.5L + 0.5 (Lr o S o R) A4-4 1.2D ± 1.0E + 0.5L + 0.2S A4-5

•

Combinación de cargas para tomar en cuenta la posibilidad de levantamiento, debido a fuerzas laterales de grandes magnitudes: 0.9D ± (1.3W o 1.0E) A4-6

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Comparación de los métodos WSD y LRFD para el diseño de plataformas marinas fijas

donde: D = carga muerta debido al peso de los elementos estructurales. L = carga viva debido al equipo móvil y ocupación. Lr = carga viva de techo. S = carga de nieve. R = carga de lluvia o hielo. W = carga de viento. E = carga por sismo. Las combinaciones de cargas consideradas por el API se dan en la Sección C, “Cargas”, de la API RP 2A-LRFD como: •

Combinación de cargas gravitacionales: 1.3D1 + 1.3D2 +1.5L1 + 1.5L2

C2.1

•

Combinación de cargas gravitacionales con efectos de oleaje, viento y corriente bajo condiciones de tormenta de diseño (extrema): 1.1D1 + 1.1D2 + 1.1L1 + 1.35 (We + 1.25Dn) C3.1

•

Combinación de cargas considerando cargas ambientales y fuerzas de tensión debido a momentos de volteo: 0.9D1 + 0.9D2 + 0.8L1 + 1.35 (We + 1.25Dn) C3.2

•

Combinación de cargas gravitacionales con efectos de oleaje, viento y corriente bajo condiciones de tormenta de operación (norte): C3.3 1.3D1 + 1.3D2 + 1.5L1 + 1.5L2 + 1.2 (Wo + 1.25Dn)

•

Combinación de cargas considerando cargas sísmicas: 1.1D1 + 1.1D2 + 1.1L1 + 0.9E

•

C4.1

Combinación de cargas considerando cargas sísmicas y fuerzas de tensión debido a momentos de volteo: C4.2 0.9D1 + 0.9D2 + 0.8L1 + 0.9E

donde: D1 = peso propio de la estructura. D2 = peso de equipo y otros objetos. L1 = peso de materiales de consumo y líquidos en tanques y tuberías. L2 = cargas de corta duración. We = viento, oleaje y corriente (condiciones ambientales extremas) Wo = viento, oleaje y corriente (condiciones ambientales normales) Dn = carga inercial debido a la respuesta dinámica global máxima. E = carga por sismo.

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2. Diseño estructural en acero

Factores de resistencia. Los factores de resistencia se encargan de considerar las incertidumbres que se tienen en la resistencia de los materiales, en las dimensiones de los elementos resultantes y en la mano de obra involucrada en el proceso. Los factores de resistencia reconocen inmediatamente que no es posible calcular exactamente la resistencia de un elemento, debido a las imperfecciones de las teorías de análisis, a variaciones en las propiedades de los materiales y las desviaciones en las dimensiones de los elementos estructurales. Para poder estimar con la mayor precisión la resistencia última de un elemento, se multiplica la resistencia nominal del elemento por un factor de resistencia φ. El valor del factor de resistencia dependerá del tipo sección transversal y del esfuerzo al que se vea sometido el elemento. En la Tabla 2.5 se dan los valores de los factores de resistencia considerados en las especificaciones del AISC y del API para elementos no tubulares y tubulares respectivamente. Esfuerzo

AISC

API

Compresión

0.85

0.85 0.95

Flexión

0.90

Cortante

0.85

0.95

Tensión

0.90

0.95

Pandeo local

0.80

Tabla 2.5 Factores de resistencia

2.3.7 WSD vs. LRFD

El método LRFD ha sido adoptado por varios criterios de diseño estructural, tales como el del Instituto Americano del Concreto (ACI) para el diseño en concreto reforzado, el de la Asociación Americana de Oficiales de Transporte y Autopistas Estatales (AASHTO) para el diseño de puentes, y por supuesto las especificaciones del Instituto Americano de la Construcción en Acero (AISC) para el diseño en acero estructural. Por su parte, el Instituto Americano del Petróleo (API) decidió emitir una metodología alterna para la revisión de la resistencia en estructuras costa afuera a la conocida como diseño por esfuerzos de trabajo (WSD) a un formato de múltiples factores de seguridad, conocido como diseño por factores de carga y resistencia (LRFD). El objetivo de emplear este criterio, es el de buscar una consistencia y uniformidad en los niveles de seguridad. Los criterios de diseño basados en la metodología del LRFD, dan las bases a los diseñadores para obtener una solución más realista a los problemas de diseño estructural, y por consiguiente obtener diseños optimizados que redundan en la seguridad y economía de la estructura.

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3

Análisis y diseño de plataformas fijas

3.1 Introducción Una plataforma marina puede definirse como una “isla” hecha por el hombre, construida para permitir actividades de perforación y producción que se realizarán en el mar usando técnicas convencionales sobre el nivel del agua. Desde que las plataformas tienen que ser instaladas en mar abierto para resistir las fuerzas encontradas en el ambiente marino, se han desarrollado conceptos especializados en el diseño de tales estructuras, como los mostrados en la Figura 3.1. Las plataformas marinas han tenido un progreso gradual, donde el reto principal sigue siendo abatir la gama de tirantes en el mar para desarrollar yacimientos a mayor profundidad. Actualmente, existe una abundancia de soluciones para desarrollar campos a distintas profundidades. El proceso de entender las ventajas y desventajas de cada solución y seleccionar el mejor concepto para el desarrollo de un campo, puede ser abrumador y confuso. Es por eso que en algunos lugares del mundo se simplifica el proceso de selección, solamente eligiendo conceptos probados para reducir al mínimo el riesgo del proyecto.

Figura 3.1 Plataformas marinas

Las plataformas fijas han sido un concepto efectivo para el desarrollo de campos que se encuentran a poca profundidad, es una tecnología probada y que ha evolucionado de

Comparación de los métodos WSD y LRFD para el diseño de plataformas marinas fijas

acuerdo a las necesidades de cada región. El óptimo aprovechamiento de un yacimiento por medio de este sistema es llevado a cabo desarrollando cierto número de procesos, tales procesos se pueden establecer en una sola plataforma, o bien, en plataformas diferentes en donde cada una desempeña una función. La segunda modalidad es la más utilizada por Petróleos Mexicanos (Pemex) en las Regiones Marinas del Golfo de México, en donde las plataformas se encuentran agrupadas en complejos de producción y dentro de los cuales podemos encontrar plataformas de perforación, producción, compresión, etc. Las plataformas fijas usadas son del tipo “jacket”, estructuras de acero que se encuentran ancladas al suelo marino por un conjunto de pilotes, su nombre característico se debe a que los pilotes se albergan en el interior de las piernas formando un sistema de camisa. Este sistema estructural es el principal objetivo de estudio en este trabajo, por lo que en lo siguiente se profundizará en el tema. En el Apéndice A de esta tesis se presenta una clasificación general de las diferentes plataformas marinas usadas para la explotación de hidrocarburos en el mundo, así como una clasificación de las plataformas fijas usadas en México.

3.2 Plataforma fija tipo “jacket” Una plataforma fija tipo “jacket” está constituida por tres componentes estructurales principales: la superestructura, que es la porción de la plataforma que sobresale del agua y soporta los equipos e instalaciones, la cual puede dividirse en cierto número de niveles y áreas dependiendo de las funciones que vaya a ofrecer; la subestructura también llamada “jacket”, es el segmento que se ubica del nivel del agua al lecho marino, el jacket proporciona soporte lateral a los pilotes y se encarga de transferir las cargas laterales por efectos del oleaje y corriente, además de proporcionar una guía para el hincado de los pilotes, provee soporte a accesorios que contribuyen en el funcionamiento de la plataforma; y la cimentación a base de Figura 3.2 Plataforma fija pilotes de punta abierta, que son tipo “jacket” instalados a través de las piernas de la subestructura y dan soporte a la superestructura. Los pilotes fijan el jacket y transmiten las cargas verticales y laterales al suelo marino. La Figura 3.2 muestra una plataforma convencional tipo “jacket”, en la cual se puede apreciar cada componente de la plataforma.

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3. Análisis y diseño de plataformas fijas

Este sistema estructural se utiliza por su gran capacidad de carga en tirantes moderados, por lo general hasta un máximo de 200 m en zonas de condiciones ambientales extremas, aunque puede operar eficientemente en tirantes de mayor profundidad.

3.3 Consideraciones de diseño Los requerimientos generales de una plataforma fija son similares a los de cualquier otra estructura, ésta debe satisfacer el propósito para el cual es diseñada. La estructura debe funcionar adecuadamente ante las cargas operacionales y ambientales, además de ser práctica en su construcción e instalación. Como parte de un desarrollo global, la plataforma debe ser rentable y proporcionar un periodo de retorno satisfactorio de su inversión. A diferencia de otras estructuras, la plataforma no es diseñada considerando aspectos arquitectónicos o estéticos en general, el concepto se basa casi totalmente en sus características de operación y el método de instalación. Es decir, la configuración, la disposición y el diseño estructural son establecidos extraordinariamente influenciados por los procedimientos de instalación. Antes de poder iniciar el diseño de una plataforma fija, deben ser determinadas las condiciones del lugar, para lo que es necesario realizar diversos estudios tales como: geofísicos, geotécnicos, sísmicos, meteorológicos y oceanográficos. En algunas partes del mundo, como en el Mar del Norte, el criterio de diseño ambiental es establecido por “decreto” gubernamental y debe utilizarse por los ingenieros como un “mínimo” sobre la misma base que los códigos de construcción aplicados en otras industrias. Sin embargo, en casi todo el mundo el criterio de diseño ambiental es establecido por el propietario, basado en la evaluación del riesgo. Tal es el caso de Pemex, donde la categorización de plataformas considera una evaluación de la pérdida de vidas humanas, el impacto ambiental, la vida útil proyectada, así como consideraciones económicas.

3.4 Estructuración 3.4.1 Superestructura

La principal función de la superestructura es proveer un área horizontal adecuada sobre el nivel del mar donde se puedan desempeñar los distintos procesos y actividades de una plataforma. La configuración de la superestructura está en función de los servicios que ofrecerá la plataforma, lo que refiere el empleo de una o más cubiertas para el desarrollo de sus operaciones, las dimensiones generales de las cubiertas quedan definidas por la distribución de equipos e instalaciones. Las cubiertas están estructuradas por un conjunto de trabes principales dispuestas sobre los ejes longitudinales y transversales de la plataforma, generalmente son trabes armadas fabricadas con tres placas soldadas. Así mismo, se incluyen vigas intermedias o secundarias dispuestas transversal y/o longitudinalmente que se apoyan en las vigas principales y perimetrales, las cuales son comúnmente secciones laminadas. Las trabes se encargan de sostener el sistema de piso integrado por largueros, rejilla, polines de madera y placa lisa y/o antiderrapante. El sistema de piso soporta los equipos e instalaciones que 29

Comparación de los métodos WSD y LRFD para el diseño de plataformas marinas fijas

algunas veces resultan de magnitudes importantes, lo cual determina la instalación de apoyos intermedios en las trabes por medio de puntales o bien utilizando armaduras bajo las mismas.

Figura 3.3 Superestructura

Las columnas son miembros estructurales de gran importancia, son de sección tubular y van desde la conexión con los pilotes (punto de trabajo) hasta la última cubierta; las columnas se apoyan directamente sobre los pilotes, de tal manera que el diámetro de éstas generalmente queda determinado por el diámetro de los pilotes. Esta estructuración es un sistema típico como el mostrado en la Figura 3.3, donde las cargas son transferidas del sistema de piso a las trabes, y posteriormente a las columnas que descargan sobre los pilotes. 3.4.2 Subestructura

La subestructura o “jacket” tiene la función de proporcionar apoyo lateral a los pilotes alojados en el interior de cada una de sus piernas, donde el número de éstas queda determinado por el tipo de servicio para el que se requiere la plataforma, pudiendo resultar generalmente, en trípodes, tetrápodos u octápodos. Las piernas se encargan de transmitir a los pilotes las cargas laterales generadas por el oleaje y corriente, y así mismo servir de plantilla para el hincado de los pilotes durante la etapa de instalación. De esta manera, la dimensión de las piernas depende del diámetro de los pilotes, los cuales deben pasar libremente por el interior de las mismas. La configuración de la subestructura tiene la forma de una pirámide truncada y va desde la conexión subestructura-pilote hasta el suelo marino, está compuesta por miembros verticales, horizontales y diagonales (arriostramientos) que se conectan a las piernas, formando un sistema rígido de marcos continuos contraventeados. La forma piramidal ocasiona que las piernas tengan pendientes, la finalidad de estas pendientes es proveer al

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3. Análisis y diseño de plataformas fijas

jacket una mayor base en el suelo marino para resistir los momentos ocasionados por las cargas ambientales, e incrementar la capacidad individual de los pilotes para absorber cargas laterales. Los valores de las pendientes utilizadas más frecuentemente son, para piernas de esquina de 1:8 en dos direcciones ortogonales, y para las piernas interiores de 1:8 en una sola dirección.

Figura 3.4 Subestructura

Los miembros dispuestos horizontalmente forman niveles de arriostramiento, el número de niveles depende directamente del tirante de agua, estos niveles se encargan de proporcionar rigidez a la subestructura durante las etapas de carga a la barcaza, transportación e instalación, y durante la etapa de operación proporcionan soporte lateral a pilotes y conductores. Los arriostramientos forman intersecciones que a su vez generan conexiones o juntas tubulares. La mayoría de estas juntas, y principalmente las que se forman entre los niveles de arriostramiento y las piernas, se encuentran sometidas a altos esfuerzos debido a las cargas generadas por el oleaje y corriente, así como a efectos de fatiga, la complejidad de estas juntas requiere el empleo de secciones de acero especial para reforzar las piernas en estos puntos, tales secciones son conocidas como canutos. El jacket es fabricado en su totalidad con tubos circulares, tal como se muestra en la Figura 3.4, debido a que esta sección presenta características favorables respecto a otro tipo de perfil, su baja resistencia al paso de los fluidos representa una reducción benéfica de las cargas ambientales, su hermeticidad y propiedades de flotación son aprovechadas durante la etapa de instalación. La subestructura también se encarga de soportar estructuras adicionales o accesorios necesarios para la operación de la plataforma, tales como ductos ascendentes, camisas para bombas, atracaderos, defensas, pasillos de acceso, etc.

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Comparación de los métodos WSD y LRFD para el diseño de plataformas marinas fijas

3.4.3 Cimentación

La cimentación es a base de pilotes de acero, los cuales se encargan de fijar permanentemente el jacket al suelo marino y transmitir las cargas laterales y verticales al mismo, los pilotes son colocados concéntricamente en el interior de las piernas y van desde el punto de trabajo hasta profundidades del orden de los 60 y 120 m bajo el suelo marino, dependiendo de las condiciones geotécnicas locales y de la magnitud de la cargas.

Figura 3.5 Cimentación

La conexión entre la subestructura y los pilotes se efectúa 80 cm arriba del primer nivel de arriostramiento, a este punto se le llama conexión subestructura-pilote. Además de este punto de conexión, existen otros puntos a lo largo de las piernas del jacket donde los pilotes hacen contacto con ellas para efectos de apoyo lateral y transmisión de cargas laterales, tales puntos corresponden a las intersecciones de las piernas con los diferentes niveles de arriostramiento. La interacción entre los pilotes y las piernas se logra mediante la colocación de placas espaciadoras en el interior de las piernas, estas placas también actúan como guías y centradoras de los pilotes durante su hincado. La superestructura es conectada a los pilotes 50 cm arriba del extremo superior de las piernas del jacket, a este punto se le llama conexión superestructura-pilote o punto de trabajo, ya que en el se realiza el corte de los pilotes y el acoplamiento de las columnas de la superestructura, los puntos de conexión mencionados pueden apreciarse en la Figura 3.4. 3.4.4 Accesorios

Los accesorios son parte integral de la plataforma, cada uno de ellos tiene una función durante sus diferentes etapas, muchos de ellos son instalados desde el patio de fabricación y otros en el sitio de instalación, no contribuyen necesariamente a su rigidez estructural, pero en algunos casos representan cargas adicionales importantes que son transmitidas a la estructura. Los accesorios más representativos son los siguientes:

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3. Análisis y diseño de plataformas fijas

Cuna de deslizamiento. Se encarga de soportar a la subestructura durante la etapa de fabricación, y durante la etapa de carga a la barcaza e instalación proporciona un medio de deslizamiento para efectuar su traslado y el lanzamiento hacia el mar respectivamente. Está constituida por placas de acero soldadas a las piernas y polines de madera conectados a éstas por medio de pernos. Se encuentra ubicada en casi todo lo largo de las piernas interiores de alguno de los dos ejes longitudinales. Marco de arrastre. Al igual que la cuna de deslizamiento, esta estructura tiene la

función de soportar a la superestructura durante la etapa de fabricación, carga a la barcaza y transportación. Está constituido por candeleros que reciben a cada una de las columnas, los cuales se unen por medio de vigas de alma abierta o bien por secciones tubulares. Placas (orejas) para arrastre. Estos accesorios tienen el objetivo de resistir las

tensiones de los cables provocadas por la operación de los malacates durante el traslado de la subestructura del patio de fabricación a la barcaza, así como de la barcaza hacia el mar. Están constituidas por placas dispuestas en capas para soportar la fuerza cortante que se produce durante los jalones. Estos soportes se encuentran ubicados sobre los mismos ejes en que se encuentra la cuna de deslizamiento. Seguros marinos. Estos accesorios se encargan de fijar a las estructuras a la barcaza durante la transportación. Inmediatamente después de finalizar las maniobras de carga a la barcaza, estos elementos son fijados a la estructura con la finalidad de tomar las fuerzas que se generan durante la transportación de las estructuras del patio de fabricación al sitio de instalación. Una vez que la barcaza se encuentra en el lugar de emplazamiento, estos elementos son retirados para liberar a la estructura e iniciar el lanzamiento de la subestructura, o bien las maniobras de izaje para la superestructura y los módulos. Son formados por elementos tubulares, secciones de alma abierta y placas de acero. Tapas de sello. Estas tapas se encargan de impedir la filtración del agua después de que la subestructura es lanzada hacia el mar, con el objetivo de que las piernas no se inunden y se logre la flotación de la estructura. Generalmente son hechas de placa, aunque a veces se utilizan de neopreno, las cuales son cada vez más utilizadas. Estas tapas son colocadas en ambos extremos de cada una de las piernas del jacket. Tanques de flotación. Estos elementos son requeridos cuando los análisis indican

que la subestructura requiere flotación adicional a la que le proporcionan los elementos estructurales para adoptar su posición adecuada. Son elementos tubulares sellados con placas en sus extremos, y que se conectan al jacket en el extremo superior de las piernas en sentido transversal. Mesa de estrobos. En ésta se realizan las maniobras para la sujeción de los cables

que servirán para el posicionamiento vertical de la subestructura. Está formada por elementos tubulares y rejilla. Se suelda a las piernas interiores del marco longitudinal contrario al que lleva la cuna de deslizamiento bajo el nivel de pasillos; en la parte inferior, se encuentra apoyada sobre las diagonales a las que va sujeta por medio de abrazaderas.

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Comparación de los métodos WSD y LRFD para el diseño de plataformas marinas fijas

Orejas de posicionamiento vertical. La posición final de la subestructura posterior a su lanzamiento en el mar es horizontal, para posicionarla verticalmente y ubicarla en el sitio determinado para su instalación, es izada por medio de cables mediante un barco-grúa. Los cables están sujetos por medio de grilletes a las orejas que se sueldan en las cuatro piernas interiores en el primer nivel de arriostramiento. Sistema de inundación. Es un sistema de válvulas que permite la inundación controlada de las piernas de la subestructura durante el posicionamiento vertical. Están ubicadas en cada una de las piernas y son operadas estratégicamente para que mediante las fuerzas de flotación, el jacket se vaya enderezando. Una vez que la subestructura se encuentra en la posición deseada, se abren completamente para que ésta asiente en el lecho marino. Placas base. Tienen como función soportar a la subestructura en el lecho marino mientras se realiza la instalación de los pilotes. Son placas de forma triangular rigidizadas por elementos de sección abierta ubicados en la intersección de los ejes. Cuando los requerimientos son mayores, las placas son de forma rectangular y van a lo largo de los ejes longitudinales, las cuales se localizan en el último nivel de arriostramiento. Orejas de izaje. Son requeridas durante la etapa de instalación para izar la superestructura o módulos desde la barcaza. La superestructura se posiciona y conecta a los pilotes que sobresalen de la subestructura, mientras que los módulos se posicionan y se sueldan al sistema de piso. Estos accesorios generalmente se sueldan a la parte superior de las columnas interiores de la superestructura. Pasillos. La subestructura cuenta con un sistema de pasillos que permiten el acceso del

personal desde los atracaderos a las instalaciones de la plataforma. Están formados por elementos tubulares sobre los cuales se coloca rejilla y los barandales. Estos pasillos se localizan en el primer nivel de arriostramiento de la subestructura. Atracaderos. Tienen como función permitir el embarque y desembarque del personal

que ingresa a la plataforma vía marítima. Están constituidos por una serie de elementos tubulares verticales y horizontales que se conectan a las piernas de la subestructura, también se incluye una escalera para comunicar el atracadero con los pasillos. Una plataforma cuenta generalmente con dos atracaderos, uno en cada marco longitudinal, de los cuales uno es instalado desde el patio de fabricación y el otro es instalado después de que la subestructura ha sido instalada. Ánodos de sacrificio. Estos elementos tienen la función de dar protección catódica a

la porción de la subestructura que se encuentra sumergida en el mar. El número y la ubicación se determinan basándose en el área de acero expuesta. Se conectan a los elementos de arriostramiento del jacket por medio de soldadura, los cuales se instalan desde el patio de fabricación. Conductores. Son elementos que sirven como ademe durante la perforación de los

pozos, y que se encargan de proteger del impacto de las olas tanto a la tubería de perforación como a la de producción. Generalmente son tubos de 76.20 cm de diámetro que 34

3. Análisis y diseño de plataformas fijas

se extienden desde la cubierta inferior hasta una profundidad aproximada de 60 m bajo el lecho marino. Reciben apoyo lateral en todos o casi todos los niveles de arriostramiento de la subestructura por medio de los tazones. Una característica importante es que los conductores están prácticamente empotrados en el suelo marino, lo que hace que la subestructura y los conductores interactúen de manera importante entre sí. Ductos ascendentes. Estos ductos constituyen el modo de transporte del crudo, gas o agua entre plataformas o bien entre plataformas y tierra. Se denominan ascendentes porque suben a las cubiertas paralelamente a través de las piernas de la subestructura. Sus diámetros varían de 8 a 36 pulgadas, y el número de tales elementos en una plataforma, puede ser de hasta 12 ductos, llegando a tener tres ductos por pierna, los cuales son fijados mediante abrazaderas. Las fuerzas de oleaje generadas por los ductos sobre el jacket pueden resultar de magnitudes considerables en el diseño de una plataforma. Camisas para bombas de succión de agua. Estos elementos sirven como

protección a los conductos de las bombas de agua contra incendio que forman parte del equipo de perforación. Generalmente van desde la cubierta inferior hasta una profundidad de 13 m bajo el NMM, los cuales van conectados al sistema de piso de la superestructura y a los elementos de arriostramiento de la subestructura. Camisas para drenaje. La función de estos elementos es la de desalojar las aguas producto de los múltiples servicios de la plataforma, previo al desalojo, estas aguas reciben un tratamiento para poder ser desechadas al mar. Al igual que las camisas para bombas de succión de agua, éstas se encuentran ranuradas en su parte inferior para facilitar el flujo de los líquidos. Defensas para piernas. Estas defensas tienen el objetivo de proteger a la plataforma de posibles impactos de embarcaciones que se le aproximen. Están formadas por un elemento vertical cubierto con neopreno o caucho, y en ocasiones cuentan con un sistema de amortiguamiento en su interior. Se instala una en cada pierna desde el patio de fabricación, con excepción de dos, que son las correspondientes a las piernas de los ejes en los que se ubica la cuna de deslizamiento, esas se conectan cuando se ha terminado la instalación de la subestructura. Defensas para ductos ascendentes. Estos elementos al igual que las defensas

para piernas, cumplen con la función de proteger de posibles impactos de embarcaciones, pero en este caso a los ductos ascendentes que se encuentran conectados a las piernas. Están formadas por armaduras verticales que soportan un arreglo radial de elementos horizontales y verticales, donde los elementos verticales comúnmente son rellenados con concreto.

3.5 Criterios de diseño Tradicionalmente, la ingeniería se ha llevado a cabo siguiendo los criterios de diseño recomendados por el Instituto Americano de la Construcción en Acero (AISC), Instituto Americano del Concreto (ACI), Sociedad Americana de la Soldadura (AWS), etc. Desafortunadamente, estas especificaciones fueron desarrolladas para otro tipo de 35

Comparación de los métodos WSD y LRFD para el diseño de plataformas marinas fijas

estructuras y no son aplicables a todas las fases de las estructuras en un ambiente de mar abierto. Para ayudar a llenar este vacío, el Instituto Americano del Petróleo (API), creo el Comité Costa Afuera del API (API OC) para desarrollar las especificaciones y ayudar a la industria costa afuera. Dicha comisión desarrollo la Práctica Recomendada para Planeación, Diseño y Construcción de Plataformas Fijas Costa Afuera (API RP 2A), la cual provee las recomendaciones y la guía a los ingenieros para suplir las ayudas existentes de diseño. La AWS también hizo una contribución substancial al publicar el Código de Soldadura Estructural D1.1 (AWS D1.1). El análisis y diseño de plataformas fijas en México se ha basado por varias décadas en las recomendaciones desarrolladas por el API, pero tales recomendaciones no han sido aplicables en su totalidad, ya que el desarrollo de un criterio de diseño es producto de las diferentes necesidades que dominan en cada región del mundo, por lo que reflejan características locales, así como condiciones económicas de cada país y el posible impacto económico que representaría la falla de una estructura de este tipo. En México fue necesario desarrollar un criterio para las Regiones Marinas, el desarrollo del criterio estuvo a cargo del Instituto Mexicano del Petróleo (IMP) y es el que actualmente rige el Diseño y Evaluación de Plataformas Marinas Fijas en la Sonda de Campeche (NRF-003-PEMEX2000). En la actualidad la API RP 2A-WSD y la norma NRF-003-PEMEX-2000 son las guías para el desarrollo de la ingeniería de plataformas fijas; el diseño, construcción y operación de las plataformas son aprobadas por Pemex Exploración y Producción (PEP).

3.6 Información del sitio Antes de comenzar el diseño estructural de una plataforma deben definirse los parámetros ambientales. Algunos de estos parámetros podrán ser definidos más adelante, ya que se pueden hacer suposiciones durante la fase de estructuración y posteriormente confirmarlos durante la fase de ingeniería básica. La definición de estos parámetros requiere estudios específicos de cada lugar, los cuales son elaborados por compañías especialistas en la materia. La información requerida para el diseño de una plataforma fija en las Regiones Marinas es la siguiente: 3.6.1 Información geofísica

Tal información en un principio es usada para determinar la ubicación de los yacimientos productores, y posteriormente se utiliza para establecer la mejor localización de las instalaciones para explotar tales yacimientos. La información geofísica sirve para prever eventos futuros relacionados con los procesos de actividad geológica durante la vida de la plataforma, tales como el movimiento de los sedimentos cercanos a la superficie, fallas geológicas producto de eventos sísmicos o a la extracción de fluidos, erosión del suelo marino y la presencia de gas en la superficie; cada uno de estos eventos representa un peligro potencial para la plataforma y su cimentación, por lo que deben ser evitados en lo posible. Adicionalmente deben evaluarse y modelarse estos fenómenos de manera que se proporcione información para determinar los posibles efectos durante la vida útil de la plataforma.

36

3. Análisis y diseño de plataformas fijas

3.6.2 Información geotécnica

La información geotécnica es vital para el diseño de cualquier plataforma, ya que el suelo es el que finalmente resiste las enormes cargas transmitidas por los pilotes. El estudio geotécnico incluye la estratigrafía y las propiedades mecánicas del suelo. Dicha información es necesaria para determinar la capacidad axial de los pilotes en tensión y compresión, características carga-deformación de pilotes cargados axial y lateralmente, características de hincado de pilotes y capacidad de carga de placas base. 3.6.3 Información sísmica

El Golfo de México se encuentra afectado por la actividad sísmica de otras regiones, por lo que es necesario considerar las repercusiones de este fenómeno en el diseño de la plataforma, para lo cual se consideran dos condiciones sísmicas de diseño, una donde se espera un sismo que tiene probabilidad razonable de no ser excedido en el lugar durante la vida de la plataforma y otra donde se espera un sismo raro e intenso. Los parámetros requeridos para ambas condiciones son las aceleraciones esperadas del terreno en relación a los periodos de retorno asociados, los cuales se reflejan en una gráfica llamada espectro de diseño sísmico. 3.6.4 Información meteorológica y oceanográfica

Esta información es necesaria para considerar los efectos causados por los fenómenos naturales (viento, oleaje, marea y corriente) en el diseño de la plataforma, la información considera dos condiciones de diseño, en condiciones ambientales normales (condiciones que se espera ocurran con frecuencia durante la vida de la plataforma) y en condiciones ambientales extremas (condiciones que ocurren muy raramente durante la vida de la plataforma). Los parámetros requeridos incluyen el perfil de velocidades para viento, las alturas de olas y sus periodos asociados, la altura de marea astronómica y de tormenta, así como el perfil de velocidades para corriente, estos parámetros son definidos considerando diferentes periodos de retorno, de acuerdo al sitio de interés. Información similar para las condiciones de transportación e instalación de los diferentes componentes de la plataforma es requerida durante la etapa de diseño. La información meteorológica y oceanográfica, así como la información sísmica es proporcionada en la norma NRF-003-PEMEX-2000 y la información geotécnica será determinada para cada lugar específico.

3.7 Ingeniería básica y de detalle La ingeniería básica y de detalle es la información requerida por PEP para la ejecución de los trabajos de construcción de la plataforma, previo a su realización PEP proporciona a las firmas de ingeniería, prestadoras de servicio y/o contratistas licitantes las bases de usuario y la información del sitio para llevar a cabo dichos trabajos. Las bases de usuario son el documento donde PEP específica los alcances del proyecto, localización y orientación de la plataforma, así como la características generales de la estructura, para cubrir sus requerimientos y necesidades.

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Comparación de los métodos WSD y LRFD para el diseño de plataformas marinas fijas

3.7.1 Ingeniería básica

La ingeniería básica define la configuración y dimensiones de la plataforma para permitir el comienzo de la ingeniería de detalle. Los resultados de la ingeniería básica permiten estimar un presupuesto y una programación confiable, para ordenar con tiempo los equipos y componentes estructurales mayores. En lo que a diseño estructural se refiere, la ingeniería básica comprende el análisis estructural para condiciones de operación y tormenta, planos estructurales preeliminares (jacket, cubiertas y pilotes) y las bases de diseño estructural. 3.7.2 Ingeniería de detalle

La ingeniería de detalle incluye todos los análisis estructurales en condiciones de preservicio y servicio, memorias de cálculo, planos estructurales aprobados para construcción, especificaciones, procedimientos y reportes requeridos para permitir la fabricación, carga a la barcaza, transportación e instalación de la plataforma, así como la asistencia técnica y supervisión durante todas las etapas mencionadas.

3.8 Bases de diseño Las bases de diseño contienen la información necesaria para comenzar el diseño de la plataforma. Una vez que son revisadas y autorizadas por PEP, son proporcionadas a las firmas de ingeniería, prestadoras de servicio y/o contratistas para desarrollar la ingeniería de detalle. Este documento contiene los datos específicos para el diseño de una plataforma en particular, las bases de diseño estructural para una plataforma fija deben contener la siguiente información: Antecedentes

Definición de las necesidades de los planes de desarrollo de PEP, justificando así las instalaciones requeridas para cubrir sus demandas. Alcances

Definición de parámetros y limitaciones a que son aplicables las bases de diseño. Objetivos

Definición del impacto de las bases de diseño en el desarrollo de la ingeniería, con el fin de satisfacer adecuadamente las necesidades del cliente o usuario final de las instalaciones. Criterios de diseño

Se establecen mediante el seguimiento de normas y especificaciones a las que deberá apegarse el diseño. Asimismo, se establecen prácticas recomendadas, códigos de diseño, hojas de datos, catálogos, etc., que también son aplicables al diseño. Datos generales para el diseño de la plataforma

Descripción general, localización y orientación. Datos específicos para el diseño de la cimentación

Pilotes, pendientes, profundidad de penetración y elevación del punto de trabajo.

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3. Análisis y diseño de plataformas fijas

Datos específicos para el diseño de la subestructura

Piernas, niveles de arriostramientos, espacio anular pierna-pilote y placas espaciadoras, conexión subestructura-pilote, zona de mareas y oleajes, tolerancia por corrosión y accesorios. Datos específicos para el diseño de la superestructura

Columnas, niveles de las cubiertas, sistemas de piso, accesorios, características y localización de equipos. Parámetros meteorológicos y oceanográficos

Parámetros asociados con la altura de ola de tormenta, con la altura de ola de operación, a condiciones de transportación, a condiciones de estabilidad durante la instalación, a condiciones de fatiga y parámetros hidrodinámicos adicionales. Parámetros sísmicos

Espectro de diseño sísmico. Parámetros geotécnicos

Tirante de agua, estratigrafía del suelo, propiedades del suelo y curvas de capacidad de carga. Cargas

Cargas muertas, cargas vivas y cargas ambientales. Condiciones y combinaciones de cargas

Fabricación, carga a la barcaza, transportación, instalación y operación. Análisis estructurales

Análisis para condiciones de pre-servicio y servicio. Materiales

API, ASTM, etc. Requerimientos de protección contra la corrosión

Zona sumergida, zona atmosférica, zona de mareas y oleajes. Requerimientos adicionales

Estructuras adicionales.

3.9 Cargas La estimación precisa de las cargas que pueden aplicarse a una plataforma durante sus diversas etapas, es quizá la tarea más importante y difícil que debe enfrentar un diseñador. No debe despreciarse la consideración de cualquier carga que pueda llegar a presentarse con cierta probabilidad razonable. Después de que se han estimado las cargas es necesario investigar las condiciones y combinaciones de cargas más desfavorables que pueden llegar

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Comparación de los métodos WSD y LRFD para el diseño de plataformas marinas fijas

a ocurrir en cierto momento. Las cargas de diseño que deben considerarse son las siguientes: 3.9.1 Cargas gravitacionales

Las cargas gravitaciones dependen principalmente de la configuración estructural y de los servicios que ofrecerá la plataforma, las cargas más representativas son las siguientes: Cargas muertas. Las cargas muertas sobre una plataforma incluyen el peso propio de

la plataforma (superestructura, subestructura y cimentación), equipos, módulos, instalaciones y accesorios. Aunque resulta relativamente sencillo determinar la intensidad de estas cargas sobre cualquier estructura, en el caso de las plataformas la idealización de cada una de las cargas actuantes resulta un tanto difícil debido a los complejos equipos e instalaciones que se manejan, por lo tanto se recurre a definir intensidades de carga de acuerdo a las funciones de la plataforma. Las cargas vivas incluyen el peso del personal, materiales, combustibles, fluidos en tanques y tuberías, así como operaciones de izaje, maquinaria, amarre de embarcaciones y descenso de helicópteros. La determinación de estas cargas al igual que las cargas muertas requiere de estudios específicos, para determinar su intensidad de acuerdo a las funciones de cada plataforma. Cargas

Vivas.

Debido a que las plataformas se encuentran operando en el ambiente marino, dentro de las cargas gravitacionales se considera también el crecimiento marino, ya que este produce un incremento de masa, que se refleja en un aumento de la geometría de los miembros, lo que ocasiona un aumento tanto en las cargas verticales como laterales. Adicionalmente se toman en cuenta las fuerzas hidrostáticas y de flotación actuando sobre la plataforma, las cuales a mayor profundidad resultan de mayor consideración. 3.9.2 Cargas ambientales

Las cargas ambientales son generadas por fenómenos naturales, éstas dependen de las condiciones meteorológicas y oceanográficas de cada región, para el caso de las plataformas fijas instaladas en las Regiones Marinas donde las estructuras son relativamente pequeñas o son instaladas en aguas someras, las cargas generadas se consideraran como fuerzas estáticas actuando sobre la estructura. Las cargas ambientales más representativas para el Golfo de México son las siguientes: Viento: Las cargas por viento sobre una plataforma generalmente representan menos del 10 % de las cargas ambientales, los mayores efectos se dan en la superestructura debido al área de exposición que presenta frente a este fenómeno. Tales cargas están en función de la velocidad del viento y toman ciertas consideraciones en lo que respecta a la posición de los objetos sobre la superestructura, la oblicuidad entre la dirección del viento y el plano de superficie, así como el área de exposición y la rugosidad de la superficie. Las fuerzas de viento ejercidas sobre la estructura son expresadas como: F=

w 2 V Cs A 2g

(3.1)

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3. Análisis y diseño de plataformas fijas

donde: F = Fuerza de viento. w = Peso específico del aire. g = Aceleración de la gravedad. V = Velocidad de viento. C s = Coeficiente de forma. A = Área del objeto.

En la expresión anterior, son considerados los efectos aerodinámicos por medio del coeficiente de forma. Este coeficiente depende de la forma del objeto a considerar, los valores de Cs pueden encontrarse en la Sección 2.3.2e de la API RP 2A-WSD. Oleaje: Las cargas provocadas por el oleaje del mar, son las cargas más significativas sobre una plataforma. Las olas son irregulares en su forma, varían en altura y longitud, y pueden acercarse de una o más direcciones simultáneamente. Las fuerzas horizontales ejercidas por el oleaje sobre una estructura están en función de la fuerza de arrastre y la energía cinética del agua, así como la fuerza inercial relacionada con la aceleración de las partículas de agua. Para obtener la fuerza total sobre un elemento, la presión del agua es multiplicada por el volumen o el área proyectada del miembro estructural perpendicular a la dirección de avance del oleaje. Esta fuerza por unidad de longitud sobre un miembro es calculada usando la ecuación de Morison, esta ecuación representa la fuerza de arrastre e inercia sobre un tubo cilíndrico; la expresión es la siguiente: F = FD + FI = C d

w w δU AU U + Cm V 2g g δt

(3.2)

donde: F = Fuerza de oleaje. FD = Fuerza de arrastre. FI = Fuerza de inecia. C d = Coeficiente de arrastre. w = Peso especifico del agua. g = Aceleración de la gravedad. A = Área projectada. V = Volumen desplazado. D = Diámetro del cílindro (incluyendo el crecimiento marino). U = Velocidad horizontal de la partícula de agua. U = Valor absoluto de U . C m = Coeficiente de inercia.

δU = Aceleración horizontal de la partícula de agua. δt

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Comparación de los métodos WSD y LRFD para el diseño de plataformas marinas fijas

Los valores de Cm y Cd son determinados a través del modelado y experimentación que dependen del diámetro del miembro, crecimiento marino, así como del tipo de teoría de oleaje usada para determinar la velocidad y aceleración de las partículas de agua, estos parámetros están en función de la altura de ola, su periodo asociado y la profundidad del fondo marino. Los valores de Cm y Cd pueden encontrarse en la Sección 2.3.1b de la API RP 2A-WSD. Marea: Las cargas generadas por la marea son de consideración importante en el diseño

de la plataforma. Las mareas pueden clasificarse como: marea astronómica, marea por viento y marea por presiones diferenciales. Las dos últimas son combinadas frecuentemente y ésta es llamada marea de oleaje; la sumatoria de las tres mareas es llamada marea de tormenta. En el diseño de la plataforma, las variaciones de elevación de la marea de tormenta son necesarias para fijar la elevación de los atracaderos, el tratamiento de los miembros del jacket en la zona de mareas y oleajes, así como los niveles de crecimiento marino. Corriente: La presencia de la corriente en el agua produce diversos efectos, el más

importante es referido a la fuerza de arrastre que depende de la velocidad horizontal de las partículas de agua, puesto que la velocidad de corriente decrece lentamente con la profundidad, una corriente relativamente pequeña puede incrementar la fuerza de arrastre significativamente. Por lo tanto, la velocidad de corriente se adiciona vectorialmente a la velocidad horizontal de las partículas de agua para calcular la fuerza de arrastre. También la corriente produce efectos sobre la celeridad del oleaje y las fuerzas de difracción, sin embargo estos efectos son muy pequeños y pueden despreciarse. La velocidad de corriente afecta la localización y orientación de los atracaderos y defensas, así como las fuerzas ejercidas sobre los miembros del jacket. Las corrientes usadas en el diseño de la plataforma son la corriente por marea (asociada a la marea astronómica), corriente circulatoria y la corriente generada por tormenta. La suma vectorial de tales corrientes es la corriente total y es la que se usa en el diseño de la plataforma. Sismo: Las cargas sísmicas también son una carga ambiental, pero debido a su

naturaleza transitoria y la relativa complejidad de su determinación, éstas se consideran como una categoría aparte de carga. Este fenómeno natural puede presentarse con repercusiones en el comportamiento estructural de la plataforma, por lo cual se tiene que considerar la respuesta de la estructura ante este acontecimiento. Los efectos de un sismo sobre una plataforma dependen de una interacción compleja entre el movimiento sísmico, las condiciones geofísicas y geológicas del sitio, así como la configuración de la estructura. 3.9.3 Cargas Accidentales

Las plataformas marinas pueden estar sujetas a diversas cargas accidentales tales como colisiones de botes y embarcaciones, impactos provocados por la caída de objetos, explosiones o fuego. Para minimizar los efectos de estas cargas se considera en el diseño de la estructura un adecuado arreglo de equipos e instalaciones. Colisiones. El área circundante o el perímetro del jacket en la zona de mareas, se ve

afectado por colisiones de botes o embarcaciones afectando potencialmente miembros,

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3. Análisis y diseño de plataformas fijas

ductos ascendentes y conductores externos, el uso de defensas y atracaderos tienden a minimizar tales efectos. Impactos. Algunas áreas sobre las cubiertas, como aquellas cercanas a la torre de

perforación y las grúas, son más susceptibles a sufrir daños por impactos provocados por la caída de objetos, el adecuado arreglo de equipos e instalaciones bajo estas áreas reducirá en lo posible los daños debido a estos incidentes. Explosiones. Las plataformas cuentan con áreas específicas donde es posible que se presenten explosiones o incendios, por lo que resulta necesario proteger los miembros estructurales principales mediante muros o paneles contra explosiones y/o incendio, según la probabilidad de ocurrencia de cada acontecimiento. 3.9.4 Cargas de construcción

Los componentes estructurales de una plataforma se ven sometidos a diferentes cargas en las etapas de fabricación, carga a la barcaza, transportación e instalación, las cuales deben ser consideradas en los análisis estructurales en condiciones de pre-servicio. Durante la etapa de fabricación se generan cargas debido a las operaciones de montaje de las estructuras, las cuales se disponen en diferentes posiciones para poder efectuar su ensamble. En la etapa de carga a la barcaza, las estructuras se encuentran sujetas a cargas inducidas por los movimientos y las condiciones de apoyo entre el patio de fabricación y la barcaza. Posteriormente en la etapa de transportación, las estructuras sufren esfuerzos de magnitudes considerables debido a los movimientos de la barcaza que son generados por los factores ambientales que se encuentran en la ruta de transportación. Y finalmente en la etapa de instalación las estructuras se ven sometidas a cargas producto de las diferentes maniobras y condiciones ambientales en el sitio de instalación. 3.9.5 Condiciones y combinaciones de cargas

Las cargas que pertenecen a una misma clase (por el tipo y por la dirección) se agrupan para facilitar su combinación, estos grupos son llamados condiciones de cargas, a su vez las condiciones de cargas se agrupan para formar las combinaciones de cargas, y así considerar la posibilidad de que se presenten cierto número de condiciones en cierto momento durante las diferentes etapas de una plataforma. Las combinaciones de cargas son las condiciones más críticas y se utilizan para diseñar los componentes estructurales de la plataforma. Las combinaciones de cargas usadas generalmente son para condiciones ambientales normales (operación) y extremas (tormenta). En cada condición se consideran combinaciones de cargas gravitacionales y ambientales que pueden esperarse en cierto momento. Las cargas muertas y vivas, así como las cargas generadas por el viento, oleaje corriente y sismo son consideradas actuando en cierto número de direcciones. Las cargas ambientales para ambas condiciones son simuladas considerando diferentes periodos de retorno de acuerdo al sitio de interés.

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Comparación de los métodos WSD y LRFD para el diseño de plataformas marinas fijas

3.10

Análisis estructurales

Las plataformas fijas tienen un ciclo de vida proyectado en la que cumplen con un número de etapas definidas, en cada etapa los diferentes componentes de la plataforma se encuentran sometidos a esfuerzos que deben determinarse en los análisis estructurales. Actualmente, la ingeniería es desarrollada por medio de programas de computadora especializados en el análisis y diseño de plataformas marinas, incorporando sus características de forma muy completa, lo que permite predecir con mejor aproximación el comportamiento real de los sistemas analizados. El análisis y diseño estructural se inicia con la generación de un modelo numérico de los componentes principales de la plataforma (superestructura, subestructura, cimentación y suelo de soporte) simulando a la estructura bajo diversas condiciones y combinaciones de cargas que se presentan durante las diferentes etapas de la plataforma (condiciones de pre-servicio y servicio). Bases de diseño estructural

Modelo para análisis y diseño estructural Estructuración

Cargas Ambientales

Gravitacionales

- Viento

- Cargas muertas

- Oleaje

- Cargas vivas

Predimensionamiento

Condiciones y combinaciones de cargas

- Corriente

Interacción suelo-estructura

- Sismo

Análisis estructurales Para condiciones de servicio

Diseño estructural

Para condiciones de pre-servicio

- Operación

- Fabricación

- Tormenta

- Carga a la barcaza

Revisión de relaciones de interacción

- Sismo

- Transportación

- Miembros

- Fatiga

- Lanzamiento y flotación

- Juntas

- Posicionamiento vertical

- Pilotes

- Estabilidad - Izaje

Figura 3.6 Proceso de análisis y diseño estructural

Los análisis estructurales para condiciones de pre-servicio son requeridos con el objetivo de determinar el adecuado funcionamiento de los diferentes componentes estructurales de la plataforma y preservar su integridad ante los esfuerzos generados durante la fabricación, carga a la barcaza, transportación, e instalación. Los métodos y procedimientos en cada etapa de la plataforma son considerados en los análisis con el objetivo de identificar las dificultades y limitaciones potenciales para el equipo e instalaciones disponibles. Los análisis estructurales para condiciones de servicio son realizados para garantizar que la plataforma tenga un adecuado comportamiento estructural durante su vida de servicio, en estos análisis son consideradas las posibles combinaciones de cargas

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3. Análisis y diseño de plataformas fijas

gravitacionales y ambientales que pueden llegar a presentarse. Los análisis requeridos en esta etapa son los análisis preliminares, y son los que definen un 90% de la ingeniería de detalle. Todos los análisis estructurales se realizan simulando con la mayor precisión la respuesta estructural de la plataforma o de sus componentes, seleccionando el tipo de análisis correspondiente y el método de diseño con las debidas consideraciones. El diseño de una plataforma fija generalmente puede basarse en análisis estáticos usando un modelo lineal de la estructura acoplado con un modelo no-lineal de la interacción suelo-pilote en el caso de los análisis para condiciones de servicio. En el caso de los análisis para condiciones de pre-servicio es común que se tenga la presencia de respuestas dinámicas y no-lineales significativas para determinadas combinaciones de cargas, por lo que tienen que ser consideradas. Las diferentes etapas de una plataforma fija y sus respectivos análisis se describen a continuación: 3.10.1

Fabricación

La fabricación de los diversos componentes estructurales de una plataforma es realizada en patios, los cuales cuentan con la capacidad e instalaciones adecuadas para realizar el montaje de las estructuras dependiendo de la magnitud de las mismas. La fabricación comienza con el rolado y moldeado de las placas para producir las secciones de grandes dimensiones, posteriormente se efectúa el corte de todas las secciones a las dimensiones requeridas para realizar su ensamble. Las armaduras, marcos y sistemas de piso son fabricados sobre la superficie del terreno, de manera que después sean girados o izados por medio de grúas a su posición definitiva. La subestructura y superestructura son construidas sobre vigas de deslizamiento que se encuentran firmemente cimentadas al terreno, de tal forma que soporten satisfactoriamente el peso final de las estructuras y permitan realizar las maniobras para la carga a la barcaza.

Figura 3.7 Fabricación

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Comparación de los métodos WSD y LRFD para el diseño de plataformas marinas fijas

Durante esta etapa, las estructuras de gran longitud o esbeltez son evaluadas para determinar si es requerido un análisis de fabricación, ya que las estructuras se encuentran sometidas a esfuerzos y a condiciones de inestabilidad producto de las diferentes posiciones y maniobras requeridas para su ensamble, lo cual determina la necesidad de apoyos o reforzamientos temporales. Para minimizar los efectos de carga sobre las estructuras, el fabricante considera una secuencia para mantener una plenitud en la fabricación. Este análisis queda fuera del alcance del diseñador, pero si es requerido, el fabricante proporciona al diseñador toda la información necesaria para su realización. 3.10.2

Carga a la barcaza

Es el término usado para describir la transferencia de los componentes de la plataforma del patio de fabricación hacia la barcaza. Existen varias modalidades para llevar a cabo dicha transferencia, entre las que destacamos las siguientes. El método más utilizado en nuestro país consiste en deslizar o arrastrar la estructura hasta la barcaza, por medio de aditamentos adicionales llamados cuna de deslizamiento y placas para arrastre en el caso específico del jacket; y marco de arrastre para el caso de la superestructura y los módulos. Un segundo método consiste en izar la estructura y hacerla descender sobre la barcaza, para cumplir con este objetivo se instalan en las estructuras accesorios denominados orejas de izaje, en las cuales se sujetan los cables de acero que soportan a los componentes durante las maniobras, tal operación es posible cuando las dimensiones y el peso de cada componente de la plataforma lo permiten, así como la existencia del equipo necesario para realizar el izaje en el patio de fabricación.

Figura 3.8 Carga a la barcaza

En esta etapa es requerido un análisis de carga a la barcaza con el objetivo de identificar las posiciones más críticas que pueden llegar a presentarse durante las maniobras

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3. Análisis y diseño de plataformas fijas

de arrastre, debido a las condiciones de apoyo entre el patio de fabricación y la barcaza. Los componentes de la plataforma y las estructuras adicionales deben tener un adecuado comportamiento tanto en miembros como en juntas, de manera que tengan la resistencia para soportar los esfuerzos generados por las deflexiones producto de los movimientos y cambios de elevación de la barcaza. 3.10.3

Transportación

La barcaza es la encargada de soportar a los diferentes componentes de la plataforma durante el viaje al sitio de instalación, en el trayecto las estructuras están fijadas a ella por medio de accesorios llamados seguros marinos, los cuales son instalados inmediatamente después de finalizar la carga a la barcaza y son retirados posteriormente para comenzar la instalación de la plataforma. La barcaza cuenta con las dimensiones adecuadas para el transporte de los diversos componentes de la plataforma, de forma tal que permitan asegurar su estabilidad durante el viaje. También cuenta con equipos tales como vigas de deslizamiento, balancín (vigas de pivote), sistema de control de lastre y malacates para asistir el deslizamiento de la subestructura hacia el mar.

Figura 3.9 Transportación

Durante la transportación, las estructuras están sometidas a aceleraciones lineales y angulares que pueden causar una sobrecarga en miembros y juntas. Por tales causas, es necesario realizar un análisis de transportación considerando los efectos mencionados, con el fin de determinar que las dimensiones y la resistencia de la barcaza sean adecuadas para asegurar la estabilidad de las estructuras. La integridad de las estructuras también dependerá de las dimensiones de los seguros marinos, los cuales son diseñados para resistir los esfuerzos estáticos y dinámicos durante la transportación; además, estos accesorios deben ser fáciles de remover en el sitio de instalación.

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Comparación de los métodos WSD y LRFD para el diseño de plataformas marinas fijas

3.10.4

Instalación

Una vez que la barcaza ha llegado al sitio de instalación, se retiran los seguros marinos y se inicia la instalación de la plataforma con el lanzamiento de la subestructura, esta maniobra consiste en inundar la popa de la barcaza hasta alcanzar un ángulo de lanzamiento, una vez hecho lo anterior se comienza el arrastre del jacket dispuesto sobre las vigas de deslizamiento por medio de malacates hasta que la estructura inicia su movimiento hacia el agua. Mientras la subestructura se desliza sobre las vigas, el ángulo de lanzamiento aumenta hasta que el centro de gravedad del jacket pasa por el balancín, en este punto la subestructura rota y prosigue su trayectoria a mayor velocidad. Al término del lanzamiento, el jacket se encuentra flotando sobre la superficie del mar, la flotación se logra colocando tapas de sello en las piernas y cuando se requiere flotación adicional se instalan tanques de flotación.

Figura 3.10 Instalación (lanzamiento y flotación)

De acuerdo a lo anterior, es requerido un análisis de lanzamiento y flotación con el propósito de determinar la trayectoria de lanzamiento, la máxima profundidad que alcanzará la subestructura y la estabilidad después de su separación de la barcaza. Durante el lanzamiento, el peso total del jacket es soportado por las dos piernas que se encuentran sobre la cuna de deslizamiento, el momento en el que el balancín tiene un ángulo de inclinación, el peso de la subestructura se concentra en un segmento corto de cada pierna, los esfuerzos generados en los miembros y juntas cercanos a este punto generalmente demanda el uso de secciones de refuerzo. Dentro de este análisis se asegura que después del lanzamiento la estructura flotará y será estable, de manera que resista las fuerzas hidrostáticas y las rotaciones al entrar al agua. Una vez que la subestructura se encuentra flotando en la superficie del mar, se prosigue a realizar su posicionamiento vertical, el cual se lleva a cabo por medio de un barco-grúa; para realizar esta operación se instalan accesorios en el jacket llamados orejas de posicionamiento vertical, las cuales permiten que el barco-grúa sujete a la estructura por

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3. Análisis y diseño de plataformas fijas

medio de cables dispuestos en la mesa de estrobos para girar el jacket a su posición vertical, al mismo tiempo se van inundando las piernas de forma controlada por medio de un sistema de inundación hasta lograr el posicionamiento del jacket en la localización y orientación prevista.

Figura 3.11 Instalación (posicionamiento vertical)

La ejecución de esta maniobra requiere realizar un análisis de posicionamiento vertical con el fin de determinar la capacidad del barco-grúa a utilizar, los esfuerzos a los que estarán sometidos los elementos de izaje (cables, grilletes y orejas de posicionamiento vertical), así como los elementos circundantes. En este análisis también se verifica que los arriostramientos de gran longitud tengan un adecuado comportamiento estructural frente a las rotaciones provocadas al girar la estructura, así como problemas de colapso hidrostático y pandeo local. Posteriormente, se hace descender la subestructura para apoyarla en el suelo marino, la inestabilidad de éste en la superficie y los efectos generados por el oleaje y corriente hacen necesario instalar placas de apoyo en la base del jacket para estabilizar la estructura y garantizar su integridad durante la instalación de los pilotes, los cuales darán el soporte definitivo. La instalación de los pilotes es el último paso para finalizar la instalación de la subestructura, el proceso comienza con la instalación de los pilotes interiores para permitir la correcta nivelación del jacket, cada pilote es instalado por tramos usando un martillo que se encarga de golpear cada pilote hasta alcanzar la profundidad de penetración proyectada, finalizada la instalación de los pilotes y la subestructura nivelada, se procede a soldar el jacket a los pilotes y prepararlos para recibir a la superestructura.

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Comparación de los métodos WSD y LRFD para el diseño de plataformas marinas fijas

Figura 3.12 Instalación (estabilidad)

El adecuado comportamiento de la subestructura bajo las condiciones mencionadas arriba es determinado mediante un análisis de estabilidad, en el que se diseñan las placas base, las cuales deben resistir el peso de la estructura, las fuerzas generadas por el oleaje y corriente, así como los efectos que se producen por los golpes que da el martillo al instalar los pilotes. La instalación de la superestructura se realiza izándola con el barco-grúa desde la barcaza y posicionándola sobre los pilotes que sobresalen de las piernas del jacket, ambos elementos son conectados mediante soldadura de penetración completa.

Figura 3.13 Instalación (izaje)

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3. Análisis y diseño de plataformas fijas

Esta maniobra requiere de un análisis de izaje con la finalidad de determinar la capacidad del barco-grúa a utilizarse, así como la longitud y diámetro de los cables de acero, los cables y las orejas de izaje son diseñados para resistir las tensiones provocadas por el peso de la estructura. 3.10.5

Operación

Una vez que la plataforma ha sido instalada en su sitio, comienza a desarrollar o cumplir con la función para la cual fue planeada. Durante su vida útil se verá sometida al efecto de fenómenos naturales tales como el viento, oleaje, corriente y sismo, así como efectos producto de su operación. Durante esta etapa, la plataforma en algún momento de su vida de servicio, se verá sometida a severas combinaciones de los eventos mencionados. Estas combinaciones son las de mayor impacto en la estructura y son modeladas de acuerdo a su probabilidad de ocurrencia. El viento, oleaje y corriente; son fenómenos de carácter permanente sobre la estructura, con la probabilidad de que presenten en condiciones extremas. El sismo es un fenómeno de carácter transitorio en la vida de la plataforma, pero de consecuencias considerables en su periodo de vida; y finalmente, el oleaje además de ser la carga de mayor magnitud a nivel global, a nivel local representa consecuencias de falla a largo plazo.

Figura 3.14 Operación

Con el fin de considerar cada una de las situaciones mencionadas arriba, se requieren de tres análisis estructurales, en los cuales se verifica la adecuada respuesta estructural frente a tales situaciones. Los análisis requeridos para satisfacer esta etapa son los siguientes: El análisis para condiciones de operación y tormenta considera a la plataforma operando bajo cargas gravitacionales y ambientales, así como una combinación de estas condiciones de forma que tengan una probabilidad de ocurrencia adecuada. Las combinaciones de cargas más desfavorables en cada miembro, junta y componente de la

51

Comparación de los métodos WSD y LRFD para el diseño de plataformas marinas fijas

cimentación son simuladas mediante un análisis estático de la plataforma, cada componente estructural es analizado considerando las cargas ambientales emanando de ocho direcciones, definidas por ángulos de 45°. También se considera la interacción no lineal suelo-pilote usando las curvas P-y, T-z y Q-z. El objetivo de un análisis “in situ” es verificar el adecuado funcionamiento de cada componente estructural bajo las condiciones a que estará sometida durante la mayor parte de su vida útil. El análisis sísmico comprende dos niveles de análisis: a nivel de resistencia y a nivel de ductilidad. El análisis a nivel de resistencia es requerido para garantizar que la plataforma posee niveles de resistencia y rigidez adecuados, para evitar un daño estructural significativo ante la presencia de un sismo que tiene una probabilidad razonable de no ser excedido durante la vida útil de la plataforma. El análisis a nivel de ductilidad es requerido para garantizar que la plataforma posee la reserva de capacidad suficiente para evitar su colapso ante la presencia de un sismo excepcional e intenso. El análisis por fatiga es requerido para determinar la probabilidad de deterioro de juntas durante la vida útil de la plataforma, debido a que éstas quedan sometidas a esfuerzos generados por la secuencia permanente de ciclos de carga y descarga producto del oleaje del mar, provocando fallas por fatiga que se manifiestan por la aparición de grietas después de miles de ciclos. 3.10.6

Reuso

Cuando una plataforma ha cumplido con su etapa de operación o con su vida útil dentro de un campo de explotación, existe la probabilidad de removerla y colocarla en un nuevo sitio para continuar su uso. Cuando lo anterior es considerado, la plataforma es inspeccionada para asegurar que ésta se encuentra en condiciones aceptables. Adicionalmente, la plataforma es reevaluada y reanalizada para su uso, anticipando las condiciones ambientales del nuevo lugar. En general, la inspección, evaluación y cualquier reparación o modificación requerida sigue los procedimientos y consideraciones para el diseño de plataformas nuevas, además de las consideraciones especiales respecto al reuso de plataformas.

3.11

Diseño estructural

En la mayoría de los casos, el diseño de una plataforma nueva estará basado en el diseño previo de una plataforma con condiciones ambientales y tirante de agua similar. En este contexto, la mayoría de las dimensiones de los miembros estarán definidas e incluso un modelo en computadora puede estar disponible. Si el diseño de una plataforma previa para apoyarse no está disponible, entonces se recurre a conjeturar o pre-diseñar la configuración y las dimensiones iniciales de los miembros de la plataforma basados en experiencias previas. La selección de las dimensiones de los miembros no es un proceso único y puede variar de un diseñador a otro. El diseño preliminar de miembros comienza generalmente con la selección de las dimensiones de los pilotes. Los pilotes son colocados dentro de las piernas del jacket y las columnas de la superestructura son conectadas a los pilotes. De esta manera, seleccionando

52

3. Análisis y diseño de plataformas fijas

el diámetro de los pilotes, queda definido el diámetro de las piernas del jacket que es seleccionado tomando en cuenta que se debe permitir la conducción y el alojamiento de los pilotes. El diámetro de las columnas de la superestructura será generalmente igual al diámetro de los pilotes. Una vez que son conocidos los diámetros de los elementos mencionados, los miembros menores tales como trabes en las cubiertas y arriostramientos en el jacket pueden ser determinados. La revisión de la resistencia de cada miembro estructural, puede hacerse por dos métodos de diseño aplicables al diseño estructural en acero, el diseño por esfuerzos de trabajo (WSD) y el diseño por factores de carga y resistencia (LRFD) son dos métodos aprobados por el AISC y por el API para el diseño de elementos estructurales. 3.11.1

Cimentación

La selección de las dimensiones iniciales de los pilotes requiere un conocimiento aproximado de las cargas axiales y cortantes más críticas actuantes. En general, la carga axial más alta actuando sobre los pilotes se espera actué en uno de los pilotes de esquina bajo condiciones ambientales extremas en dirección diagonal a lo largo de la base de la plataforma. Diámetro.

Para seleccionar el diámetro del pilote, debe considerarse el efecto que tendrá sobre otros componentes estructurales tales como las piernas de la subestructura y las columnas de la superestructura. Para una plataforma fija tipo “jacket”, una vez que se conozca el diámetro del pilote, las piernas de la subestructura se proporcionan permitiendo la instalación de aquellos, mientras que las columnas de la superestructura serán iguales o menores que este diámetro. Los diámetros de los pilotes deben conservar los valores mínimos fijados por la resistencia del suelo, la capacidad del equipo de hincado y las cargas impuestas sobre el pilote. Profundidad de penetración. La profundidad de penetración del pilote es calculada usando la carga axial crítica actuante. La capacidad axial de los pilotes en tensión y compresión, características carga-deformación de pilotes cargados axial y lateralmente, así como las características de hincado de pilotes son proporcionados en la información geotécnica. La profundidad de penetración debe ser razonable para poder alcanzarla con los equipos de hincado existentes. Los diámetros de uso común en el Golfo de México van de 91.44 a 182.88 cm. Espesor. El espesor del pilote es seleccionado con el objetivo de que éste resista las

cargas axiales y momentos flexionantes máximos. Los momentos en el pilote y a lo largo de su longitud son calculados usando el procedimiento de análisis elástico para pilotes cargados lateralmente. 3.11.2 Superestructura Columnas. El diseño de las cubiertas comienza con la estimación de las cargas sobre

cada cubierta, todas las cargas son estimadas en la fase de diseño básico y son las que se utilizan en la selección de las dimensiones de los miembros de la superestructura. El diámetro de las columnas se toma generalmente igual al diámetro de los pilotes, aunque en

53

Comparación de los métodos WSD y LRFD para el diseño de plataformas marinas fijas

diversas ocasiones se emplean reducciones al diámetro para proporcionar secciones optimizadas. El radio de giro de las columnas puede calcularse aproximadamente con la expresión 0.35D para tubos de pared delgada y dependiendo de las condiciones de apoyo de la columna, se puede asumir un factor de longitud efectiva (K). 3.11.3 Subestructura Piernas. Para el caso donde los pilotes se encuentran localizados en el interior de las

piernas de la subestructura, éstas deben permitir el acomodo y las operaciones de hincado de los pilotes. La selección del diámetro de las piernas debe considerar las guías o placas espaciadoras dentro del pilote, comúnmente estas placas son de 1.27 cm de espesor. El espesor de la pierna es seleccionado para resistir los esfuerzos axiales y flexionantes, así como las deformaciones ejercidas por la intersección de miembros (juntas tubulares). Los espesores comunes para las piernas de la subestructura son de 1.27 a 6.35 cm, espesores menores a 1.27 cm pueden resultar en problemas de corrosión, y espesores mayores a 6.35 cm son difíciles de manufacturar. Es común considerar un incremento de 6.35 mm en los espesores de las piernas y los arriostramientos en la zona de mareas y oleajes para protección adicional contra la corrosión, ya que en está zona se ve acentuado este fenómeno. Arriostramientos. La selección del diámetro de un arriostramiento debe tener una

relación de esbeltez (KL/r) en un rango de 70 a 80. La limitación de la relación de esbeltez en un rango de 70 a 80 es una práctica adoptada y aceptada por los diseñadores, la cual es el producto final dependiendo del esfuerzo de fluencia del acero y la relación de esbeltez del elemento. Con valores de KL/r > 80, un valor de Fy alto es menos eficiente que un valor menor. Por otro lado, sí el diámetro de un arriostramiento aumenta, las cargas de oleaje también, las cuales alternadamente dan lugar a una estructura más pesada. Relaciones de esbeltez más bajas también conducen a relaciones D/t más altas para los tubos, lo cual puede originar problemas de pandeo local. Asimismo se conservará una relación D/t de miembros entre 20 y 90. Una relación D/t menor a 20, resulta en tubos difíciles de comprar o fabricar. Un tubo con una relación D/t de 30 proporciona flotación adecuada (el límite para que un tubo flote es una relación D/t = 32). Para acero A36, una relación D/t mayor a 90 puede presentar problemas de pandeo local. Para diámetros de hasta 45.72 cm, se comenzará usando espesores de tubos estándar. Para diámetros mayores a 45.72 cm y hasta 68.58 cm, se comenzará con 1.27 cm, y para tubos de 71.12 hasta 91.44 cm, se comenzará con 1.59 cm. Entre los arriostramientos y las piernas será necesario revisar posibles esfuerzos de cortante de penetración. En algunos casos, estos esfuerzos pueden controlar el diseño, resultando así un incremento en el diámetro o el espesor de los arriostramientos, acompañado del uso de acero especial (canutos). Para tirantes de agua “h” (en pies), es necesario revisar problemas de colapso hidrostático cuando D/t exceda 250/h1/3. 54

4

Diseño de plataforma fija tipo “jacket” por el método WSD

4.1 Descripción del proyecto 4.1.1 Descripción general de la plataforma

La estructura objetivo de estudio será una plataforma octápoda tipo “jacket”, ubicada en el campo Ku de la Sonda de Campeche. La plataforma tiene la capacidad para realizar operaciones de perforación y producción. El proyecto está basado en la integración de tres componentes estructurales principales. La superestructura conformada por dos cubiertas, de las cuales la cubierta superior alojará el equipo de perforación, y la cubierta inferior el equipo de producción; la subestructura modulada por ocho piernas y la cimentación a base de pilotes de punta abierta. Los tres componentes de la plataforma serán a base de acero estructural. Las Figuras 4.1 y 4.2 muestran la distribución de equipos en la cubierta superior e inferior respectivamente. 1 4.572

3

2 12.192

12.192

4 12.192

4.572

6.600

Paquete de lodos

Paquete de bombas

Paquete de máquinas

4.572

B Torre de perforación

29.460 Tubería en patio

22.860

Paquete habitacional y helipuerto

13.716

Tubería vertical y en gancho

A Paquete de líquidos

Paquete de Almacenamiento

45.720

Figura 4.1 Cubierta superior (equipo de perforación)

4.572

4. Diseño de plataforma fija tipo “jacket” por el método WSD

1 10.000

3

2 12.192

4

12.192

12.192

10.000 FB-1605 FB-1604

FB-1602 GA-1604/R

HR-1101

GA-1351

GA-1351/R GA-1605/R

SC-1101 FB-1352

10.000

FB-1351

TE-1100 GA-1250/R BT-1051

B FB-1250

Caseta UPR

EA-1500/R

FG-1451 FG-1321 FG-1301

Cuarto de baterías

33.716

FG-1351 PA-1954

GA-1301/R

13.716

GA-1001/A

FA-1101

Muro contra incendio

TC-100

GA-1001/B

TI-100

A

GA-1302 FG-1302 GA-1303/R GA-1306/R

FG-1306

PA-1650 HR-1102

FA-1100

10.000 PA-1801

GA-1251/R

GA-1252/R SC-1100

TE-1100 FB-1251

FB-1252

56.576

Figura 4.2 Cubierta inferior (equipo de producción)

4.2 Criterios de diseño El análisis y diseño estructural de la plataforma, se regirán por la Práctica Recomendada para Planeación, Diseño y Construcción de Plataformas Fijas Costa Afuera – Diseño por Esfuerzos de Trabajo (API RP 2A-WSD), “Instituto Americano del Petróleo”, 20ª edición; y adicionalmente se utilizará la norma Diseño y Evaluación de Plataformas Marinas Fijas en la Sonda de Campeche (NRF-003-PEMEX-2000), “Petróleos Mexicanos”, Rev.: 0. También se considerarán los requerimientos establecidos por las siguientes referencias: •

Manual de Construcción en Acero – Diseño por Esfuerzos Permisibles (IMCADEP), “Instituto Mexicano de la Construcción en Acero”, 3ª edición.

•

Manual de Construcción en Acero – Diseño por Esfuerzos Permisibles (AISCASD), “Instituto Americano de la Construcción en Acero”, 9ª edición.

El diseño de la plataforma inicia con el análisis para condiciones de operación y tormenta. Cabe señalar que este análisis define casi un 90% de la ingeniería de la plataforma, el diseño completo de la estructura requiere la realización de todos los análisis estructurales en condiciones de pre-servicio y servicio.

56

4. Diseño de plataforma fija tipo “jacket” por el método WSD

4.3 Datos generales para el diseño de la plataforma 4.3.1 Categorización de la plataforma

La categorización de la plataforma, como ya se indicó anteriormente, estará en función de su producción manejada, considerando la importancia y las consecuencias de falla según lo establecido en el Capítulo 9 de la norma NRF-003-PEMEX-2000. 9.

CATEGORIZACIÓN DE PLATAFORMAS. 9.1 Generalidades. La categoría de las plataformas en la Sonda de Campeche se establece en función de su producción manejada. Para los fines de esta norma, se entiende como producción manejada el volumen de crudo o aceite que la plataforma produce, recibe y/o procesa, expresado en barriles por día (BPD). La categoría establecida en los términos anteriores para los diferentes tipos de plataformas se presenta en las Tablas 9.1 y 9.2. La Tabla 9.1 muestra la categorización de estructuras principales, es decir, aquellas estructuras que manejan directamente la producción (generalmente octápodos). La Tabla 9.2 muestra la correspondiente a las estructuras que complementan a las plataformas principales (generalmente trípodes). La categoría de una estructura de este segundo grupo está asociada a la categoría más alta de las plataformas principales con las cuales se interconecta. Información adicional sobre el proceso de categorización se encuentra en los comentarios a este capítulo. 9.2

Casos especiales. La categorización planteada en las Tablas 9.1 y 9.2 podrá ser modificada en casos especiales con base en un estudio de costo-beneficio que justifique otros niveles de riesgo distintos a los que se definen en la Tabla Com. 9.1 de la sección 14.2 de este documento. Este estudio debe ser congruente con las consideraciones empleadas en este documento y debe estar sujeto a la aprobación de Pemex Exploración y Producción. Para los casos en que una plataforma específica maneje gas o mezcla de aceite y gas, la producción manejada debe obtenerse estimando un volumen equivalente de aceite de acuerdo al precio vigente del gas en el mercado. El precio de aceite se tomará como el promedio de los crudos pesado y ligero. Factores adicionales a considerar en la realización de dicho estudio se presentan en los comentarios.

57

4. Diseño de plataforma fija tipo “jacket” por el método WSD

Tabla 9.1.

Categorización de las estructuras principales. VOLUMEN DE PRODUCCIÓN

CATEGORÍA DE EXPOSICIÓN (CONSECUENCIA DE FALLA)

SERVICIO

MANEJADO

EVALUACIÓN

Enlace

-

Muy alta Muy alta

Medición

-

Compresión

-

Alta

Habitacional

-

Moderada

Inyección Mixto

Perforación

Producción temporal

-

Alta

> 100,000 BPD

Muy alta

< 100,000 BPD

Alta

> 100,000 BPD

Muy alta

50,000 BPD - 100,000 BPD

Alta

< 50,000 BPD

Moderada

> 100,000 BPD

Muy alta

< 100,000 BPD

Alta

-

Muy alta

-

Muy alta

Producción permanente Rebombeo Recuperación de pozos

50,000 BPD - 100,000 BPD

Alta

< 50,000 BPD

Moderada

-

Moderada

Telecomunicación

Tabla 9.2.

Muy alta

Categorización de las estructuras de apoyo.

SERVICIO DE LA

VOLUMEN DE

ESTRUCTURA

PRODUCCIÓN

PRINCIPAL

MANEJADO

EVALUACIÓN

Compresión

-

Alta

> 100,000 BPD

Muy alta

< 100,000 BPD

Alta

-

Moderada

Producción temporal

DISEÑO

Telecomunicación

CATEGORÍA DE EXPOSICIÓN (CONSECUENCIA DE FALLA) DISEÑO

Muy alta

En general, cuándo se trata de estructuras nuevas (diseño), a todas las plataformas se les asigna una categoría de exposición de muy altas consecuencias. 4.3.2 Información del sitio

Habiendo definido la categorización de la plataforma, se determinará la información meteorológica y oceanográfica con apego al Capítulo 10 de la norma NRF-003-PEMEX2000. 10.

PARÁMETROS METEOROLÓGICOS Y OCEANOGRÁFICOS PARA DISEÑO. 10.1 Condiciones de tormenta. Los parámetros para diseño bajo condiciones de tormenta planteados en este documento se especifican para una categoría única (muy altas consecuencias) y están definidos en la Tabla 10.1. Estos parámetros deben utilizarse conforme a las recomendaciones del API RP 2A-WSD, 20ª Edición, con las excepciones establecidas en este documento. Para la utilización de los parámetros de la Tabla 10.1 es necesario tomar en cuenta las siguientes consideraciones:

58

4. Diseño de plataforma fija tipo “jacket” por el método WSD

10.1.1 Parámetros meteorológicos y oceanográficos asociados con la altura de ola de tormenta. Los parámetros asociados con la altura de ola de tormenta para diseño, tales como período de la ola, alturas de marea, velocidades de viento y corriente, se presentan en el Anexo A para diferentes áreas de la Sonda de Campeche. En caso requerido, la elevación máxima de la cresta se calculará con la teoría de oleaje que aplique en la localización especifica de proyecto, de acuerdo con las recomendaciones del API RP 2A-WSD, 20ª Edición, Sección 2.3.1b. Los antecedentes de la información presentada en el Anexo A se discuten en los Comentarios. 10.1.2 Parámetros hidrodinámicos adicionales. Para el cálculo de las solicitaciones inducidas por condiciones de tormenta se utilizan los parámetros de período aparente, factores de bloqueo y factores de pantalla definidos en la 20ª Edición del API RP 2A-WSD. Se debe emplear la velocidad de viento con lapso de promediación de una hora, asociada a la altura de ola máxima a 10 m sobre el nivel medio del mar, un coeficiente de cinemática de la ola de 0.85 y un coeficiente de arrastre y otro de inercia asociados con una superficie rugosa (Cd=1.05, Cm=1.20). Dado que el criterio propuesto en este documento es omnidireccional, no se utiliza el factor de direccionalidad recomendado en el API RP 2A-WSD, 20ª Edición. Tabla 10.1.

Parámetros de diseño para estructuras a ser instaladas en la Sonda de Campeche. PARÁMETROS PARA

CATEGORÍA DE EXPOSICIÓN

DISEÑO

MUY ALTA

Altura de ola (m).

16.700

Elevación mínima de la cubierta inferior (m)

19.100

(ver Fig. 10.1). Parámetros asociados a la altura de ola. Parámetros hidrodinámicos adicionales.

Tomar datos del Anexo A Usar API RP 2A-WSD 20ª Edición (Ver la Sección 10.1 de este documento para definiciones especiales)

______ Nota: La elevación indicada corresponde a la elevación del paño superior de las vigas del sistema de piso de la cubierta inferior de la plataforma. 10.1.3 Elevación mínima de cubierta inferior. La elevación mínima de la cubierta especificada en la Tabla 10.1 sustituye a la recomendación del API RP 2A-WSD, 20ª Edición, y corresponde a la elevación del paño superior de las vigas del sistema de piso de la cubierta inferior de la plataforma (ver Fig. 10.1).

59

4. Diseño de plataforma fija tipo “jacket” por el método WSD

A

B

DISEÑO ELEV. + 19.100 m

ELEV. ± 0.000 m NMM

Figura 10.1.

Elevación mínima de cubierta inferior.

10.1.4 Crecimiento marino. El espesor del crecimiento marino se modela de acuerdo con lo especificado en la Tabla 10.2 y debe aplicarse en todos los elementos estructurales, conductores, ductos ascendentes y accesorios que se ubiquen total o parcialmente entre las elevaciones referidas. Tabla 10.2.

10.2

Espesor de crecimiento marino recomendado para diseño [Bibliog. 3]. INTERVALO DE ELEVACIÓN

ESPESOR DE CRECIMIENTO

RESPECTO AL NMM

MARINO DURO

(m)

(cm)

+ 1.000 a - 20.000

7.50

- 20.000 a - 50.000

5.50

- 50.000 a - 80.000

3.50

Condiciones de operación. Los parámetros para diseño bajo condiciones de operación planteados en este documento se especifican para una categoría única y deben utilizarse conforme a las recomendaciones del API RP 2A-WSD, 20ª Edición, con las excepciones establecidas en este documento. 10.2.1 Parámetros meteorológicos y oceanográficos asociados a condiciones de operación. La altura de ola de diseño en condiciones de operación y sus parámetros asociados (período de la ola, alturas de marea, velocidades de viento y corrientes) se presentan en el Anexo B para diferentes campos. Los antecedentes de la información presentada en el Anexo B se discuten en los comentarios. 10.2.2 Parámetros hidrodinámicos adicionales. Para el cálculo de las solicitaciones inducidas por condiciones de operación se deben utilizar los parámetros de período aparente, factores de bloqueo y factores de pantalla definidos en la 20ª Edición del API RP 2A-WSD. Además se debe emplear la velocidad de viento con lapso de promediación de una hora asociada a la altura de ola máxima a 10 m sobre el nivel medio

60

4. Diseño de plataforma fija tipo “jacket” por el método WSD

del mar, un coeficiente de cinemática de la ola de 1.0 y coeficientes de arrastre e inercia asociados con una superficie rugosa (Cd =1.05, Cm =1.20). Dado que el criterio propuesto en este documento es omnidireccional, no se utiliza el factor de direccionalidad recomendado en el API RP 2A-WSD, 20ª Edición. 10.2.3 Crecimiento marino. El espesor del crecimiento marino duro debe modelarse de acuerdo con lo especificado en la Tabla 10.2 y debe aplicarse en todos los elementos estructurales, conductores, ductos ascendentes y accesorios que se ubiquen total o parcialmente en las elevaciones referidas.

La ubicación de la plataforma ha sido establecida en el campo Ku, por lo tanto los parámetros meteorológicos y oceanográficos asociados con la altura de ola de tormenta se obtienen del Anexo A de acuerdo a lo descrito en la Sección 10.1.1, y de la misma forma son obtenidos los parámetros meteorológicos y oceanográficos asociados a condiciones de operación, los cuales se presentan en el Anexo B según lo descrito en la Sección 10.2.1. Las Tablas A.5 y B.5 muestran los parámetros de diseño para el área de interés: Tabla A.5

Extremos meteorológicos y oceanográficos en las áreas indicadas considerando huracanes y tormentas de invierno. Áreas: Ku, Ixtal-1. Profundidad de agua: 63 a 77 m. Evaluación Parámetros

Diseño

Rango elástico

Resistencia última

Nivel diseño

Moderada

Alta

171

94

719

854

1431

Altura de ola máxima (m).

16.70

15.00

21.00

21.50

23.00

Período de ola (s).

11.74

11.26

13.05

13.21

13.69

Altura de marea astronómica.

0.76

0.76

0.76

0.76

0.76

Altura de marea de tormenta.

1.01

0.95

1.17

1.19

1.24

3s

58.08

52.60

73.19

74.90

80.02

5s

56.13

50.83

70.73

72.38

77.33

15 s

51.93

47.02

65.44

66.96

71.54

1 min

46.63

42.22

58.76

60.13

64.24

1h

38.96

35.28

49.10

50.24

53.68

0% de la profundidad.

131

115

173

178

193

50% de la profundidad.

100

86

121

124

133

95% de la profundidad.

46

41

56

58

61

Período de retorno de referencia (años).

Muy alta

Velocidades de viento máximas a 10 m sobre el NMM (m/s).

Velocidades de corriente (cm/s)

61

4. Diseño de plataforma fija tipo “jacket” por el método WSD

Tabla B.5

Extremos meteorológicos y oceanográficos para condiciones de operación en las áreas indicadas. Considerando exclusivamente tormentas de invierno. Áreas: Ku, Ixtal-1. Profundidad de agua: 63 a 77 m. Parámetros Período de retorno de referencia (años). Altura de ola significante (m).

Diseño 10 4.68

Altura de ola máxima (m).

8.70

Período de ola (s).

11.08

Altura de marea astronómica.

0.76

Altura de marea de tormenta.

0.35

Velocidades de viento máximas a 10 m sobre el NMM (m/s). 1h

15.80

Velocidades de corriente (cm/s) 0% de la profundidad.

43

50% de la profundidad.

36

95% de la profundidad.

11

Con lo que respecta al análisis y diseño de la cimentación, es necesario contar con la información geotécnica del sitio, para lo cual se empleará el estudio geotécnico denominado KU-C con No. 0201-3398-9, emitido por la compañía Fugro McClelland Marine Geosciences Inc., en Diciembre de 1997.

4.4 Cargas El análisis para condiciones de operación y tormenta considera que la plataforma opera bajo cargas gravitacionales y ambientales. De acuerdo a la API RP 2A-WSD en la Sección 2 “Criterios y Procedimientos de Diseño”, tales cargas deben considerarse de la siguiente manera: 2.1.2b Cargas muertas. Las cargas muertas son el peso de la plataforma, equipo permanente y cualquier accesorio, los cuales no cambian con el modo de operación. Las cargas muertas deben incluir lo siguiente: 1. Peso estructural de la plataforma en el aire, incluyendo, cuando sea apropiado, el peso de los pilotes, cementado y lastre. 2. Peso del equipo y estructuras adicionales montadas permanentemente sobre la plataforma. 3. Fuerzas hidrostáticas actuando sobre la estructura bajo el nivel del agua, incluyendo la presión y flotación externas.

62

4. Diseño de plataforma fija tipo “jacket” por el método WSD

2.1.2c Cargas vivas. Las cargas vivas son las cargas impuestas sobre la plataforma durante su uso y pueden cambiar durante un modo de operación o de un modo de operación a otro. Las cargas vivas deben incluir lo siguiente: 1. El peso del equipo de perforación y producción que puede adicionarse o removerse de la plataforma. 2. El peso de el modulo habitacional, helipuerto, equipo de mantenimiento, salvavidas, de buceo y utilitario que puede adicionarse o removerse de la plataforma. 3. El peso de materiales de consumo (cemento, varita, etc.) y líquidos en tanques de almacenamiento. 4. Las fuerzas ejercidas sobre la estructura de operaciones tales como perforación, manipulación de material, amarre de embarcaciones y aterrizaje de helicópteros. 5. Las fuerzas ejercidas sobre la estructura por uso de la grúa sobre la cubierta. Estas fuerzas provienen de considerar la carga suspendida y su movimiento, así como la carga muerta. 2.3.1

Oleaje.

2.3.1a General. Las cargas por oleaje sobre la plataforma, son de naturaleza dinámica. Para la mayoría de las profundidades de agua encontradas actualmente, estas cargas se pueden representar adecuadamente por sus equivalentes estáticos. Para aguas más profundas o donde las plataformas tienden a ser más flexibles, el análisis estático puede no describir adecuadamente las verdaderas cargas dinámicas inducidas en la plataforma. El análisis correcto de tales plataformas requiere un análisis de cargas que implique la respuesta dinámica de la estructura. 2.3.2

Viento.

2.3.2a General. Como con las cargas por oleaje, las cargas por viento son dinámicas por naturaleza, pero algunas estructuras responderán a estas de una manera casi estática. Para plataformas fijas de acero convencionales en aguas relativamente poco profundas, los vientos son el menor contribuidor en las cargas globales (típicamente menos del 10%). Las velocidades de viento continuas deben usarse para calcular las cargas globales de la plataforma, y las velocidades de ráfaga deben usarse para el diseño de los elementos estructurales individuales. En aguas profundas y para diseños flexibles, las cargas por viento pueden ser significantes y se deben estudiar detalladamente. Un análisis dinámico de la plataforma es el indicado cuando el campo de viento contiene energía en las frecuencias cercanas a las frecuencias naturales de la plataforma. Tal análisis puede requerir el conocimiento de la intensidad de la turbulencia del viento, espectros y consistencia espacial. 2.3.3

Corriente.

2.3.3a General. La corriente total es la suma vectorial de las corrientes por marea, circundantes y la generada por tormenta. La relativa magnitud de estas componentes, y su importancia en el cálculo de cargas, varía con la localización costa afuera.

63

4. Diseño de plataforma fija tipo “jacket” por el método WSD

4.5 Estructuración 4.5.1 Configuración estructural

La plataforma estará integrada por tres componentes estructurales principales: superestructura, subestructura y cimentación, además de accesorios necesarios para su funcionamiento durante las diversas etapas de la plataforma. La superestructura estará formada por dos cubiertas apoyadas sobre ocho columnas, de manera que dos marcos longitudinales y cuatro transversales integren la estructura. La cubierta superior se localizará en la elevación +27.939 m, en ésta se apoyarán los equipos requeridos para las operaciones de perforación. Los equipos de producción estarán soportados sobre la cubierta inferior, la cual se ubicará en la elevación +19.100 m. Las columnas tendrán una separación de 12.192 m en el sentido longitudinal y 13.716 m en el sentido transversal. La subestructura será un octápodo, a base de marcos continuos formados por columnas y arriostramientos (verticales, horizontales y diagonales). La disposición de las columnas será de forma que se tengan cuatro ejes transversales y dos longitudinales, las columnas ubicadas en las esquinas exhibirán una pendiente aparente de 1:8 en dos direcciones ortogonales, y las columnas interiores exhibirán la misma pendiente en una sola dirección. Se utilizarán 5 niveles de arriostramiento localizados en las elevaciones +6.096, –6.096, –20.400, –38.400 y –57.400 m. Los elementos que se localicen en la zona de mareas y oleajes (zona comprendida entre las elevaciones –3.048 y +4.572 m), y adicionalmente hasta las elevaciones –6.096 y +6.096 m (excepto en los niveles de arriostramiento de estas elevaciones y los canutos de las columnas de la elevación +6.096 m) se incrementarán 6.35 mm de espesor al requerido por diseño. El peso de los sobreespesores por corrosión será considerado en los análisis estructurales, pero no será considerado al realizar la revisión de esfuerzos. También se considerará un espacio anular libre entre la pared externa del pilote y el interior de las piernas de 12.7 mm, para alojar placas centradoras en cada una de las elevaciones de los niveles de arriostramiento (en todos los nudos), excepto en la elevación +6.096 m. La cimentación será a base de pilotes de punta abierta, los cuales se alojarán en el interior de las columnas de la subestructura, los pilotes mantendrán la misma disposición que las columnas del jacket y exhibirán las mismas pendientes. Además de la profundidad de penetración requerida, se considerará una longitud de sub-hincado y sobre-hincado de 6.096 m. La parte extrema superior de la subestructura se conectará a los pilotes en la elevación +6.858 m y el punto de trabajo se ubicará en la elevación +7.315 m, en este punto se realizará el corte de los pilotes y se recibirán los conos de acoplamiento para la conexión de las columnas de la superestructura. La plataforma soportará doce conductores de 76.20 cm de diámetro, con espaciamientos a centros de 2.438 m en el sentido longitudinal y 2.286 m en el sentido transversal. La zona de conductores se localizará entre los ejes 1 y 2, y se extenderán desde la cubierta inferior hasta una profundidad de penetración bajo el suelo marino de 60.960 m. Así mismo, se considerará en el diseño la instalación de dos camisas para bombas de succión de agua de 60.96 cm; y siete camisas para drenaje de 21.91 cm. Las camisas se 64

4. Diseño de plataforma fija tipo “jacket” por el método WSD

Vista lateral

Vista frontal

Vista superior

Isométrico Figura 4.3 Configuración estructural

65

4. Diseño de plataforma fija tipo “jacket” por el método WSD

extenderán desde la cubierta inferior hasta una profundidad de 11.500 m bajo el NMM. También se instalarán cinco ductos ascendentes, uno de 30.48 cm y otro 60.96 cm en la columna A-4, uno de 76.20 cm en la columna B-4 y dos de 60.96 cm ubicados en las columnas A-1 y B-1. Adicionalmente se considerarán en el diseño los siguientes accesorios: • • • • • • • • • • • • •

Cuna de deslizamiento Placas para arrastre. Mesa de estrobos. Orejas de posicionamiento vertical. Sistema de inundación. Placas base. Orejas de izaje. Pasillos. Atracaderos. Escaleras. Ánodos de sacrificio. Defensas para piernas Defensas para ductos ascendentes.

4.6 Modelo para análisis y diseño estructural 4.6.1 Programa de cómputo SACS

El análisis y diseño estructural de la plataforma se realizará desarrollando un modelo matemático de la estructura mediante el programa de cómputo SACS (Sistema Computarizado de Análisis Estructural) desarrollado por Engineering Dynamics, Inc., para las estructuras instaladas costa afuera. SACS consiste en varios programas (módulos) compatibles con el análisis y diseño estructural para cada etapa de la plataforma. El programa tiene la capacidad de realizar diversos tipos de análisis de acuerdo a la respuesta estructural requerida, considerando así los efectos estáticos, dinámicos y no-lineales necesarios para modelar en lo posible el comportamiento real de la plataforma. El programa también tiene la capacidad de revisar la resistencia de los elementos por diversas especificaciones de diseño estructural. La generación del modelo será elaborada con el módulo Precede, de acuerdo a la estructuración vista en el punto anterior, de manera que la plataforma quedará conformada por 2,416 miembros y 1,205 nodos. Se considerarán 350 secciones transversales y 3 tipos de acero. En la superestructura solamente se modelarán los elementos primarios del sistema de piso, los elementos secundarios serán modelados por medio de elementos equivalentes. En la subestructura, las columnas, conductores y pilotes serán modelados automáticamente introduciendo los valores de las pendientes y elevaciones respectivas para considerar los niveles de arriostramiento, así como las conexiones existentes entre estos elementos. Los miembros serán modelados como elementos entre nodos, aunque considerando los efectos de las excentricidades reales resultantes por la geometría de la estructura.

66

4. Diseño de plataforma fija tipo “jacket” por el método WSD

Figura 4.4 Modelo tridimensional (SACS – Precede)

La transmisión de fuerzas laterales entre los pilotes y las columnas, así como de los conductores y las guías, será generada automáticamente por el programa considerando elementos estructurales con capacidad de transmitir únicamente cargas axiales horizontales (no así las verticales). La interacción del suelo con los pilotes y los conductores, será considerada modelando la información geotécnica referente a la capacidad axial desarrollada por fricción (curvas T-z) y punta (Q-z), así como las características cargadeformación lateral de los pilotes (curvas P-y); el modelado de la información anterior es realizada en el módulo PSI/Pile. Los accesorios mayores tales como atracaderos, defensas, ductos ascendentes y camisas para bombas serán modelados como elementos no estructurales con el fin de determinar los efectos de empuje sobre la plataforma, producto de las cargas de oleaje y corriente que inciden en ellos; y los accesorios menores así como los requeridos para las maniobras de instalación tales como cuna de deslizamiento, placas para arrastre, mesa de estrobos, orejas de posicionamiento vertical, sistema de inundación, placas base, orejas de izaje, pasillos, escaleras y ánodos de sacrificio se modelarán como cargas de acuerdo a su distribución sobre la plataforma.

67

4. Diseño de plataforma fija tipo “jacket” por el método WSD

Figura 4.5 Modelo tridimensional (SACS – View Model)

4.6.2 Análisis de cargas

Las cargas actuantes sobre la plataforma pueden clasificarse de acuerdo a la forma en que serán introducidas al programa como cargas generadas y cargas no generadas. Las cargas generadas son creadas internamente por el programa, usando las características geométricas de la estructura o bien, mediante la entrada de algunos parámetros que puedan definir tales cargas actuando sobre la plataforma. Las cargas no generadas son calculadas o especificadas externamente para después introducir sus valores al programa. De acuerdo a lo anterior y a los requerimientos del API mencionados en el punto 4.4 “Cargas” de este capítulo, las cargas muertas debido al peso propio de la plataforma, accesorios, cargas ambientales (viento, oleaje y corriente) y las fuerzas hidrostáticas actuando sobre la estructura, serán generadas internamente por el programa usando las características geométricas y las propiedades de las secciones transversales que conforman la estructuración de la plataforma. La distribución de cargas debido al peso de los equipos, tuberías, sistema de piso, accesorios menores y las cargas vivas serán calculadas externamente de acuerdo a los requerimientos de la plataforma e introducidas al módulo Precede.

68

4. Diseño de plataforma fija tipo “jacket” por el método WSD

Con lo que respecta a las cargas ambientales, se utilizará la metodología propuesta por la API RP 2A-WSD para determinar los parámetros necesarios, así como las características de tales cargas y puedan ser generadas por el módulo SeaState. Los lineamientos propuestos por el API se complementarán con la norma NRF-003-PEMEX2000. 2

Cargas muertas. Se considerará una carga uniforme de 160 kg/m

en ambas cubiertas, producto de la estructura secundaria e instalaciones. Así mismo, se considerará una carga uniforme de 225 kg/m2 para tomar en cuenta el peso equivalente de seis líneas de 60.96 cm llenas de agua a lo largo de la cubierta inferior y para la cubierta superior se utilizará una carga uniforme de 75 kg/m2 para tomar en cuenta el peso equivalente de dos líneas de 60.96 cm llenas de agua. Las cargas muertas de mayor magnitud sobre las cubiertas de la plataforma, son las cargas generadas por el peso de los equipos, las Tablas 4.1 y 4.2 muestran los equipos a utilizarse en la cubierta inferior y superior respectivamente. Descripción

Código

Peso (kg) Operación

Tormenta

Quemador de pozos.

CB-1700

31,108

31,108

Quemador de desfogue.

CB-1702

43,130

43,130

EA-1500/R

2,930

2,930

Separador de prueba.

FA-1100

38,180

38,180

Separador remoto.

FA-1101

165,000

165,000

Depurador de gas de B.N.

FA-1500

2,750

2,750

Tanque de almacenamiento de agua potable.

FB-1351

78,463

78,463

Tanque de almacenamiento de agua potable.

FB-1352

78,463

78,463

Tanque de drenajes aceitosos.

FB-1601

2,630

2,630

Tanque de aguas aceitosas de P. líquidos.

FB-1603

8,360

8,360

Paquete de inyección antiesfumante.

FB-1251 GA-1251/R

1,900

1,900

Paquete de inyección de asfaltenos.

FB-1252 GA-1252/R

2,200

2,200

GA-1301/R

11,400

11,400

GA-1302

1,700

1,700

GA-1303/R

3,400

3,400

Bomba reforzadora.

GA-1306/R

3,400

3,400

Bomba de condensados.

GA-1500/R

60

60

Bomba de drenajes.

GA-1601

30

30

Lanzador de diablos (Gasoducto a KU-F).

HR-1101

42,550

42,550

Lanzador de diablos (Oleoducto a KU-S).

HR-1102

13,160

13,160

Central hidrálulica.

PA-1801

4,300

4,300

Paquete de tratamiento de aguas negras.

PA-1650

8,000

8,000

Calentador de gas de bombeo neumático.

Bomba de agua de mar. Bomba de agua de mar a quemador. Bomba de agua de mar a potabilizadora.

Muro contra incendio.

16,814

16,814

Caseta UPR.

23,207

23,207

Cuarto de baterías.

23,207

23,207

Tabla 4.1 Pesos de equipos en la cubierta inferior

69

4. Diseño de plataforma fija tipo “jacket” por el método WSD

Descripción

Código

Cápsula de salvamento.

Peso (kg) Operación

Tormenta

13,898

13,898 60,000

Grúa de pedestal.

PA-1001

60,000

Grúa de pedestal.

PA-1002

60,000

60,000

482,000

482,000

Paquete de almacenamiento. Paquete de bombas.

443,000

443,000

1,311,000

1,311,000

Paquete de líquidos.

380,000

380,000

Paquete de lodos.

484,000

484,000

Paquete de máquinas.

425,000

425,000

Torre de perforación.

425,000

425,000

Tubería en patio.

750,000

525,000

Tubería vertical.

204,000

96,000

Paquete habitacional y helipuerto.

Tabla 4.2 Pesos de equipos en la cubierta superior

Cargas vivas. Las cargas vivas se modelarán considerando el área de servicio o el destino de piso sobre las cubiertas, para las áreas de producción, perforación, mezzanines, pasillos y escaleras se utilizará una carga uniforme de 500 kg/m2, con excepción del área de almacén para tubería en patio, en la que se utilizará una carga uniforme de 2,450 kg/m2.

La distribución de cargas uniformes sobre las cubiertas superior e inferior se muestra en la Figuras 4.6 y 4.7 respectivamente.

Figura 4.6 Distribución de cargas en la cubierta superior

70

4. Diseño de plataforma fija tipo “jacket” por el método WSD

Figura 4.7 Distribución de cargas en la cubierta inferior

Oleaje. Las cargas generadas por el oleaje se calcularán asumiendo que la plataforma no se mueve, y por lo tanto no existe una interacción dinámica entre la estructura y el oleaje del mar. Debido a que la plataforma es proyectada en aguas someras, los efectos dinámicos pueden despreciarse y hacer una formulación simple del oleaje por medio de las teorías Stream Function, Stokes 5 o Linear/Airy. La selección del tipo de ola dependerá del tirante de agua y la longitud de ola, por lo tanto el primer paso será calcular el tirante máximo de agua y posteriormente se seguirá la metodología propuesta por la API RP 2A-WSD, para la determinación de los parámetros de oleaje.

Análisis estático de oleaje (operación) Tirante máximo de agua. El tirante máximo de agua es calculado considerando las alturas de la marea astronómica y de tormenta, para este caso los datos correspondientes son proporcionados en la Tabla B.5 del Anexo B de la norma NRF-003-PEMEX-2000. d = Tirante + Altura de marea astronómica + Altura de marea de tormenta d = 57.400 + 0.760 + 0.350 = 58.510 m

Período de ola aparente. El período de ola aparente es calculado considerando el efecto Doppler de la corriente sobre el oleaje. Tal fenómeno determina que una corriente en la dirección del oleaje tiende a estrechar la longitud de ola, mientras que una corriente en oposición tienda a acortarla. Para el caso simple de una propagación de ola sobre una línea uniforme de corriente, el período de ola aparente visto por un observador en movimiento con la corriente, puede determinarse con la Figura 4.8 (Figura 2.3.1-

71

4. Diseño de plataforma fija tipo “jacket” por el método WSD

2 en la Sección 2 de la API RP 2A-WSD), en la cual T es el período de ola real (visto por un observador estacionario), V1 es la componente de corriente en la dirección del oleaje, d es la profundidad del agua (incluyendo las mareas) y g es la aceleración de la gravedad. d 2

gT

=

58.510

= 0.0485

9.81x11.08 2

V1 0.36 = = 0.0033 gT 9.81x11.08 1.25

1.2

1.15

Tapp/T

1.1

1.05

1

0.95

0.85 -0.015

-0.01

-0.005

0

0.005 V1/gT 0.02

d/gT**2=0.01

0.01

0.015 0.04

0.02

0.025

>=0.10

Figura 4.8 Efecto Doppler debido a la corriente permanente

Tapp = 1.02 ∴ Tapp = 11.08 x1.02 = 11.30 T

Cinemática bidimensional de ola. Para el período de ola aparente Tapp determinado, este es específico para una altura de ola H y un tirante de agua d, la cinemática bidimensional del oleaje puede calcularse usando la apropiada teoría de oleaje Stream Function. En muchos casos, la teoría de oleaje Stokes 5 producirá veracidad aceptable. La Figura 4.9 (Figura 2.3.1-3 en la Sección 2 de la API RP 2A-WSD) muestra las regiones de aplicación de las teorías de oleaje Stream Function y Stokes 5. H gTapp

2

d gTapp

2

=

=

8.700 9.81x11.30 2 58.510 9.81x11.30 2

= 0.0069

= 0.0467

72

4. Diseño de plataforma fija tipo “jacket” por el método WSD

0.05

Deep Water Breaking Limit H/L = 0.14

0.02

Hb

0.01

0.005

H gTapp 2

Stokes 5

Shallow Water Breaking Limit H/L = 0.78

or Stream Fuction

3

0.002 0.001

>11 11

9 7 5

3

0.0005

0.0002

0.0001

0.00005

Linear/Airy

Stream Function

Shallow Water Waves 0.001

0.002

or Stream Fuction

Deep Water Waves

Intermediate Depth Waves 0.005

0.01

0.02

3

0.05

0.1

0.2

d gTapp2 H/gT app2: d/gT app2 : H: H b:

Dimension less wave steepness Dimension less relative depth Wave height Breaking wave height

d: Mean water depth Tapp: Wave period g: Acceleration of Gravity

Figura 4.9 Regiones de aplicación de las teorías de oleaje Stream Function, Stokes 5 y Linear/Airy

Se utilizará la teoría de oleaje Stream Function 3 o Stokes 5. Factor de cinemática de ola. La cinemática bidimensional de ola para las teorías Stream Function o Stokes 5 no considera para la dirección del oleaje el esparcimiento o irregularidades en la forma del perfil del oleaje. Estas características del oleaje pueden modelarse aproximadamente mediante un análisis determinista del oleaje multiplicando las velocidades y aceleraciones de la solución bidimensional del oleaje, por un factor de cinemática. Las medidas de la cinemática del oleaje mantienen factores en un rango de 0.85 a 0.95 para tormentas tropicales y de 0.95 a 1.00 para tormentas extra tropicales. Para el caso de las Regiones Marinas, la norma NRF-003-PEMEX-2000 considera un factor de cinemática de ola de 1.00. 73

4. Diseño de plataforma fija tipo “jacket” por el método WSD

Factor de bloqueo de corriente. La velocidad de corriente alrededor de la plataforma se ve reducida debido al bloqueo u obstrucción. Es decir, la presencia de la estructura hace que el flujo de la corriente tenga una divergencia al pasar entre ésta. Los factores de bloqueo son usados para determinar las cargas globales en la plataforma, mediante la ecuación de Morison, en la que se considera la velocidad de corriente. Los factores de bloqueo de corriente aproximados para estructuras tipo “jacket” instaladas en el Golfo de México son los siguientes: # de columnas

Dirección

Factor

3

Todas

0-90

4

Longitudinal

0.80

Diagonal

0.85

Transversal

0.80

6

8

Longitudinal

0.75

Diagonal

0.85

Transversal

0.80

Longitudinal

0.70

Diagonal

0.85

Transversal

0.80

Combinación de cinemática de oleaje y corriente. La cinemática de oleaje, ajustada por dispersión e irregularidad, debe combinarse vectorialmente con el perfil de corriente, ajustado para bloqueo. Está combinación es realizada internamente por el módulo SeaState. Crecimiento marino. Todos los miembros estructurales, conductores, ductos ascendentes y accesorios serán incrementados en su sección transversal para considerar el espesor del crecimiento marino. Para este caso, donde los elementos son de sección transversal circular, hay que determinar si la superficie del tubo es lisa o rugosa, dependiendo de la cantidad de crecimiento marino acumulado esperado. La norma NRF-003PEMEX-2003 especifica que el crecimiento marino se modelará de acuerdo a las siguientes elevaciones referidas. INTERVALO DE ELEVACIÓN

ESPESOR DE CRECIMIENTO

RESPECTO AL NMM

MARINO DURO

(m)

(cm)

+ 1.000 a - 20.000

7.50

- 20.000 a - 50.000

5.50

- 50.000 a - 80.000

3.50

74

4. Diseño de plataforma fija tipo “jacket” por el método WSD

Coeficientes de arrastre e inercia. Para situaciones de diseño típico, la norma NRF-003-PEMEX-2003 considera que las fuerzas globales de oleaje pueden calcularse usando los siguientes valores para tubos circulares. Superficie rugosa

Cd = 1.05, Cm = 1.20

Factor de pantalla en conductores. Dependiendo de la configuración de la estructura y del número de conductores, las fuerzas de oleaje sobre estos pueden ser una fracción significante de las fuerzas de oleaje. Si los conductores están estrechamente espaciados, las fuerzas pueden reducirse debido a las fuerzas hidrodinámicas. Los factores de reducción para las fuerzas de oleaje son aplicados a los coeficientes de arrastre e inercia para cierto arreglo de conductores, estos pueden estimarse de la Figura 4.11 (Figura 2.3.1-4 en la Sección 2 de la API RP 2A-WSD) en donde S es el espacio centro a centro de los conductores en la dirección del oleaje y D es el diámetro de los conductores, incluyendo el crecimiento marino. El arreglo de conductores para este caso se muestra en la Figura 4.10.

3.342

2.286

4.876

Figura 4.10 Arreglo de conductores

S 2.286 = = 2.563 D 0.892 S 3.342 = = 3.747 D 0.892 S 2.438 = = 2.733 D 0.892

75

4. Diseño de plataforma fija tipo “jacket” por el método WSD

1.1

SHIELDING FACTOR

1 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 1.5

2

2.5

3

3.5

4

4.5

5

5.5

S/D Figura 4.11 Factor de bloqueo para las cargas de oleaje sobre el arreglo de conductores en función del espacio entre conductores

Fs1 = 0.635 Fs2 = 0.936 Fs3 = 0.678 Los pasos que restan para completar la metodología propuesta por el API para la determinación de las fuerzas de oleaje, son considerados en el modelo para análisis y diseño estructural. Para el caso de los modelos hidrodinámicos para accesorios, estos son modelados en el módulo Seastate como elementos no estructurales, y así poder determinar su contribución en las fuerzas de oleaje. Las fuerzas de oleaje son determinadas internamente por el programa considerando la ecuación de Morison, las fuerzas globales más importantes sobre la estructura se refieren al cortante basal y los momentos de volteo que producen dichas fuerzas, en el caso del diseño local de miembros, el programa considera las fuerzas hidrodinámicas actuantes en los miembros, tales como presión hidrostática y flotación. Análisis estático de oleaje (tormenta) Tirante máximo de agua. Para esta condición ambiental, el tirante máximo de agua es calculado considerando las alturas de la marea astronómica y de tormenta, los datos correspondientes son proporcionados en la Tabla A.5 del Anexo A de la norma NRF-003-PEMEX-2000. d = Tirante + Altura de marea astronómica + Altura de marea de tormenta d = 57.400 + 0.760 + 1.010 = 59.170 m

76

4. Diseño de plataforma fija tipo “jacket” por el método WSD

Período de ola aparente. d gT

2

=

59.170

= 0.0438

9.81x11.74 2

V1 1.00 = = 0.0087 gT 9.81x11.74 1.25

1.2

1.15

Tapp/T

1.1

1.05

1

0.95

0.9

0.85 -0.015

-0.01

-0.005

0

0.005 V1/gT 0.02

d/gT**2=0.01

0.01

0.015 0.04

0.02

0.025

>=0.10

Figura 4.12 Efecto Doppler debido a la corriente permanente

Tapp = 1.06 ∴ Tapp = 11.74 x1.06 = 12.44 T

Cinemática bidimensional de ola. H gTapp

2

d gTapp

2

=

=

16.700 9.81x12.44 2 59.170 9.81x12.44 2

= 0.0110

= 0.0390

77

4. Diseño de plataforma fija tipo “jacket” por el método WSD

0.05

Deep Water Breaking Limit H/L = 0.14

0.02

Hb

0.01

0.005

H gTapp 2

Stokes 5

Shallow Water Breaking Limit H/L = 0.78

or Stream Fuction

3

0.002 0.001

>11 11

9 7 5

3

0.0005

0.0002

0.0001

0.00005

Linear/Airy

Stream Function

Shallow Water Waves 0.001

0.002

or Stream Fuction

Deep Water Waves

Intermediate Depth Waves 0.005

0.01

0.02

3

0.05

0.1

0.2

d gTapp2 H/gT app2: d/gT app2 : H: H b:

Dimension less wave steepness Dimension less relative depth Wave height Breaking wave height

d: Mean water depth Tapp: Wave period g: Acceleration of Gravity

Figura 4.13 Regiones de aplicación de las teorías de oleaje Stream Function, Stokes 5 y Linear/Airy

En este caso se utilizará la teoría de oleaje Stream Function 5. Factor de cinemática de ola. Para esta condición ambiental, la norma NRF-003-PEMEX-2000 considera un factor de cinemática de ola de 0.85. Los parámetros que restan para finalizar el procedimiento, quedan definidos de igual manera que en la condición ambiental anterior, ya que la configuración estructural es la misma para ambas condiciones de diseño (operación y tormenta).

78

4. Diseño de plataforma fija tipo “jacket” por el método WSD

Viento. La determinación de las fuerzas de viento requerirá considerar las áreas expuestas a este fenómeno, así como los factores de forma recomendados por la API RP 2A-WSD en la Sección 2.3.2e. Las áreas expuestas al viento se muestran en las Figuras 4.14 y 4.15 para dirección X e Y respectivamente, y en la Tabla 4.3 se muestra el análisis de áreas correspondiente.

Coeficientes de forma. Los siguientes coeficientes de forma son recomendados para ángulos perpendiculares de acercamiento del viento con respecto a cada área proyectada. Área Vigas. Superficies de edificios. Secciones cilíndricas. Área total de la plataforma.

Cs 1.5 1.5 0.5 1.0

B

A

1 49.400

6.935

4

6

5

2

3.370

13

3 7

+27.939 m

9

5.860

6.710

8

+19.100 m

10

11

12

Figura 4.14 Áreas expuestas al viento en dirección +X

79

4. Diseño de plataforma fija tipo “jacket” por el método WSD

1

2

3

4

1

4 6

3.965

2

5

3 6.730

5.205

10.975 7

9 3.400

13

+27.939 m

8

10

11

+19.100 m

12

Figura 4.15 Áreas expuestas al viento en dirección +Y

No.

Descripción

Dimensiones (m) Ancho

Área (m)

Largo

Alto

X

Y

%

Cs

Z (m) 47.165

1

Torre de perforación

9.144

9.144

42.670

97.54

97.54

25

1.5

2

Rompevientos del piso de perforación

16.460

13.716

3.965

65.26

54.38

100

1.5

27.813

3

Trabe base de la torre de perforación

16.460

13.716

1.525

25.10

20.92

100

1.5

25.068

4

Módulo habitacional

21.336

18.900

6.935

147.97

131.07

100

1.5

31.905

5

Tubería en patio

21.336

15.394

3.370

71.90

51.88

100

1.5

27.495

6

Grúas

3.960

5.130

3.150

12.47

16.16

100

1.5

31.905

7

Paquetes de bombas, almacenamiento y máquinas

21.336

25.908

6.710

143.16

173.84

100

1.5

22.455

8

Paquete de lodos

3.200

17.540

3.400

10.88

59.64

100

1.5

20.800

9

Paquete de líquidos

3.200

18.285

5.860

18.75

107.15

100

1.5

22.030

10 Área de equipo en cubierta inferior

33.716

56.576

4.465

150.54

252.61

40

1.5

13.427

11 Muro contra-incendio

13.716

12.192

4.465

61.24

54.44

100

1.5

13.427

12 Tubería bajo cubierta inferior

33.716

56.576

1.500

25.29

42.43

50

1.5

8.521

13 Área de mantenimiento

21.336

18.900

3.370

53.93

47.77

75

1.5

27.495

Tabla 4.3 Áreas expuestas al viento

80

4. Diseño de plataforma fija tipo “jacket” por el método WSD

Corriente. La determinación de las fuerzas generadas por la corriente, queda implícita

en el proceso de determinación de la teoría de oleaje, debido a las consideraciones que se dieron sobre los efectos de la corriente sobre la longitud de la ola (periodo de ola aparente), el factor de bloqueo de corriente, así como la combinación de cinemática de oleaje y corriente. 4.6.3 Condiciones y combinaciones de cargas

Las condiciones y combinaciones de cargas se especificarán de acuerdo a lo establecido en la Sección 2.2.2 de la API RP 2A-WSD. 2.2.2 Condiciones de cargas para diseño. La plataforma se diseñará para las condiciones de cargas apropiadas que producirán los efectos más severos sobre la estructura. Las condiciones de cargas deben incluir las condiciones ambientales combinadas con las cargas muertas y vivas apropiadas de la siguiente manera: 1. Condiciones ambientales de operación combinadas con las cargas muertas y cargas vivas máximas apropiadas para operaciones normales de la plataforma. 2. Condiciones ambientales de operación combinadas con las cargas muertas y cargas vivas mínimas apropiadas para operaciones normales de la plataforma. 3. Condiciones ambientales de diseño con cargas muertas y cargas vivas máximas apropiadas para combinación en condiciones extremas. 4. Condiciones ambientales de diseño con cargas muertas y cargas vivas mínimas apropiadas para combinación en condiciones extremas. Las cargas ambientales, con excepción de la carga por sismo, deberán combinarse de manera consistente con una probabilidad de ocurrencia simultánea de éstas durante las condiciones de cargas consideradas. La carga por sismo, cuando sea aplicable, deberá imponerse sobre la plataforma como una condición de carga ambiental separada. Las condiciones ambientales de operación serán representativas de las condiciones severas moderadamente en la plataforma. Éstas no serán necesariamente las condiciones de limitación que, si son excedidas, requieran el cese de las operaciones de la plataforma. Las cargas vivas máximas para plataformas de perforación y producción consideran cargas de perforación, producción y operaciones para restaurar o aumentar la producción y cualquier combinación apropiada para la perforación y operaciones para restaurar o aumentar la producción. Variaciones en los materiales de consumo y la localización de equipo móvil tal como la torre de perforación será considerada para el diseño de esfuerzos máximos en los miembros de la plataforma.

De acuerdo a los requerimientos mencionados arriba, las condiciones y combinaciones de cargas se muestran en las Tablas 4.4 y 4.5 para condiciones de operación, (tomando en cuenta dos posiciones críticas de la torre de perforación) y en la Tabla 4.6 para condiciones de tormenta.

81

4. Diseño de plataforma fija tipo “jacket” por el método WSD

No.

Factores de carga

Condiciones de cargas

1

Peso propio.

1.05

1.05

1.05

1.05

1.05

1.05

1.05

1.05

2

Carga muerta en la cubierta superior.

1.00

1.00

1.00

1.00

1.00

1.00

1.00

1.00

3

Carga muerta en la cubierta inferior.

1.00

1.00

1.00

1.00

1.00

1.00

1.00

1.00

4

Carga viva en la cubierta superior.

1.00

1.00

1.00

1.00

1.00

1.00

1.00

1.00

5

Carga viva en la cubierta inferior.

1.00

1.00

1.00

1.00

1.00

1.00

1.00

1.00

6

Carga de tuberías en la cubierta superior.

1.00

1.00

1.00

1.00

1.00

1.00

1.00

1.00

7

Carga de tuberías en la cubierta inferior.

1.00

1.00

1.00

1.00

1.00

1.00

1.00

1.00

8

Carga de equipos en la cubierta superior Operación.

1.00

1.00

1.00

1.00

1.00

1.00

1.00

1.00

9

Carga de equipos en la cubierta superior Tormenta.

10 Carga de equipos en la cubierta inferior.

1.00

1.00

1.00

1.00

1.00

1.00

1.00

1.00

11 Carga de la torre de perforación Operación posición 1.

1.00

1.00

1.00

1.00

1.00

1.00

1.00

1.00

12 Carga de la torre de perforación Operación posición 2. 13 Carga de la torre de perforación Tormenta posición 1. 14 Viento, oleaje y corriente Operación +X.

1.00

15 Viento, oleaje y corriente Operación +X +Y.

1.00

16 Viento, oleaje y corriente Operación +Y.

1.00

17 Viento, oleaje y corriente Operación -X +Y.

1.00

18 Viento, oleaje y corriente Operación -X.

1.00

19 Viento, oleaje y corriente Operación -X -Y.

1.00

20 Viento, oleaje y corriente Operación -Y.

1.00

21 Viento, oleaje y corriente Operación +X -Y.

1.00

22 Viento, oleaje y corriente Tormenta +X. 23 Viento, oleaje y corriente Tormenta +X +Y. 24 Viento, oleaje y corriente Tormenta +Y. 25 Viento, oleaje y corriente Tormenta -X +Y. 26 Viento, oleaje y corriente Tormenta -X. 27 Viento, oleaje y corriente Tormenta -X -Y. 28 Viento, oleaje y corriente Tormenta -Y.

Combinaciones de cargas

Operación +X

Operación +X +Y

Operación +Y

Operación -X +Y

Operación -X

Operación -X -Y

Operación -Y

Operación +X -Y

29 Viento, oleaje y corriente Tormenta +X -Y.

No.

30

31

32

33

34

35

36

37

Tabla 4.4 Condiciones y combinaciones de cargas (operación)

82

4. Diseño de plataforma fija tipo “jacket” por el método WSD

No.

Factores de carga

Condiciones de cargas

1

Peso propio.

1.05

1.05

1.05

1.05

1.05

1.05

1.05

1.05

2

Carga muerta en la cubierta superior.

1.00

1.00

1.00

1.00

1.00

1.00

1.00

1.00

3

Carga muerta en la cubierta inferior.

1.00

1.00

1.00

1.00

1.00

1.00

1.00

1.00

4

Carga viva en la cubierta superior.

1.00

1.00

1.00

1.00

1.00

1.00

1.00

1.00

5

Carga viva en la cubierta inferior.

1.00

1.00

1.00

1.00

1.00

1.00

1.00

1.00

6

Carga de tuberías en la cubierta superior.

1.00

1.00

1.00

1.00

1.00

1.00

1.00

1.00

7

Carga de tuberías en la cubierta inferior.

1.00

1.00

1.00

1.00

1.00

1.00

1.00

1.00

8

Carga de equipos en la cubierta superior Operación.

1.00

1.00

1.00

1.00

1.00

1.00

1.00

1.00

9

Carga de equipos en la cubierta superior Tormenta. 1.00

1.00

1.00

1.00

1.00

1.00

1.00

1.00

1.00

1.00

1.00

1.00

1.00

1.00

1.00

1.00

10 Carga de equipos en la cubierta inferior. 11 Carga de la torre de perforación Operación posición 1. 12 Carga de la torre de perforación Operación posición 2. 13 Carga de la torre de perforación Tormenta posición 1. 14 Viento, oleaje y corriente Operación +X.

1.00

15 Viento, oleaje y corriente Operación +X +Y.

1.00

16 Viento, oleaje y corriente Operación +Y.

1.00

17 Viento, oleaje y corriente Operación -X +Y.

1.00

18 Viento, oleaje y corriente Operación -X.

1.00

19 Viento, oleaje y corriente Operación -X -Y.

1.00

20 Viento, oleaje y corriente Operación -Y.

1.00

21 Viento, oleaje y corriente Operación +X -Y.

1.00

22 Viento, oleaje y corriente Tormenta +X. 23 Viento, oleaje y corriente Tormenta +X +Y. 24 Viento, oleaje y corriente Tormenta +Y. 25 Viento, oleaje y corriente Tormenta -X +Y. 26 Viento, oleaje y corriente Tormenta -X. 27 Viento, oleaje y corriente Tormenta -X -Y. 28 Viento, oleaje y corriente Tormenta -Y.

Combinaciones de cargas

Operación +X

Operación +X +Y

Operación +Y

Operación -X +Y

Operación -X

Operación -X -Y

Operación -Y

Operación +X -Y

29 Viento, oleaje y corriente Tormenta +X -Y.

No.

38

39

40

41

42

43

44

45

Tabla 4.5 Condiciones y combinaciones de cargas (operación)

83

4. Diseño de plataforma fija tipo “jacket” por el método WSD

No.

Factores de carga

Condiciones de cargas

1

Peso propio.

1.05

1.05

1.05

1.05

1.05

1.05

1.05

1.05

2

Carga muerta en la cubierta superior.

1.00

1.00

1.00

1.00

1.00

1.00

1.00

1.00

3

Carga muerta en la cubierta inferior.

1.00

1.00

1.00

1.00

1.00

1.00

1.00

1.00

4

Carga viva en la cubierta superior.

1.00

1.00

1.00

1.00

1.00

1.00

1.00

1.00

5

Carga viva en la cubierta inferior.

1.00

1.00

1.00

1.00

1.00

1.00

1.00

1.00

6

Carga de tuberías en la cubierta superior.

1.00

1.00

1.00

1.00

1.00

1.00

1.00

1.00

7

Carga de tuberías en la cubierta inferior.

1.00

1.00

1.00

1.00

1.00

1.00

1.00

1.00

8

Carga de equipos en la cubierta superior Operación.

9

Carga de equipos en la cubierta superior Tormenta.

1.00

1.00

1.00

1.00

1.00

1.00

1.00

1.00

1.00

1.00

1.00

1.00

1.00

1.00

1.00

1.00

1.00

1.00

1.00

1.00

1.00

1.00

1.00

1.00

10 Carga de equipos en la cubierta inferior. 11 Carga de la torre de perforación Operación posición 1. 12 Carga de la torre de perforación Operación posición 2. 13 Carga de la torre de perforación Tormenta posición 1. 14 Viento, oleaje y corriente Operación +X. 15 Viento, oleaje y corriente Operación +X +Y. 16 Viento, oleaje y corriente Operación +Y. 17 Viento, oleaje y corriente Operación -X +Y. 18 Viento, oleaje y corriente Operación -X. 19 Viento, oleaje y corriente Operación -X -Y. 20 Viento, oleaje y corriente Operación -Y. 21 Viento, oleaje y corriente Operación +X -Y. 22 Viento, oleaje y corriente Tormenta +X.

1.00

23 Viento, oleaje y corriente Tormenta +X +Y.

1.00

24 Viento, oleaje y corriente Tormenta +Y.

1.00

25 Viento, oleaje y corriente Tormenta -X +Y.

1.00

26 Viento, oleaje y corriente Tormenta -X.

1.00

27 Viento, oleaje y corriente Tormenta -X -Y.

1.00

28 Viento, oleaje y corriente Tormenta -Y.

1.00

Combinaciones de cargas

Tormenta +X +Y

Tormenta +Y

Tormenta -X +Y

Tormenta -X

Tormenta -X -Y

Tormenta -Y

Tormenta +X -Y

1.00 Tormenta +X

29 Viento, oleaje y corriente Tormenta +X -Y.

No.

46

47

48

49

50

51

52

53

Tabla 4.6 Condiciones y combinaciones de cargas (tormenta)

84

4. Diseño de plataforma fija tipo “jacket” por el método WSD

4.7 Análisis y diseño estructural El análisis estructural de la plataforma se realizó mediante un análisis estático lineal considerando las cargas ambientales emanando de ocho direcciones (definidas por ángulos de 45°), así como los efectos hidrostáticos bajo el nivel del agua; adicionalmente se consideró la interacción suelo-pilote modelando la no-linealidad del suelo de cimentación. El diseño estructural de la plataforma quedó determinado por la adecuada capacidad de las secciones propuestas, de manera que las relaciones de interacción de esfuerzos en miembros y juntas fueran las adecuadas. Se enfatiza que los resultados obtenidos de este análisis son los resultados finales producto de los análisis en condiciones de pre-servicio y servicio, de manera que tales resultados son la base de comparación con el diseño por factores de carga y resistencia (LRFD). 4.7.1 Superestructura

La Tabla 4.7 muestra los resultados de los elementos más esforzados con relaciones de interacción mayores a la unidad, donde el elemento más esforzado presenta una relación de interacción máxima de 1.47. Considerando las condiciones reales de trabajo de los elementos en cuestión, tales elementos cuentan con una resistencia mayor, por lo que no presentan problemas de sobreesfuerzos de acuerdo a revisiones locales realizadas por fuera para cada elemento reportado. Los elementos con relaciones de interacción mayores a 1.00 se muestran en las Figuras 4.16 y 4.17 para la cubierta superior e inferior respectivamente. Combinación

Axial

de cargas

(kg mm)

Cortante (kg mm)

Flexión (kg mm)

Y

Y

Z

11.91

-11.87

-0.75

1.47

11.40

-11.21

0.71

1.40

No.

Miembro

1

1729-1730

39

1.01

0.06

2

1670-1671

45

0.89

-0.08

3

1723-1725

34

0.31

-0.04

10.97

-19.68

1.01

1.25

4

1728-1729

39

0.21

-0.01

-12.45

-17.60

-0.32

1.23

5

1669-1670

45

0.09

-0.02

-12.09

-16.54

-0.48

1.19

6

1722-1723

38

0.18

0.02

-10.47

-18.78

0.54

1.17

7

1664-1666

35

0.10

-0.08

10.34

-17.86

1.56

1.16

8

1736-1737

49

-0.19

2.00

-0.22

-2.67

7.45

1.11

9

1663-1664

42

0.00

0.05

-10.02

-17.29

0.99

1.09

Z

RI

10

1716-1719

40

0.09

0.09

9.57

-14.39

-1.15

1.00

11

1536-1558

48

-1.14

-0.03

-9.46

25.86

0.77

1.26

12

1535-1547

47

-1.35

-0.03

-8.26

23.91

0.82

1.19

13

1558-1559

41

-0.74

0.12

-11.24

-7.96

0.55

1.11

14

1646-1617

53

0.62

-0.09

-3.18

-21.15

-2.74

1.09

15

1547-1548

33

-1.22

-0.08

-10.47

-6.43

-1.14

1.03

16

1597-1603

49

-0.71

-0.08

-6.46

-20.18

-1.82

1.02

17

1591-1590

43

-0.64

-0.34

10.34

-8.85

2.22

1.02

18

1593-1602

49

0.36

-0.13

-6.59

-18.54

-3.06

0.98

Tabla 4.7 Relaciones de interacción mayores a 1.00

85

4. Diseño de plataforma fija tipo “jacket” por el método WSD

Figura 4.16 Miembros con relaciones de interacción mayores a 1.00 (nivel +27.939 m)

Figura 4.17 Miembros con relaciones de interacción mayores a 1.00 (nivel +19.100 m)

86

4. Diseño de plataforma fija tipo “jacket” por el método WSD

Los desplazamientos máximos observados, se muestran en la Tabla 4.8 para las elevaciones de las cubiertas y el punto de trabajo. Elevación

Combinación

(m)

de cargas

+27.939 +19.100 +7.315

dx

dy

dz

dt

(cm)

(cm)

(cm)

(cm)

1755

28.725

-26.653

-4.880

39.488

1500

26.733

-26.564

-5.930

38.151

799

21.198

-21.451

-5.022

30.573

Dirección

Junta

53

+X -Y

53

+X -Y

53

+X -Y

Tabla 4.8 Desplazamientos máximos

4.7.2 Subestructura

Los elementos más esforzados se muestran en la Tabla 4.9, de los cuales el elemento más esforzado presenta una relación de interacción máxima de 0.94. Las Figuras 4.18, 4.19 y 4.20 muestran los miembros con relaciones de interacción entre 0.80 y 1.00. Combinación

Axial

Cortante (kg mm)

Flexión (kg mm)

de cargas

(kg mm)

Y

Z

Y

822-581

49

-15.67

0.18

-0.17

-1.54

2.48

0.94

413-419

48

0.44

1.87

-1.63

-4.94

17.62

0.87

3

487-581

53

-11.64

0.17

-0.05

3.20

1.10

0.85

4

493-10

51

-9.13

0.22

-0.16

0.13

2.62

0.85

5

399-499

51

-13.63

0.14

-0.14

1.70

1.44

0.84

6

493-599

50

-11.42

0.09

0.04

3.49

-0.10

0.84

7

381-481

53

-13.25

0.14

-0.14

1.71

-1.31

0.82

8

319-419

49

-13.01

0.12

0.06

2.13

-0.83

0.81

9

513-519

52

-5.88

1.19

-0.37

-6.88

-10.18

0.80

No.

Miembro

1 2

Z

RI

Tabla 4.9 Relaciones de interacción en miembros

Figura 4.18 Miembros con relaciones de interacción de 0.80 a 1.00 (nivel +6.096)

87

4. Diseño de plataforma fija tipo “jacket” por el método WSD

Figura 4.19 Miembros con relaciones de interacción de 0.80 a 1.00 (marco eje A)

Figura 4.20 Miembros con relaciones de interacción de 0.80 a 1.00 (marco eje B)

88

4. Diseño de plataforma fija tipo “jacket” por el método WSD

En lo que respecta a juntas tubulares, la junta más esforzada presenta una relación de interacción de 0.93. Las juntas más esforzadas se muestran en la Tabla 4.10. Diámetro

Espesor

(cm)

(cm)

207

133.990

3.175

0.93

213

133.990

3.175

0.92

1300

40.640

1.270

0.88

181

133.990

3.175

0.88

Junta

RI

9427

60.960

1.908

0.88

199

133.990

3.175

0.88

1303

40.640

1.270

0.85

9417

60.960

1.908

0.83

1305

40.640

1.270

0.83

1304

40.640

1.270

0.82

Tabla 4.10 Relaciones de interacción en juntas

Es importante observar que varios elementos resultan con relaciones de interacción muy por debajo de los máximos permisibles. Esto es debido a que en las etapas de carga a la barcaza, transportación y/o instalación estos componentes estructurales tendrán una participación muy importante, y que aunque dicha operación sea temporal, todos y cada uno de los elementos que componen el sistema estructural deben contar con la rigidez y resistencia requerida durante cada una de las etapas por las que va a pasar la estructura. Los desplazamientos máximos en cada nivel de arriostramiento, se presentan en la Tabla 4.11. Elevación

Combinación

(m)

de cargas

Dirección

Junta

dx

dy

dz

dt

(cm)

(cm)

(cm)

(cm)

+6.096

53

+X -Y

600

21.126

-21.167

-4.948

30.312

-6.096

53

+X -Y

499

20.520

-19.977

-4.940

29.061

-20.400

53

+X -Y

399

18.525

-18.362

-5.146

26.586

-38.400

53

+X -Y

299

16.004

-15.806

-5.202

23.088

-57.400

53

+X -Y

119

9.880

-12.193

-9.700

18.450

Tabla 4.11 Desplazamientos máximos.

4.7.3 Cimentación

De acuerdo a la Tabla 4.14, el pilote más esforzado es el B-3 (junta 94) con una relación de interacción de 1.00. La profundidad de penetración requerida por los pilotes, es definida por la carga de compresión máxima, la cual se presenta en el pilote B-4, con 2,850 ton., así como la carga máxima de tensión que ocurre en el pilote A-1 con 867 ton. Las cargas máximas de tensión y compresión se muestran en las Tablas 4.12 y 4.13 respectivamente.

89

4. Diseño de plataforma fija tipo “jacket” por el método WSD

Pilote Junta

Compresión

Diámetro

Espesor

Penetración

Capacidad

Carga max.

Combinación

Factor de

(cm)

(cm)

(m)

(ton)

(ton)

de cargas

seguridad

82

121.92

6.35

110.90

-4,367

-2,537

49

1.72

100

121.92

6.35

110.90

-4,367

-2,850

47

1.53

2

121.92

6.35

110.90

-4,367

-2,390

51

1.83

20

121.92

6.35

110.90

-4,367

-2,795

53

1.56

88

121.92

6.35

98.30

-3,525

-2,222

48

1.59

94

121.92

6.35

98.30

-3,525

-2,343

48

1.50

8

121.92

6.35

98.30

-3,525

-2,036

52

1.73

14

121.92

6.35

98.30

-3,525

-2,191

52

1.61

Tabla 4.12 Capacidad de carga en pilotes (compresión) Pilote Junta

Tensión

Diámetro

Espesor

Penetración

Capacidad

Carga max.

Combinación

Factor de

(cm)

(cm)

(m)

(ton)

(ton)

de cargas

seguridad

82

121.92

6.35

110.90

4,631

525

53

8.82

100

121.92

6.35

110.90

4,631

122

51

38.01

2

121.92

6.35

110.90

4,631

867

47

5.34

20

121.92

6.35

110.90

4,631

368

49

12.57

88

121.92

6.35

98.30

3,756

0

30

100.00

94

121.92

6.35

98.30

3,756

0

30

100.00

8

121.92

6.35

98.30

3,756

30

48

100.00

14

121.92

6.35

98.30

3,756

0

30

100.00

Tabla 4.13 Capacidad de carga en pilotes (tensión) Pilote Junta

Diámetro

Espesor

Penetración

(cm)

(cm)

(m)

RI

82

121.92

6.35

110.90

0.87

100

121.92

6.35

110.90

0.98

2

121.92

6.35

110.90

0.82

20

121.92

6.35

110.90

0.96

88

121.92

6.35

98.30

0.95

94

121.92

6.35

98.30

1.00

8

121.92

6.35

98.30

0.87

14

121.92

6.35

98.30

0.93

Tabla 4.14 Relaciones de interacción en pilotes

El desplazamiento máximo registrado es de 15.382 cm en el pilote B-4 para la combinación de cargas 53 considerando oleaje de tormenta en dirección +X -Y. El diseño final de los pilotes deberá considerar las condiciones a que se verá sujeta la estructura, así como los problemas que deberán enfrentarse para la instalación de los pilotes. Esto es, el manejo mismo de los pilotes y las maniobras de hincado.

90

5

Diseño de plataforma fija tipo “jacket” por el método LRFD

5.1 Consideraciones generales En este capítulo, se analizará y diseñará la plataforma estudiada en el capítulo anterior, considerando la metodología propuesta por el diseño por factores de carga y resistencia (LRFD). Siguiendo la secuencia utilizada en el diseño anterior (WSD), los datos generales para el diseño de la plataforma quedan definidos para ambos diseños, ya que no cambian las funciones de la plataforma, ni su localización. En el caso de las cargas, las consideraciones para su evaluación varían respecto al WSD, por lo tanto se harán las consideraciones pertinentes siguiendo las recomendaciones del Instituto Americano del Petróleo (API). La estructuración de cada uno de los componentes de la plataforma, queda definida por las dimensiones y elevaciones de la configuración estructural anterior. El modelo para análisis y diseño estructural será adecuado de tal manera, que se considere el análisis de cargas, así como las condiciones y combinaciones de cargas respondiendo a los requerimientos del API.

5.2 Criterios de diseño Para este caso, el análisis y diseño estructural de la plataforma se regirán por la Práctica Recomendada para Planeación, Diseño y Construcción de Plataformas Fijas Costa Afuera – Diseño por Factores de Carga y Resistencia (API RP 2A-LRFD), “Instituto Americano del Petróleo”, 1ª edición; y adicionalmente se utilizarán los parámetros meteorológicos y oceanográficos propuestos en la norma Diseño y Evaluación de Plataformas Marinas Fijas en la Sonda de Campeche (NRF-003-PEMEX-2000), “Petróleos Mexicanos”, Rev.: 0. También se considerarán los requerimientos establecidos en el Manual de Construcción en Acero – Diseño por Factores de Carga y Resistencia (AISC-LRFD), “Instituto Americano de la Construcción en Acero”, 2ª edición. De la misma forma que el diseño anterior, en este capítulo se considerará el análisis para condiciones de operación y tormenta. Los resultados de este análisis se tomarán como los resultados finales, es decir, en estos resultados se asume la realización de todos los análisis estructurales en condiciones de pre-servicio y servicio. La norma NRF-003-PEMEX-2000 está basada en el uso del diseño por esfuerzos de trabajo, por lo que no es completamente aplicable para este formato nuevo (LRFD). Una vez que se comience a utilizar este formato, la norma deberá ser modificada con el objetivo de emplear valores adecuados para los factores de carga y resistencia.

NOTA:

5. Diseño de plataforma fija tipo “jacket” por el método LRFD

5.3 Cargas Las cargas gravitacionales y ambientales en el análisis para condiciones de operación y tormenta se tomarán de acuerdo a lo establecido en la API RP 2A-LRFD en la Sección 3 “Cargas”. Las consideraciones hechas en esta recomendación varían respecto a las utilizadas en el diseño anterior, por lo tanto, tales cargas deben considerarse de la siguiente manera: C.2.2

Carga muerta 1, D1. La carga muerta 1 es el peso propio de la estructura incluyendo:

1. Peso de la estructura en aire, incluyendo donde sea apropiado el peso de los pilotes, cementado y lastre sólido. 2. Peso del equipo y otros objetos montados permanentemente sobre la plataforma que no cambian con el modo de operación. 3. Fuerzas hidrostáticas actuando sobre la estructura bajo el nivel del mar incluyendo las presiones interna y externa, así como la flotación resultante. 4. El peso del agua encerrada en la estructura, así como el lastre instalado temporal o permanentemente. El valor nominal de D1 es el valor calculado de las densidades y dimensiones nominales. C.2.3 Carga muerta 2, D2. La carga muerta 2 es la carga impuesta sobre la plataforma por el peso de equipo y otros objetos. Estas cargas pueden cambiar de un modo de operación a otro o durante un modo de operación, pero por otra parte permanecen constantes por largos periodos de tiempo. La carga muerta 2 debe incluir lo siguiente: 1. El peso del equipo de perforación y producción que pueda adicionarse o removerse de la plataforma. 2. El peso de los módulos habitacionales, helipuerto, equipo de salvamento, de buceo y utilitario, los cuales pueden adicionarse o removerse de la plataforma. El valor nominal de D2 será el peso estimado de izaje del objeto más cualquier accesorio instalado en campo. C.2.4 Carga viva 1, L1. La carga viva 1 incluye peso de los materiales de consumo, así como fluidos en tanques y tuberías. El valor nominal de L1 se calcula del peso nominal del material más pesado y de mayor capacidad bajo el modo de operación considerado. C.2.5 Carga viva 2, L2. La carga viva 2 representa las fuerzas de corta duración ejercidas sobre la estructura de operaciones tales como izaje de la sarta de perforación, izaje con grúas, operaciones de maquinaria, amarre de embarcaciones y descenso de helicópteros. El valor nominal será la carga ocasionada por la capacidad máxima clasificada del equipo implicado y que debe incluir efectos dinámicos y de impacto.

92

5. Diseño de plataforma fija tipo “jacket” por el método LRFD

Con lo que respecta a las cargas ambientales, éstas son consideradas de igual manera en ambas versiones de la API RP 2A (WSD y LRFD). En el diseño anterior, las cargas de viento, oleaje y corriente se tomaron como condiciones de cargas para ocho direcciones determinadas por ángulos de 45°, para este caso las cargas ambientales para condiciones de operación se identificarán como Wo y las cargas ambientales para condiciones de tormenta como We, esto con el objetivo de asignar a cada carga su factor de carga correspondiente.

5.4 Adecuación del modelo para análisis y diseño estructural El diseño de la plataforma por el método LRFD, se realizará tomando el modelo para análisis y diseño estructural del capítulo anterior. La geometría y todas las propiedades de las secciones se conservarán con los mismos valores; y el análisis de cargas seguirá con la misma distribución sobre cada componente de la plataforma. Las consideraciones de mayor énfasis en este punto, se refieren a la adecuación de las condiciones y combinaciones de cargas, así como los factores de resistencia aplicables a las secciones de la plataforma. 5.4.1 Condiciones y combinaciones de cargas

Las condiciones y combinaciones de cargas se especificarán de acuerdo a lo establecido en las Secciones C.2 y C.3 de la API RP 2A-LRFD. C.2 CARGAS GRAVITACIONALES. C.2.1 Cargas gravitacionales factorizadas. Para cada miembro, junta y componente de la cimentación deberá revisarse la resistencia para la fuerza interna Q ocasionada por las siguientes cargas gravitacionales factorizadas: Q = 1.3D1 + 1.3D2 + 1.5L1 + 1.5L2 C.3 CARGAS DE VIENTO, OLEAJE Y CORRIENTE. C.3.1 Requerimientos de resistencia. C.3.1.1 Cargas Factorizadas. Para cada miembro, junta y componente de la cimentación deberá revisarse la resistencia para la fuerza interna Q ocasionada por la acción de estas cargas factorizadas: Q = 1.1D1 + 1.1D2 + 1.1L1 + 1.35 (We + 1.25Dn) Donde We se define abajo y D1, D2 y L1 se definen en la sección C.2 (ver punto 4.3 en este capítulo) e incluyendo estas partes de cada modo de operación que pudieron razonablemente estar presentes durante una tormenta extrema del océano. Cuando las fuerzas internas debido a las cargas gravitacionales se oponen a las fuerzas debido a las cargas de viento, oleaje y corriente. Los factores de cargas gravitacionales deberán reducirse de modo que:

93

5. Diseño de plataforma fija tipo “jacket” por el método LRFD

Q = 0.9D1 + 0.9D2 + 0.8L1 + 1.35 (We + 1.25Dn) Para esta revisión, D2 y L1 excluirá cualquier parte que de ese modo de operación que no pueda asegurarse estar presente en una tormenta extrema. C.3.1.2 Cargas extremas de viento, oleaje y corriente, We. We es la fuerza aplicada a la estructura debido a la acción combinada del oleaje extremo (típicamente con un período de retorno de 100 años), viento y corriente asociados, considerando una probabilidad de ocurrencia común viento, oleaje y corriente (magnitud y dirección). Para algunas estructuras cuyo cargamento de fluidos no es fuertemente dominado por las olas, alguna otra combinación de viento, oleaje y corriente puede ser apropiada. Esta definición se aplica solamente a los eventos generados en tormenta. En algunas áreas de especial consideración se determinaran los efectos de la marea y la circulación general de corriente en el cálculo. C.3.1.3 Dirección de viento, oleaje y corriente. Las cargas de viento, oleaje y corriente deberán anticiparse desde cualquier dirección a menos que las condiciones específicas hagan una diferente suposición más razonable. C.3.1.4 Cargas operacionales de viento, oleaje y corriente. Una condición de operación para el viento, oleaje y/o corriente puede también especificarse para el diseño. En cada miembro, junta y componente de la cimentación deberá revisarse la resistencia para la fuerza interna Q ocasionada por la acción de las siguientes cargas factorizadas: Q = 1.3D1 + 1.3D2 + 1.5L1 + 1.2 (Wo + 1.25Dn) Donde Wo es la propia carga de operación definida del oleaje, viento y corriente. D2, L1 y L2 son los valores máximos para cada modo de operación; y la carga inercial Dn pertenece a la carga estática

De acuerdo a lo anterior, las condiciones y combinaciones de cargas se muestran en las Tablas 5.1 y 5.2 para condiciones de operación (considerando dos posiciones críticas para la torre de perforación) y en la Tabla 5.3 para condiciones de tormenta.

94

5. Diseño de plataforma fija tipo “jacket” por el método LRFD

No.

Factores de carga

Condiciones de cargas

1

Peso propio.

1.30

1.30

1.30

1.30

1.30

1.30

1.30

1.30

2

Carga muerta en la cubierta superior.

1.30

1.30

1.30

1.30

1.30

1.30

1.30

1.30

3

Carga muerta en la cubierta inferior.

1.30

1.30

1.30

1.30

1.30

1.30

1.30

1.30

4

Carga viva en la cubierta superior.

1.50

1.50

1.50

1.50

1.50

1.50

1.50

1.50

5

Carga viva en la cubierta inferior.

1.50

1.50

1.50

1.50

1.50

1.50

1.50

1.50

6

Carga de tuberías en la cubierta superior.

1.30

1.30

1.30

1.30

1.30

1.30

1.30

1.30

7

Carga de tuberías en la cubierta inferior.

1.30

1.30

1.30

1.30

1.30

1.30

1.30

1.30

8

Carga de equipos en la cubierta superior Operación.

1.30

1.30

1.30

1.30

1.30

1.30

1.30

1.30

9

Carga de equipos en la cubierta superior Tormenta.

10 Carga de equipos en la cubierta inferior.

1.30

1.30

1.30

1.30

1.30

1.30

1.30

1.30

11 Carga de la torre de perforación Operación posición 1.

1.30

1.30

1.30

1.30

1.30

1.30

1.30

1.30

12 Carga de la torre de perforación Operación posición 2. 13 Carga de la torre de perforación Tormenta posición 1. 14 Viento, oleaje y corriente Operación +X.

1.20

15 Viento, oleaje y corriente Operación +X +Y.

1.20

16 Viento, oleaje y corriente Operación +Y.

1.20

17 Viento, oleaje y corriente Operación -X +Y.

1.20

18 Viento, oleaje y corriente Operación -X.

1.20

19 Viento, oleaje y corriente Operación -X -Y.

1.20

20 Viento, oleaje y corriente Operación -Y.

1.20

21 Viento, oleaje y corriente Operación +X -Y.

1.20

22 Viento, oleaje y corriente Tormenta +X. 23 Viento, oleaje y corriente Tormenta +X +Y. 24 Viento, oleaje y corriente Tormenta +Y. 25 Viento, oleaje y corriente Tormenta -X +Y. 26 Viento, oleaje y corriente Tormenta -X. 27 Viento, oleaje y corriente Tormenta -X -Y. 28 Viento, oleaje y corriente Tormenta -Y.

Combinaciones de cargas

Operación +X

Operación +X +Y

Operación +Y

Operación -X +Y

Operación -X

Operación -X -Y

Operación -Y

Operación +X -Y

29 Viento, oleaje y corriente Tormenta +X -Y.

No.

30

31

32

33

34

35

36

37

Tabla 5.1 Condiciones y combinaciones de cargas (operación)

95

5. Diseño de plataforma fija tipo “jacket” por el método LRFD

No.

Factores de carga

Condiciones de cargas

1

Peso propio.

1.30

1.30

1.30

1.30

1.30

1.30

1.30

1.30

2

Carga muerta en la cubierta superior.

1.30

1.30

1.30

1.30

1.30

1.30

1.30

1.30

3

Carga muerta en la cubierta inferior.

1.30

1.30

1.30

1.30

1.30

1.30

1.30

1.30

4

Carga viva en la cubierta superior.

1.50

1.50

1.50

1.50

1.50

1.50

1.50

1.50

5

Carga viva en la cubierta inferior.

1.50

1.50

1.50

1.50

1.50

1.50

1.50

1.50

6

Carga de tuberías en la cubierta superior.

1.30

1.30

1.30

1.30

1.30

1.30

1.30

1.30

7

Carga de tuberías en la cubierta inferior.

1.30

1.30

1.30

1.30

1.30

1.30

1.30

1.30

8

Carga de equipos en la cubierta superior Operación.

1.30

1.30

1.30

1.30

1.30

1.30

1.30

1.30

9

Carga de equipos en la cubierta superior Tormenta. 1.30

1.30

1.30

1.30

1.30

1.30

1.30

1.30

1.30

1.30

1.30

1.30

1.30

1.30

1.30

1.30

10 Carga de equipos en la cubierta inferior. 11 Carga de la torre de perforación Operación posición 1. 12 Carga de la torre de perforación Operación posición 2. 13 Carga de la torre de perforación Tormenta posición 1. 14 Viento, oleaje y corriente Operación +X.

1.20

15 Viento, oleaje y corriente Operación +X +Y.

1.20

16 Viento, oleaje y corriente Operación +Y.

1.20

17 Viento, oleaje y corriente Operación -X +Y.

1.20

18 Viento, oleaje y corriente Operación -X.

1.20

19 Viento, oleaje y corriente Operación -X -Y.

1.20

20 Viento, oleaje y corriente Operación -Y.

1.20

21 Viento, oleaje y corriente Operación +X -Y.

1.20

22 Viento, oleaje y corriente Tormenta +X. 23 Viento, oleaje y corriente Tormenta +X +Y. 24 Viento, oleaje y corriente Tormenta +Y. 25 Viento, oleaje y corriente Tormenta -X +Y. 26 Viento, oleaje y corriente Tormenta -X. 27 Viento, oleaje y corriente Tormenta -X -Y. 28 Viento, oleaje y corriente Tormenta -Y.

Combinaciones de cargas

Operación +X

Operación +X +Y

Operación +Y

Operación -X +Y

Operación -X

Operación -X -Y

Operación -Y

Operación +X -Y

29 Viento, oleaje y corriente Tormenta +X -Y.

No.

38

39

40

41

42

43

44

45

Tabla 5.2 Condiciones y combinaciones de cargas (operación)

96

5. Diseño de plataforma fija tipo “jacket” por el método LRFD

No.

Factores de carga

Condiciones de cargas

1

Peso propio.

1.10

1.10

1.10

1.10

1.10

1.10

1.10

1.10

2

Carga muerta en la cubierta superior.

1.10

1.10

1.10

1.10

1.10

1.10

1.10

1.10

3

Carga muerta en la cubierta inferior.

1.10

1.10

1.10

1.10

1.10

1.10

1.10

1.10

4

Carga viva en la cubierta superior.

1.10

1.10

1.10

1.10

1.10

1.10

1.10

1.10

5

Carga viva en la cubierta inferior.

1.10

1.10

1.10

1.10

1.10

1.10

1.10

1.10

6

Carga de tuberías en la cubierta superior.

1.10

1.10

1.10

1.10

1.10

1.10

1.10

1.10

7

Carga de tuberías en la cubierta inferior.

1.10

1.10

1.10

1.10

1.10

1.10

1.10

1.10

8

Carga de equipos en la cubierta superior Operación.

9

Carga de equipos en la cubierta superior Tormenta.

1.10

1.10

1.10

1.10

1.10

1.10

1.10

1.10

1.10

1.10

1.10

1.10

1.10

1.10

1.10

1.10

1.10

1.10

1.10

1.10

1.10

1.10

1.10

1.10

10 Carga de equipos en la cubierta inferior. 11 Carga de la torre de perforación Operación posición 1. 12 Carga de la torre de perforación Operación posición 2. 13 Carga de la torre de perforación Tormenta posición 1. 14 Viento, oleaje y corriente Operación +X. 15 Viento, oleaje y corriente Operación +X +Y. 16 Viento, oleaje y corriente Operación +Y. 17 Viento, oleaje y corriente Operación -X +Y. 18 Viento, oleaje y corriente Operación -X. 19 Viento, oleaje y corriente Operación -X -Y. 20 Viento, oleaje y corriente Operación -Y. 21 Viento, oleaje y corriente Operación +X -Y. 22 Viento, oleaje y corriente Tormenta +X.

1.35

23 Viento, oleaje y corriente Tormenta +X +Y.

1.35

24 Viento, oleaje y corriente Tormenta +Y.

1.35

25 Viento, oleaje y corriente Tormenta -X +Y.

1.35

26 Viento, oleaje y corriente Tormenta -X.

1.35

27 Viento, oleaje y corriente Tormenta -X -Y.

1.35

28 Viento, oleaje y corriente Tormenta -Y.

1.35

Combinaciones de cargas

Tormenta +X +Y

Tormenta +Y

Tormenta -X +Y

Tormenta -X

Tormenta -X -Y

Tormenta -Y

Tormenta +X -Y

1.35 Tormenta +X

29 Viento, oleaje y corriente Tormenta +X -Y.

No.

46

47

48

49

50

51

52

53

Tabla 5.3 Condiciones y combinaciones de cargas (tormenta)

5.4.2 Factores de resistencia

En lo que se refiere a los factores de resistencia, los valores a considerar serán los mostrados en la Tabla 5.4. Tales valores son considerados en las especificaciones del Instituto Americano de la Construcción en Acero (AISC) y del API para elementos no tubulares y tubulares respectivamente. Esfuerzo

AISC

API

Compresión

0.85

0.85 0.95

Flexión

0.90

Cortante

0.85

0.95

Tensión

0.90

0.95

Pandeo local

0.80

Tabla 5.4 Factores de resistencia

97

5. Diseño de plataforma fija tipo “jacket” por el método LRFD

5.5 Análisis y diseño estructural Para este diseño, el análisis estructural de la plataforma prevaleció, realizando un análisis estático lineal considerando las cargas ambientales emanando de ocho direcciones (definidas por ángulos de 45°), así como los efectos hidrostáticos bajo el nivel del agua; además de la interacción suelo-pilote, modelando la no-linealidad del suelo de cimentación. El diseño estructural de la plataforma quedó determinado por la capacidad de las secciones propuestas en el diseño anterior, en este caso las relaciones de interacción en miembros y juntas resultan inadecuadas para ciertas combinaciones de cargas, afectando por consiguiente la estabilidad local y global de la plataforma. Los resultados obtenidos de este diseño son considerados como los resultados finales producto de los análisis en condiciones de pre-servicio y servicio, de manera que tales resultados serán comparados con los del diseño por esfuerzos de trabajo del capítulo anterior. 5.5.1 Superestructura

La Tabla 5.5 muestra los resultados de los elementos más esforzados con relaciones de interacción mayores a la unidad, donde el elemento más esforzado presenta una relación de interacción máxima de 1.32. Considerando que los refuerzos no fueron modelados en el programa, tales elementos cuentan con una rigidez mayor, por lo que no presentan problemas de sobreesfuerzos de acuerdo a revisiones realizadas de cada elemento. Los elementos con relaciones de interacción mayores a 1.00 se muestran en las Figuras 5.1 y 5.2 para la cubierta superior e inferior respectivamente. Cortante (kg mm)

Flexión (kg mm)

Y

Y

Z

14.60

-15.41

-0.96

1.18

13.98

-14.56

0.91

1.13

-26.56

3.65

1.14

-22.83

-0.47

1.18

-15.72

-21.47

-0.61

1.15

0.02

-13.63

-24.33

0.69

1.00

0.15

-0.07

13.45

-23.02

1.78

0.98

-0.20

1.60

-0.43

-3.33

8.00

0.91 0.96

Combinación

Axial

de cargas

(kg mm)

No.

Miembro

1

1729-1730

39

1.31

0.06

2

1670-1671

45

1.16

-0.08

3

1723-1725

50

0.30

-0.13

12.55

4

1728-1729

39

0.27

-0.02

-16.18

5

1669-1670

45

0.12

-0.02

6

1722-1723

39

0.25

7

1664-1666

36

8

1736-1737

50

Z

RI

9

1663-1664

43

0.03

0.04

-13.06

-22.44

1.03

10

1716-1719

40

0.12

0.09

11.81

-18.72

-1.47

0.86

11

1536-1558

48

-1.36

-0.03

-11.55

31.66

0.92

1.32

12

1535-1547

47

-1.54

-0.01

-9.93

28.80

0.67

1.21

13

1558-1559

48

-1.36

0.22

-15.99

-7.71

2.00

1.17

14

1646-1617

53

0.67

-0.09

-3.56

-25.65

-3.67

1.09

15

1547-1548

48

-1.55

-0.27

-14.73

-6.80

-3.43

1.08

16

1597-1603

49

-0.95

-0.08

-7.60

-24.69

-2.41

1.08

17

1591-1590

51

-0.68

-0.88

13.93

-10.43

7.54

1.02

18

1593-1602

48

0.35

-0.05

-7.93

-24.13

-1.55

1.01

Tabla 5.5 Relaciones de interacción mayores a 1.00

98

5. Diseño de plataforma fija tipo “jacket” por el método LRFD

Figura 5.1 Miembros con relaciones de interacción mayores a 1.00 (nivel +27.939 m)

Figura 5.2 Miembros con relaciones de interacción mayores a 1.00 (nivel +19.100 m)

99

5. Diseño de plataforma fija tipo “jacket” por el método LRFD

Los desplazamientos máximos observados, se muestran en la Tabla 5.6 para las elevaciones de las cubiertas y el punto de trabajo. Elevación

Combinación

(m)

de cargas

+27.939 +19.100 +7.315

dx

dy

dz

dt

(cm)

(cm)

(cm)

(cm)

1755

40.135

-38.031

-4.999

55.517

1500

37.502

-37.695

-6.523

53.571

799

30.086

-30.441

-5.784

43.189

Dirección

Junta

53

+X -Y

53

+X -Y

53

+X -Y

Tabla 5.6 Desplazamientos máximos

5.5.2 Subestructura

Los elementos más esforzados se muestran en la Tabla 5.7, de los cuales el elemento más esforzado presenta una relación de interacción máxima de 1.08. Las Figuras 5.3, 5.4 y 5.5 muestran los miembros con relaciones de interacción entre 0.80 y 1.00. No.

Miembro

Combinación

Axial

Cortante (kg mm)

Flexión (kg mm)

de cargas

(kg mm)

Y

Y

Z

RI

Z

1

822-581

49

-18.66

0.22

-0.23

-1.38

3.29

0.99

2

413-419

48

0.58

2.49

-1.71

-5.36

23.77

1.08

3

487-581

46

-15.00

0.17

-0.10

4.80

-0.60

0.95

4

493-10

51

-12.24

0.30

-0.22

0.27

3.49

0.95

5

399-499

51

-18.67

0.19

-0.19

2.38

1.92

1.02

6

493-599

50

-14.87

0.14

0.04

4.61

-0.07

0.93

7

381-481

53

-18.27

0.20

-0.19

2.41

-1.80

1.00

8

319-419

49

-17.87

0.16

0.08

2.94

-1.10

0.98

9

513-519

52

-6.98

1.54

-0.38

-7.35

-13.82

0.82

Tabla 5.7 Relaciones de interacción en miembros

Figura 5.3 Miembros con relaciones de interacción de 0.80 a 1.00 (nivel +6.096)

100

5. Diseño de plataforma fija tipo “jacket” por el método LRFD

Figura 5.4 Miembros con relaciones de interacción de 0.80 a 1.00 (marco eje A)

Figura 5.5 Miembros con relaciones de interacción de 0.80 a 1.00 (marco eje B)

101

5. Diseño de plataforma fija tipo “jacket” por el método LRFD

En lo que respecta a juntas tubulares, la junta más esforzada presenta una relación de interacción de 2.11. Las juntas más esforzadas se muestran en la Tabla 5.8. Diámetro

Espesor

(cm)

(cm)

207

133.990

3.175

213

133.990

3.175

1.62

1300

40.640

1.270

1.00

Junta

RI 1.98

181

133.990

3.175

2.11

9427

60.960

1.908

0.92

199

133.990

3.175

1.80

1303

40.640

1.270

0.96

9417

60.960

1.908

0.85

1305

40.640

1.270

0.91

1304

40.640

1.270

0.92

Tabla 5.8 Relaciones de interacción en juntas

Los desplazamientos máximos en cada nivel de arriostramiento, se presentan en la Tabla 5.9: Elevación

Combinación

(m)

de cargas

Dirección

Junta

dx

dy

dz

dt

(cm)

(cm)

(cm)

(cm)

+6.096

53

+X -Y

600

29.969

-30.067

-5.698

42.833

-6.096

53

+X -Y

481

29.139

-28.455

-5.685

41.123

-20.400

53

+X -Y

399

26.509

-26.198

-5.960

37.743

-38.400

53

+X -Y

299

-57.400

53

+X -Y

119

23.210 18.599

-22.667 -17.823

-6.010 -6.060

33.003 26.463

Tabla 5.9 Desplazamientos máximos

5.5.3 Cimentación

De acuerdo a la Tabla 5.12, el pilote más esforzado es el B-3 (junta 94) con una relación de interacción de 1.16. La profundidad de penetración requerida por los pilotes, es definida por la carga de compresión máxima, la cual se da en el pilote B-4 (junta 100), con 3,458 ton., así como la carga máxima de tensión que ocurre en el pilote A-1 (junta 2) con 1,429 ton. Las cargas máximas de compresión y tensión se muestran en las Tablas 5.10 y 5.11 respectivamente. Pilote Junta

Compresión

Diámetro

Espesor

Penetración

Capacidad

Carga max.

Condición

Factor de

(cm)

(cm)

(m)

(ton)

(ton)

de cargas

seguridad

82

121.92

6.35

110.90

-3,003

-3,119

49

0.96

100

121.92

6.35

110.90

-3,003

-3,458

47

0.87

2

121.92

6.35

110.90

-3,003

-2,978

51

1.01

20

121.92

6.35

110.90

-3,003

-3,419

53

0.88

88

121.92

6.35

98.30

-2,421

-2,683

48

0.90

94

121.92

6.35

98.30

-2,421

-2,819

48

0.86

8

121.92

6.35

98.30

-2,421

-2,477

52

0.98

14

121.92

6.35

98.30

-2,421

-2,654

52

0.91

Tabla 5.10 Capacidad de carga en pilotes (compresión)

102

5. Diseño de plataforma fija tipo “jacket” por el método LRFD

Pilote Junta

Tensión

Diámetro

Espesor

Penetración

Capacidad

Carga max.

Condición

Factor de

(cm)

(cm)

(m)

(ton)

(ton)

de cargas

seguridad

82

121.92

6.35

110.90

3,268

1,037

53

3.15

100

121.92

6.35

110.90

3,268

592

51

5.52

2

121.92

6.35

110.90

3,268

1,429

47

2.29

20

121.92

6.35

110.90

3,268

873

49

3.74

88

121.92

6.35

98.30

2,653

103

52

25.77

94

121.92

6.35

98.30

2,653

0

30

100.00

8

121.92

6.35

98.30

2,653

318

48

8.36

14

121.92

6.35

98.30

2,653

114

48

23.32

Tabla 5.11 Capacidad de carga en pilotes (tensión) Pilote Junta

Diámetro

Espesor

Penetración

(cm)

(cm)

(m)

RI

82

121.92

6.35

110.90

1.04

100

121.92

6.35

110.90

1.15

2

121.92

6.35

110.90

0.99

20

121.92

6.35

110.90

1.14

88

121.92

6.35

98.30

1.11

94

121.92

6.35

98.30

1.16

8

121.92

6.35

98.30

1.02

14

121.92

6.35

98.30

1.10

Tabla 5.12 Relaciones de interacción en pilotes

El desplazamiento máximo registrado es de 22.577 cm en el pilote B-4 (junta 100) para la combinación de cargas 53 considerando oleaje de tormenta en dirección +X -Y. Los resultados mostrados en las tablas anteriores, reportan que los pilotes muestran una capacidad de carga menor a la carga máxima aplicada. También se acentúa que el diseño final de los pilotes debe considerar las condiciones a que se verá sujeta la estructura, así como los problemas que deberán enfrentarse para la instalación de los pilotes. Esto es, el manejo mismo de los pilotes y las maniobras de hincado.

103

6

Comparación de resultados

6.1 WSD vs. LRFD Antes de realizar cualquier comparación entre los resultados obtenidos con ambos métodos, es importante analizar los aspectos primordiales en el desarrollo de este trabajo. •

El modelo para análisis y diseño estructural empleado corresponde a un diseño real, realizado bajo el criterio de diseño por esfuerzos de trabajo (WSD). El modelo empleado para el diseño por factores de carga y resistencia (LRFD), es el mismo, en el que se han modificado solamente las condiciones básicas de cargas y las combinaciones de las mismas mediante los factores de carga.

•

El diseño original de la plataforma se realizó considerando la metodología proporcionada por la Practica Recomendada para Planeación, Diseño y Construcción de Plataformas Fijas Costa Afuera – Diseño por Esfuerzos de Trabajo (API RP 2A-WSD), complementado con el empleo de los parámetros meteorológicos y oceanográficos proporcionados por la norma Diseño y Evaluación de Plataformas Marinas Fijas en la Sonda de Campeche (NRF-003-PEMEX-2000). Esto se hace debido a que los parámetros que proporciona el Instituto Americano del Petróleo (API) no son completamente aplicables para las condiciones imperantes en las Regiones Marinas del Golfo de México, que es donde se encuentran desplantadas la totalidad de las plataformas marinas mexicanas.

•

Con la finalidad de contar con una misma referencia en la comparación final de resultados que se realizó, se empleó el criterio recomendado por la Práctica Recomendada para Planeación, Diseño y Construcción de Plataformas Fijas Costa Afuera – Diseño por Factores de Carga y Resistencia (API RP 2A-LRFD).

•

La norma NRF-003-PEMEX-2000 basa su criterio de análisis de parámetros meteorológicos y oceanográficos en la confiabilidad estructural de los sistemas, abandonando el criterio donde se utilizan parámetros ambientales asociados a un periodo de retorno de 100 años, el que aún es empleado por la API RP 2A en ambas versiones (WSD y LRFD).

•

La comparación debería hacerse, estrictamente, empleando criterios similares, es decir, empleando características de viento, oleaje y corriente para un periodo de recurrencia de 100 años en la determinación de las fuerzas que se ejercen sobre la

Comparación de los métodos WSD y LRFD para el diseño de plataformas marinas fijas

plataforma tanto para el WSD, como para el criterio del LRFD. La API RP 2ALRFD fue calibrada para dar resultados similares en el diseño de plataformas fijas. Por lo anteriormente mencionado, los parámetros que se van a comparar no son del todo adecuados, pero servirán como el principio de los trabajos que continuarán y que se indican en el siguiente capítulo. 6.1.1 Fuerzas globales

Iniciaremos con la resultante de las cargas aplicadas a la estructura empleando ambos criterios, de donde obtenemos las siguientes observaciones. Dado que los métodos de diseño no tienen incidencia en la generación de las cargas (en ambos métodos se hace exactamente lo mismo), las fuerzas generadas por el viento, oleaje y corriente, son las mismas en ambos casos. La afectación resulta al realizar las combinaciones de las condiciones básicas de cargas, donde para el caso del método LRFD, las cargas deben ser afectadas por un factor de carga específico, que en el caso de las cargas ambientales para condiciones extremas (tormenta) es de 1.35. Por lo anterior, los cortantes basales obtenidos en el análisis realizado empleando el criterio del LRFD, reflejan esto al ser 1.35 mayores que los determinados empleando el método WSD, como puede observarse en la Tabla 6.1. Combinación de cargas

Dirección

Fx (ton) WSD

LRFD

LRFD/WSD

46

+X

1,993

2,691

1.35

47

+X +Y

1,610

2,174

1.35

48

+Y

49

-X +Y

-1,602

-2,163

1.35

50

-X

-1,986

-2,681

1.35

51

-X -Y

-1,604

-2,165

1.35

52

-Y

53

+X -Y

-1,595

2,153

1.35

Fy (ton)

LRFD/WSD

WSD

LRFD

1,678

2,252

1.35

2,297

3,088

1.35

1,668

2,238

1.35

-1,569

-2,131

1.35

-2,186

-2,964

1.35

-1,556

-2,114

1.35

Tabla 6.1 Fuerzas totales (cortantes basales) en la línea de lodos

6.1.2 Resistencia de elementos estructurales

Para el caso de la superestructura, se reportan algunos elementos con relaciones de interacción mayores a los permisibles empleando el método WSD. Todos los elementos indican problemas de flexión, aunque los más afectados fallan por esfuerzo cortante. Los valores reportados en ambos análisis fueron revisados a detalle, observando un incremento en los niveles de empleo de la capacidad de carga de los elementos cuando se revisan utilizando el criterio del LRFD sobre los mismos que cuando se usa el método WSD. Esta diferencia es especialmente apreciable en la revisión de las juntas tubulares en la subestructura.

106

6. Comparación de resultados

En el diseño de la cimentación, aparecen de nuevo diferencias importantes, indicando para todos los casos analizados bajo el criterio del LRFD que los pilotes reportan una falta de penetración en todas las situaciones reportadas en el presente documento. Las relaciones de interacción de esfuerzos reportan valores mayores a los máximos permitidos, por lo que las secciones propuestas en el análisis por esfuerzos de trabajo, resultan insuficientes cuándo se emplea el método LRFD. Al comparar desplazamientos, de nuevo se resalta el hecho de que las fuerzas empleadas en el análisis con el método LRFD, considera un incremento en las cargas de entrada que se están reflejando en los datos de salida. Si se requiere emplear resultados de desplazamientos en alguna parte del análisis estructural, éstos deben basarse en análisis realizados removiendo los factores de carga empleados.

107

7

Conclusiones

Las principales conclusiones obtenidas durante el desarrollo del presente trabajo se anotan enseguida, algunas son del tipo general y otras particularizando sobre el tema tratado. •

La oportunidad prestada para el desarrollo del presente trabajo es una excelente oportunidad para aprender, permitiendo asimilar experiencias adquiridas a través de los años por expertos en la materia, incursionando en temas novedosos aún para los especialistas en el ramo.

•

El presente trabajo representa la incursión a un tema que debe ser abordado a corto plazo por los especialistas mexicanos que se dedican al diseño de plataformas marinas, por lo que el contenido de este trabajo fue cuidadosamente tratado en un intento de proporcionar información adecuada para quienes lo consulten.

•

El método de diseño por factores de carga y resistencia (LRFD) representa una alternativa muy atractiva, ya que asigna factores específicos para los diferentes tipos de cargas en función de la probabilidad de ocurrencia de las mismas. Los factores de resistencia asignados a cada uno de los elementos que componen los sistemas estructurales, llevan incluidos la experiencia de muchos años de especialistas en el tema, así como la experimentación en laboratorios y la recopilación de información real sobre el comportamiento de miembros aislados y sistemas estructurales completos. Por lo tanto, el método LRFD representa la mejor manera de modelar los problemas estructurales de acuerdo al estado del arte en esta especialidad.

•

Las recomendaciones proporcionadas por la Práctica Recomendada para Planeación, Diseño y Construcción de Plataformas Fijas Costa Afuera – Diseño por Esfuerzos de Trabajo (API RP 2A-WSD), consideran una filosofía de diseño que ya ha sido abandonada en nuestro país y que actualmente pocos países siguen en lo referente a los criterios meteorológicos y oceanográficos que se manejan. En México, desde 1995 el Instituto Mexicano del Petróleo (IMP) generó sus propios criterios para la generación de parámetros meteorológicos y oceanográficos, los cuales han sido utilizados exitosamente en el diseño de las plataformas desplantadas en territorio nacional desde entonces.

•

La API RP 2A-WSD y la Práctica Recomendada para Planeación, Diseño y Construcción de Plataformas Fijas Costa Afuera – Diseño por Factores de Carga y Resistencia (API RP 2A-LRFD), basan la generación de cargas ambientales sobre las estructuras en emplear para todas ellas; viento, oleaje, corriente y parámetros

Comparación de los métodos WSD y LRFD para el diseño de plataformas marinas fijas

asociados para un periodo de recurrencia de 100 años. Los factores de carga recomendados por la API RP 2A-LRFD fueron calibrados para proporcionar valores similares a los obtenidos utilizando el método WSD hasta ahora empleado. Este último método es manejado por el Instituto Americano del Petróleo (API) como un método alterno de diseño estructural de plataformas fijas. •

La norma Diseño y Evaluación de Plataformas Marinas Fijas en la Sonda de Campeche (NRF-003-PEMEX-2000) proporciona para cada estructura parámetros oceanográficos y meteorológicos que dependen de la probabilidad de falla de la estructura y de la importancia de ésta en términos de pérdidas económicas (para la empresa y para la nación), pérdida de vidas humanas, así como posibles daños al medio ambiente. En esta norma se han incorporado la experiencia de personal operativo de Petróleos Mexicanos (Pemex), la de los especialistas de alto nivel del IMP, así como la de la comunidad internacional, al hacer intervenir en su generación a personal de reconocido prestigio nacional e internacional.

•

En el presente trabajo se han aplicado las recomendaciones proporcionadas por la API RP 2A-WSD, combinadas con la norma Diseño y Evaluación de Plataformas Marinas Fijas en la Sonda de Campeche (NRF-003-PEMEX-2000) para el diseño de la plataforma empleando el método de diseño por esfuerzos de trabajo. En la revisión de este diseño por el método LRFD se utilizó las recomendaciones proporcionadas por la API RP 2A-LRFD, combinadas con el empleo de los parámetros meteorológicos y oceanográficos contenidos en la norma NRF-003PEMEX-2000.

•

A nivel de resistencia en miembros, se observa en general un aumento en los niveles de esfuerzos a los que se ven sometidos la mayoría de los elementos. Esto hace que varias de las secciones que se encontraban adecuadamente diseñadas por esfuerzos de trabajo, ahora resultaran insuficientes para resistir los efectos generados por las fuerzas aplicadas. Se revisaron los elementos cuya capacidad de carga resultó excedida, encontrando varias vigas principales con problemas de capacidad de carga por cortante, lo que fue reportado utilizando ambos métodos. Lo anterior se debió en gran parte, a la magnitud de las cargas factorizadas aplicadas, así como a los factores de seguridad empleados en ambos métodos.

•

Las juntas reportan también el mismo problema, ya que varias de ellas diseñadas por el método WSD reportan un comportamiento aceptable, mientras que cuando se revisan por el método LRFD, resultan insuficientes para soportar los efectos inducidos.

•

En lo que respecta a la cimentación (pilotes), su comportamiento es similar, al reportar capacidades de carga por debajo de la carga máxima inducida. Esto ocurre tanto para capacidad de carga como elemento estructural, como por el efecto de penetración en el suelo marino.

110

7. Conclusiones

•

Los desplazamientos obtenidos son un reflejo directo de la amplificación de cargas realizada en el segundo método, inducidos por los factores de carga aplicados.

•

Las relaciones entre los efectos de las cargas aplicadas y la resistencia tanto de miembros como juntas estructurales analizadas al amparo del método de diseño por factores de carga y resistencia son mayores en alrededor de un 20 a 26% que los obtenidos empleando el método de diseño por esfuerzos de trabajo.

•

Lo anterior llevaría a un diseño menos económico, ya que obligaría a emplear secciones más robustas para absorber los efectos de las cargas generadas.

•

La conclusión más importante indica que los factores de carga empleados no son adecuados, ya que consideran filosofías de diseño diferentes.

•

Deben generarse factores de carga consistentes con los criterios de análisis meteorológicos y oceanográficos empleados, los que utilizados en conjunto con las teorías modernas de diseño por factores de carga y resistencia, deben llevar a diseños similares a los manejados por el método de diseño por esfuerzos de trabajo, pero con márgenes de seguridad más reales.

El presente trabajo identifica la necesidad de desarrollar trabajos de investigación adicionales para modificar la norma NRF-003-PEMEX-2000, preparando la llegada de la norma Industrias del Petróleo y Gas Natural – Estructuras Fijas de Acero Costa Afuera (ISO 19902), introduciendo el método LRFD, y proporcionando valores particulares para los factores de carga compatibles con la filosofía de generación de cargas ambientales. La norma noruega Diseño de Estructuras de Acero Costa Afuera, General (Método LRFD) (DNV-OS-C101) para diseño de plataformas fijas en el Mar del Norte, emplea una filosofía similar a la mexicana, habiendo adoptado el método de diseño por factores de carga y resistencia. Los factores de carga utilizados son menores que los recomendados en la API RP 2A-LRFD, por lo que esperamos contar con valores similares cuando se adapte nuestra norma NRF-003-PEMEX-2000 a los requerimientos internacionales de la industria.

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0

Referencias

Albaugh E. Kurt, Production Solutions for Deepwater and Ultra-Deepwater Field Development, Technical Article, USA, Mustang Engineering, 2000. Ben C. Gerwick Jr., Construction of Marine and Offshore Structures, 2nd ed., USA, CRC Press LLC, 2000. Cole Geoff, Ernestina Annalisa, Ronney John, Alternative Design Philosophies for Achieving Target Safety Levels in Fixed Offshore Structures, OMAE 37275, México, 2003. Davis Sue, ASD vs. LRFD, Structural Engineer Magazine, no. 9, USA, Mercor Media Inc., 2000. Enríquez Alejandro, Modificaciones Estructurales para Incrementar la Producción en Plataformas Marinas de Perforación Existentes, s/n ed., México, Instituto Politécnico Nacional, 1997. Galambos T. V., Lin F. J., Johnston B. G., Diseño Básico de Estructuras de Acero, 3ª ed., México, Prentice Hall, 1988. Galambos Theodore V., Diseño de Estructuras de Acero con LRFD, 1ª ed., México, Pearson, 1999. Gde Pradnyana, Adang Surahman and Sekita Dasbi, Review on the Regional Annex of ISO-13819 Standard for Planning, Designing, and Constructing Fixed Offshore Plataforms in Indonesia, Proceedings of the Sixth AEESEAP Triennial Conference, 2000. Geschwindner Louis F., Lanz Cynthia J., Standards: Next Generation, Modern Steel Construction Magazine, no. 2, USA, AISC, 2003. Graff William J., Introduction to Offshore Structures: Design, Fabrication, Installation, 1st ed., USA, Gulf Publishing Company, 1981. Haug Tom, ∅rbeck-Nilssen Knut, New Standards and Services for Design of Offshore Structures, OTC 11890, USA, 2000.

McCormac Jack C., Diseño de Estructuras de Acero Método LRFD, 2ª ed., México, AlfaOmega, 2002. McCormac Jack C., Diseño de Estructuras Metálicas Método ASD, 4ª ed., México, AlfaOmega, 1999. Morales José Luis, Ortega Reyes Andrés, Plataformas Marinas Mínimas Fijas de Acero en la Sonda de Campeche, s/n ed., México, Instituto Politécnico Nacional, 1999. Muñoz Leos Raúl, Presentación del Proyecto Integral Chicontepec y del Programa de Construcción de Plataformas Marinas, Discurso, México, Petróleos Mexicanos, 2003. Segui William T., Diseño de Estructuras de Acero Método LRFD, 2ª ed., México, Thomson Learning, 2000. Skaug Lew, Minimal Facilities Aid Gulf of Mexico Developments, Technical Article, USA, Mustang Engineering, 2002. Smith J. C., Structural Steel Design LRFD Approach, 2nd ed., USA, John Wiley and Sons Inc., 1996. AISC-LRFD, Manual of Steel Construction – Load and Resistance Factor Design, 2nd ed., American Institute of Steel Construction, 1994. AISC-WSD, Manual of Steel Construction – Working Stress Design, 9th ed., American Institute of Steel Construction, 1989. API RP 2A-LRFD, Recommended Practice for Planning, Designing and Constructing Fixed Offshore Platforms – Load Resistance and Factor Design, 1st ed., American Petroleum Institute, 1993. API RP 2A-WSD, Recommended Practice for Planning, Designing and Constructing Fixed Offshore Platforms – Working Stress Design, 20th ed., American Petroleum Institute, 1993. DNV-OS-C101, Design of Offshore Steel Structures, General (LRFD Method), 1st ed., Det Norske Veritas, 2000. IMCA-DEP, Manual de Construcción en Acero – Diseño por Esfuerzos Permisibles, 3ª ed., Instituto Mexicano de la Construcción en Acero, 2001. ISO/CD 19902, Petroleum and Natural Gas Industries – Fixed Steel Offshore Structures, 1st ed., International Standards Organization, 2001. NRF-003-PEMEX-2000, Diseño y Evaluación de Plataformas Marinas Fijas en la Sonda de Campeche, Rev. 0, Petróleos Mexicanos, 2000. 114

A

Plataformas marinas

A.1 Introducción La continua búsqueda de hidrocarburos hizo que la industria petrolera incursionara en el ambiente marino para explotar yacimientos subyacentes al suelo oceánico. La explotación de hidrocarburos responde directamente a la creciente demanda de energía, por lo cual es necesario contar con la infraestructura necesaria para explorar y explotar esos yacimientos por medio de pozos costa afuera. La infraestructura requerida para estas actividades hace necesaria la utilización de tecnología de punta en cada una de las etapas de su desarrollo, que comienza con la selección de las zonas potenciales y evaluación de las cuencas durante la exploración; y termina con la construcción y operación de instalaciones industriales, que controlan las operaciones para obtener la máxima recuperación económica de un yacimiento, durante la explotación. Los sistemas estructurales de explotación llamados plataformas marinas, son estructuras que soportan equipos e instalaciones indispensables para llevar a cabo la exploración, extracción, procesamiento, almacenamiento y/o transportación de hidrocarburos que se localizan bajo el mar. En la clasificación de estas estructuras un factor predominante es el tirante que tienen que vencer en el mar, lo que hace que las plataformas marinas sean diferentes en cuanto a dimensiones y composición de sus elementos.

A.2 Clasificación de plataformas marinas El descubrimiento de campos a distintas profundidades alrededor del mundo, ha ocasionado que muchas compañías propongan un número de soluciones, muchas de ellas son viables, ya que han sido probadas y continúan en proceso de innovación. Decidir cual es la mejor no resulta del todo fácil, se espera que en los próximos años la larga lista de soluciones se reduzca rápidamente y por consiguiente el proceso de selección resulte menos laborioso. Con el actual número de soluciones para la explotación de hidrocarburos, sería complicado asignar una categoría a cada una. En general, cada una tiene ventajas y desventajas que deben entenderse para reducir la lista de opciones relacionadas con el desarrollo de un campo costa afuera. Los méritos de cada concepto se enfocan alrededor de características como profundidad de explotación, capacidad de perforación, características de movimiento, métodos de instalación, tiempo de fabricación, etc. Además de esto, la

Comparación de los métodos WSD y LRFD para el diseño de plataformas marinas fijas

selección de un sistema estructural también sigue criterios de acuerdo a la ubicación geográfica considerando aspectos políticos y económicos, que pueden ser determinantes. Esta abundancia de soluciones disponibles hace que el proceso de entender las ventajas y desventajas de cada concepto para seleccionar la mejor opción en el desarrollo de un campo resulte abrumador y confuso. Algunos operadores han simplificado el proceso de selección solamente eligiendo conceptos probados para reducir al mínimo el riesgo del proyecto. Otros operadores pasan por un proceso de selección riguroso identificando las posibles soluciones, repasándolas, analizándolas y alineándolas en base al sistema de criterios del proyecto y de la compañía. Cada sistema estructural queda comprendido de tres componentes estructurales principales: la superestructura, que es la porción de la plataforma que sobresale del agua y soporta los equipos e instalaciones, la cual puede dividirse en cierto número de niveles y áreas dependiendo de los servicios que vaya a ofrecer; la subestructura, es el segmento que se ubica del nivel del agua al lecho marino, este componente es el que difiere en cada uno de los sistemas estructurales existentes, la función principal de la subestructura es la de transferir las cargas laterales a la cimentación debido a los efectos generados por el oleaje y corriente, los cuales a mayor profundidad son más severos; y la cimentación que comúnmente es a de base de pilotes, los cuales transmiten las cargas verticales y laterales al suelo marino. Los siguientes sistemas estructurales representan de forma global las soluciones utilizadas hasta el momento para la explotación de hidrocarburos a diversas profundidades. • • • • • • • • • • •

Plataforma fija. Torre flexible. Estructura de concreto por gravedad. Plataforma auto-elevable. Plataforma mínima. Plataforma de piernas tensionadas. Mini plataforma de piernas tensionadas. Sistema flotante de producción. Spar. Sistema flotante de producción y almacenamiento. Sistema submarino.

Es común que se utilicen una o más de estas estructuras en combinación para el desarrollo de un campo, dependiendo de la magnitud y profundidad de los yacimientos. Cada sistema estructural se define a continuación.

116

A. Plataformas marinas

A.2.1

Plataforma fija

La plataforma fija es una estructura anclada por un conjunto de pilotes de acero al suelo marino, que ayudan a fijar y estabilizar la subestructura que proporciona la rigidez requerida ante las cargas laterales. Los pilotes pueden alojarse dentro de las columnas de la subestructura formando un sistema de camisa (“jacket”), de manera que éstos transmitan las cargas al terreno y soporten a la superestructura. Otra modalidad es donde la subestructura soporta directamente a la superestructura y los pilotes se encuentran instalados perimetralmente sobre las piernas de la misma, este sistema es conocido como pilotes faldones (“skirt piles”). Esta tecnología es muy conocida y es la de mayor uso en campos de explotación costa afuera que se encuentran en tirantes de poca profundidad, generalmente hasta 200 m, aunque puede operar

Figura A.1 Plataforma fija

eficientemente en tirantes mayores. A.2.2

Torre flexible

El concepto de torre flexible, es producto de una constante innovación a través de tres configuraciones: La primera torre es una estructura que por medio de cables o tirantes ubicados en la parte superior y que se anclan al suelo marino, consigue flexibilidad y estabilidad ante las cargas laterales provocadas por el ambiente, aunque no es una estructura flotante se instalaron tanques de flotación para darle mayor sustentación. Posteriormente una segunda generación fue introducida a finales de los 80’s, donde una mayor flexibilidad y estabilidad se confiaba a la cimentación por medio de pilotes. Actualmente esta estructura se encuentra en su tercera generación, para esta configuración la torre se mantiene en posición vertical sin el uso de alguna estructura adicional. Se sujeta al suelo marino por un conjunto de pilotes y su flexibilidad es proporcionada por un mecanismo de inflexión cerca de su base, así como del uso de tubos amortiguadores que actúan como resortes para soportar los movimientos en la parte superior de la plataforma.

Figura A.2 Torre flexible

La torre flexible es una alternativa técnicamente factible para explotar campos en tirantes de hasta 700 m de profundidad.

117

Comparación de los métodos WSD y LRFD para el diseño de plataformas marinas fijas

A.2.3

Estructura de concreto por gravedad

También llamada estructura asentada por gravedad, debido a que es colocada en el suelo marino y mediante su peso propio es capaz de soportar las fuerzas ambientales, aunque algunas veces es necesario estabilizarla por medio de pilotes. La subestructura está formada por una base y columnas de concreto que se extienden desde el lecho marino hasta emerger sobre la superficie del agua para dar soporte a la superestructura. Algunas veces la base es diseñada como pilas o cajas de concreto que son utilizadas como tanques de almacenamiento. Siendo así el objetivo principal de estas estructuras, el proveer instalaciones de almacenamiento para los hidrocarburos cuando no se dispone o no es posible instalar ductos de transportación hacia la costa. Este concepto ha sido probado a profundidades de más de 300 m. Es posible alcanzar mayores profundidades, pero es recomendable hacerlo en tirantes menores, ya que a mayor profundidad la cantidad de concreto se incrementaría considerablemente y por consiguiente el costo. A.2.4

Figura A.3 Estructura de concreto por gravedad

Plataforma auto-elevable

Esta plataforma móvil consta generalmente de una cubierta de forma triangular apoyada sobre tres columnas, las cuales pasan a través de ella con el fin de hacerlas ascender o descender. Tiene la capacidad de desplazarse por medio de autopropulsión o por medio de remolcadores de un sitio a otro.

Figura A.4 Plataforma auto-elevable

Las columnas que soportan la cubierta, comúnmente son de sección triangular hechas de armaduras, y en su parte inferior cuentan con un sistema de zapatas aisladas para apoyarse en el suelo marino. Existen varias versiones de esta plataforma en las cuales se emplean más de tres columnas, las cuales pueden ser de sección tubular, con un sistema de cimentación similar a una losa de concreto. La superestructura soporta los equipos necesarios para lograr sus objetivos principales que son la perforación y reparación de pozos en campos de exploración o explotación, también cuenta con un módulo

habitacional y helipuerto.

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A. Plataformas marinas

El uso de esta estructura ha sido limitado por el tirante de agua y las condiciones ambientales, ya que la estabilidad de una plataforma auto-elevable depende de la longitud de las columnas, dimensiones de la cubierta y el peso de la misma. Estudios sobre esta estructura han demostrado que tiene mayor rentabilidad cuando puede efectuar operaciones en tirantes no mayores a los 120 m de profundidad. A.2.5

Plataforma mínima

La plataforma mínima es una alternativa factible para desarrollar campos pequeños de producción. En general la subestructura se conforma de marcos o armaduras tridimensionales de acero, y una cimentación a base de pilotes. En la actualidad se han identificado una gran variedad de diseños sobre este tipo de estructura, las compañías han tratado por muchos años estandarizar el uso de esta estructura, esto con el fin de proporcionar cierto número de soluciones y así tener un uso repetitivo de este concepto que se refleja en costos de ingeniería. Debido a que esta estructura es proyectada para desarrollar campos de corta duración, es diseñada para que ésta sea recuperable y así reutilizarla en una nueva Figura A.5 Plataforma mínima localización. La gran variedad de opciones también ha dado un amplio rango de tirantes para su aplicación, donde es posible alcanzar hasta los 300 m de profundidad. A.2.6

Plataforma de piernas tensionadas

Es una estructura flotante fabricada de acero, y que algunas veces puede ser también de concreto. Esta se mantiene en posición vertical por medio de tendones tensionados que pueden ser tubos o cables de acero que se conectan a plantillas de pilotes anclados al suelo marino.

Figura A.6 Plataforma de piernas tensionadas

La configuración estructural de esta plataforma, generalmente consta de cuatro columnas cilíndricas interconectadas por cuatro flotadores de sección transversal rectangular (pontones). La adecuada flotación de la plataforma se logra mediante equipos de bombeo y sistemas de control de lastre que se encuentran instalados en las

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Comparación de los métodos WSD y LRFD para el diseño de plataformas marinas fijas

columnas, esto con el objetivo de proporcionar la tensión adecuada a cada tendón que sostiene la plataforma. Estudios sobre este concepto recomiendan que su aplicación no rebase los 1,500 m, ya que a mayor profundidad el peso y la tensión en los tendones se incrementarían drásticamente, demandando mayor flotabilidad de la estructura. A.2.7

Mini plataforma de piernas tensionadas

Es una estructura similar a la plataforma de piernas tensionadas, tiene el mismo comportamiento, pero de menores dimensiones y de costo relativamente bajo. La única diferencia es su configuración estructural, ya que está formada por una sola columna cilíndrica sobre la cual se colocan las cubiertas que alojan los equipos e instalaciones, y en la parte inferior se encuentran conectados tres flotadores distribuidos de forma equidistante en la periferia de la columna. El origen y aplicación de la mini plataforma de piernas tensionadas, se debe a la necesidad de desarrollar campos profundos de corta duración, ya que con otros sistemas sería poco rentable su explotación. Esto se logra gracias a su diseño escalable que facilita su reubicación e instalación en diferentes tirantes de agua. Los autores de este concepto han elaborado estudios donde se ha determinado un tirante de aplicación para esta estructura, de hasta 2,700 m de profundidad. A.2.8

Figura A.7 Mini plataforma de piernas tensionadas

Sistema flotante de producción

Este sistema flotante consiste en una plataforma semisumergible, su configuración estructural es similar a una plataforma de piernas tensionadas, solo que ésta cuenta con cuatro o más columnas, así como refuerzos transversales entre los flotadores que mejoran la sustentación de la plataforma ante las cargas ambientales.

Figura A.8 Sistema flotante de producción

Se establece en el lugar por medio de anclas y cadenas que se extienden de forma radial para conectarse a pilotes de anclaje distribuidos uniformemente en el suelo marino, o bien puede posicionarse dinámicamente por medio de propulsores rotatorios si las condiciones

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A. Plataformas marinas

ambientales son adecuadas. Cuenta con tanques de lastre en la base de las columnas y en los flotadores con el objetivo de sumergir la plataforma y darle mayor estabilidad durante las operaciones de perforación. Su aplicación se debe a la necesidad de desarrollar campos aislados que carecen de una infraestructura de ductos, y que además se encuentran en zonas con condiciones ambientales severas. La aplicación de este sistema estructural se ha propuesto hasta profundidades de más de 1,800 m. A.2.9

Spar

Este sistema flotante, básicamente consiste en un cilindro vertical de gran diámetro sobre el cual se apoya la superestructura, esta diseñada para alojar instalaciones de perforación y producción, y cuando es requerido cuenta con instalaciones de almacenamiento. Figura A.9 Spar

Se mantiene fija en el sitio de operación mediante un sistema de unión formado por un conjunto de líneas flexibles de cable y cadena, que se conectan alrededor de la columna cilíndrica para desplegarse en forma radial hacia los pilotes anclados en el suelo marino. La parte superior del cilindro consiste en compartimientos herméticos llenos de aire, diseñados para soportar la presión hidrostática y darle flotación a la plataforma; la parte inferior cuenta con tanques que se llenan de agua para proporcionar el lastre y así estabilizar la estructura. La aplicación de este sistema estructural ha sido proyectada en tirantes mayores a los 2,000 m de profundidad. A.2.10

Sistema flotante de producción y almacenamiento

Como su nombre sugiere, este sistema no permanece fijo al suelo marino, pero es diseñado para permanecer anclado o estacionado por largos periodos de tiempo. Es un barco cisterna integrado por instalaciones de procesamiento, almacenamiento, equipo de descarga y envío de producción. El propósito de un sistema flotante de producción y almacenamiento es recibir los hidrocarburos desde sistemas submarinos o de plataformas adyacentes por medio de tuberías y sistemas de Figura A.10 Sistema flotante de producción y almacenamiento

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Comparación de los métodos WSD y LRFD para el diseño de plataformas marinas fijas

ductos ascendentes. Dependiendo de las funciones del sistema, puede también procesar los hidrocarburos, para posteriormente almacenar el crudo o gas en compartimientos en el mismo barco, o bien enviarlo periódicamente a una embarcación de transporte. Este sistema puede operar en tirantes de más de 1,800 m de profundidad. El sistema flotante de producción y almacenamiento es el sistema de producción con más movilidad de todos los conceptos conocidos. A.2.11

Sistema submarino

Un sistema submarino consta de terminales de pozo sobre el suelo marino, técnicamente conocidos como cabezales de pozo, sobre los cuales se instalan los árboles submarinos de producción. Los árboles se encargan de controlar el flujo proveniente de los pozos, y enviarlo por medio de ductos de acero llamados líneas de flujo hacia un sistema de recolección conocido como “manifold”.

Figura A.11 Sistema submarino

A partir de este colector general, se envía la producción hacia las instalaciones de procesamiento de las plataformas, o bien a embarcaciones de almacenamiento a través de ductos ascendentes o líneas flexibles, los cuales están soportados por flotadores bajo el nivel del agua para minimizar su peso y la tensión que ejercen en las plataformas marinas. La operación y control de todo el complejo submarino se realiza desde la superficie del mar mediante líneas de control que se extienden de la superficie hacia las instalaciones submarinas, con el objetivo de accionar los mecanismos de operación como la apertura y cierre de válvulas, mediante señales eléctricas, hidráulicas o electro-hidráulicas. Estos sistemas de producción son usados actualmente en profundidades mayores a los 2,000 m.

A.3 Clasificación de plataformas fijas en las Regiones Marinas del Golfo de México El diseño de plataformas fijas en México y otras partes del mundo presenta una variación muy notoria, ya que en las Regiones Marinas, existe una categorización de plataformas que depende directamente del servicio que ofrecen, el volumen de producción manejado y las consecuencias de falla. Así, podemos encontrar complejos de producción donde se desarrollan distintas funciones en diferentes estructuras, a diferencia del diseño de plataformas fijas en otros países donde lo común es encontrar plataformas que desarrollan distintos servicios en una misma estructura.

122

A. Plataformas marinas

Figura A.12 Plataformas fijas en las Regiones Marinas

Las plataformas fijas tipo “jacket” son el sistema estructural usado para soportar las complejas instalaciones industriales para el desarrollo de un complejo de producción. Dentro de estos complejos podemos encontrar las siguientes plataformas de acuerdo al servicio que ofrecen: • • • • • • • • • • A.3.1

Plataforma de perforación. Plataforma de producción. Plataforma de enlace. Plataforma de compresión. Plataforma de rebombeo. Plataforma de inyección. Plataforma habitacional. Plataforma de telecomunicaciones. Plataforma de apoyo intermedio. Plataforma para quemador. Plataforma de perforación

Es utilizada para la perforación de pozos y la extracción de crudo de los yacimientos marinos, el producto es regulado y enviado a plataformas de producción, compresión o enlace. La plataforma se diseña para perforar hasta doce pozos, y se han adecuado posteriormente para la perforación de hasta nueve pozos más. La superestructura generalmente cuenta con dos cubiertas, la superior aloja los equipos de perforación, grúas para maniobras de descarga, módulo habitacional, helipuerto y una zona de almacenamiento de insumos para mantener por varios días las operaciones de perforación, en caso de interrumpirse el abastecimiento regular por mal tiempo u otra causa; y en la cubierta inferior se tienen los equipos de producción en los que se da un

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Comparación de los métodos WSD y LRFD para el diseño de plataformas marinas fijas

tratamiento preliminar al crudo para después enviarlo a otras plataformas. Las cubiertas generalmente son soportadas por una subestructura octápoda.

Figura A.13 Plataforma de perforación

A.3.2

Plataforma de producción

Su función es la de separar el crudo recién extraído, conformado por la mezcla de petróleo, gas, agua y sedimentos, la separación se hace por medio de equipo e instalaciones que dan un tratamiento preliminar al crudo para después transportar el petróleo o el gas, quemar el gas, o bien reinyectar el agua y sedimentos al suelo marino. Generalmente, esta plataforma consta de una superestructura de dos cubiertas, soportadas por una subestructura octápoda.

Figura A.14 Plataforma de producción

A.3.3

Plataforma de enlace

Como su nombre lo indica, esta plataforma tiene la función de enlazar a las diferentes plataformas, ya sean de perforación o producción. Ésta recibe el crudo de la plataforma de perforación por medio de ductos y lo envía por el mismo medio a la plataforma de 124

A. Plataformas marinas

producción para el tratamiento de separación, y posteriormente se transporta el producto a terminales en tierra. Comúnmente la superestructura se diseña con una sola cubierta soportada por un octápodo.

Figura A.15 Plataforma de enlace

A.3.4

Plataforma de compresión

Su función es la de presurizar el gas por medio de equipo de compresión, el gas proviene de la plataforma de producción y se envía posteriormente a las terminales en tierra a través de gasoductos submarinos. Esta plataforma es diseñada con dos cubiertas soportadas por una subestructura octápoda.

Figura A.16 Plataforma de compresión

A.3.5

Plataforma de rebombeo

Esta plataforma se encarga de impulsar el crudo por medio de turbo-bombas a través de los oleoductos y gasoductos submarinos que llegan a la terminal de destino en tierra. Cuenta con dos cubiertas soportadas por un octápodo.

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Comparación de los métodos WSD y LRFD para el diseño de plataformas marinas fijas

Figura A.17 Plataforma de rebombeo

A.3.6

Plataforma de inyección

Esta plataforma tiene la función de perforar pozos para inyectar agua presurizada a los estratos productores de crudo, donde la producción ha ido declinando y así incrementar el rendimiento de otros pozos. Consta de dos cubiertas y una capacidad de perforación prácticamente idéntica a la plataforma de perforación, por lo que el diseño de la superestructura y subestructura son conformados por dos cubiertas y un octápodo respectivamente.

Figura A.18 Plataforma de inyección

A.3.7

Plataforma habitacional

Esta estructura tiene la única función de soportar módulos de vivienda, con diferentes capacidades. Se encuentra instalada dentro de los complejos productores y es diseñada para contar con dos cubiertas soportadas por una subestructura octápoda, aunque también existen apoyadas sobre tetrápodos.

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A. Plataformas marinas

Figura A.19 Plataforma habitacional

A.3.8

Plataforma de telecomunicaciones

Tiene como función soportar la torre y los módulos de telecomunicaciones, módulo de radares, y en algunos casos módulo habitacional y helipuerto. Estas estructuras comúnmente cuentan con una cubierta soportada por un trípode, aunque existen también casos donde se usan tetrápodos.

Figura A.20 Plataforma de telecomunicaciones

A.3.9

Plataforma de apoyo intermedio

Cuando los claros a librar con puentes son muy grandes, es necesario contar con un apoyo intermedio, siendo así la única función de esta plataforma que sólo cuenta con una cubierta

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Comparación de los métodos WSD y LRFD para el diseño de plataformas marinas fijas

a una elevación que depende de las que tengan las plataformas que se van a comunicar. La cubierta esta soportada por un trípode y en casos poco comunes por un tetrápodo.

Figura A.21 Plataforma de apoyo intermedio

A.3.10

Plataforma para quemador

Esta estructura es diseñada para soportar el puente de interconexión que conduce una línea hacia el quemador, una torre para quemador y el mismo quemador que se encarga de eliminar el gas excedente que no puede ser aprovechado, producto de la separación de éste con el crudo. Se diseñan con una sola cubierta soportada por un trípode.

Figura A.22 Plataforma para quemador

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