ANÁLISIS DE JUNTAS TUBULARES CON ELEMENTOS …CONEXIONES CON ALTOS NIVELES DE ESFUERZOS Con base en...
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ANÁLISIS DE JUNTAS TUBULARES
CON ELEMENTOS FINITOS SUBESTRUCTURA
Carlos CORTÉS SALAS1 y Oswaldo SÁNCHEZ RUBIO1
1 Instituto Mexicano del Petróleo, Eje Lázaro Cárdenas No. 152, Apto. Postal 14-805, 07730 México, D. F., TEL: 9175-8663, Fax. 9175-8665; e-mail: [email protected]
GENERALIDADES Antecedentes.Obje-vodelanálisisdejuntastubularesconelementosfinitosAlcance.Descripción.
MODELO DE INSTALACIÓN CONEXIONES CON ALTOS NIVELES DE ESFUERZOS
MODELO DE JUNTAS PARA ANÁLISIS CON ELEMENTOS FINITOS ModeloyMateriales
Cargasyrestricciones RESULTADOS DE LOS ANÁLISIS ResultadosdelaJunta801ResultadosdelaJunta513
CONCLUSIONES
Antecedentes Como parte del proceso de diseño de una plataforma, se realizaron los análisis en sitio; operación, tormenta, sismo, fatiga y los análisis de la ingeniería de instalación: carga, transportación, lanzamiento, posicionamiento vertical e instalación de la subestructura encontrandose juntas tubulares con altos niveles de esfuerzos, en las diferentes etapas de la ingeniería de instalación. Por lo anterior, se identificaron las conexiones críticas en la etapa que rige la revisión y se seleccionaron las más representativas para realizar los análisis detallados con elementos finitos.
Objetivo del análisis de juntas tubulares con elementos finitos
Verificar la integridad de las juntas de la subestructura de la plataforma, con altos niveles de esfuerzos detectados en los análisis de instalación, esto en base a la distribución de esfuerzos y deformaciones de los canutos y en caso necesario integrar elementos de reforzamiento.
Alcance Incluye la modelación de las conexiones con altos niveles de esfuerzos, determinación del sistema de solicitaciones obtenido de la condición crítica de los análisis de instalación (carga, transportación, lanzamiento), análisis detallado con elementos finitos, interpretación de resultados y elaboración de conclusiones y/o recomendaciones.
Descripción
La subestructura está estructurada con ocho columnas de acero estructural dispuestas en cuatro marcos transversales y dos longitudinales. Cuenta con una estructura adosada al eje B entre los ejes 2 y 3, instalada desde patio, las columnas de esquina de los ejes 1 y 4, presentan doble pendiente, mientas que las columnas de los ejes 2 y 3 tienen pendiente simple. Los diámetros y espesores de las columnas son: 1651Øx44.45mm (65”Øx1.750”), entre las elevaciones +6.096M y la -8.500M. Entre las elevaciones -25.500M, -43.500M, -62.500M y -82.00M se tienen diámetros y espesores de 1651Øx19.05mm (65”Øx0.750”) a 1651Øx22.23mm (65”Øx0.875”).
Descripción (cont.)
El sobre-espesor de pierna en juntas tubulares, conocido como “canuto” (“joint can”), entre elevaciones -25.500M a -82.25M, son: 1651Øx38.1mm (65”Øx1.50). Se incluyeron elementos de arriostramiento para formar marcos longitudinales y transversales, a través de elementos tubulares con diámetros y espesores que varían de 610Øx25.4mm (24”Øx1.0”) a 762Øx25.4mm (30”Øx1.0”). Se cuenta con seis plantas de arriostramiento horizontal, localizadas en las elevaciones +6.096M, -8.500M, -25.500M, -43.500M, -62.500M, -82.00M.
MODELO DE INSTALACIÓN En la siguiente figura se muestra el modelo de la subestructura de la plataforma, utilizada para la elaboración de la ingeniería de instalación.
CONEXIONES CON ALTOS NIVELES DE ESFUERZOS
Con base en los resultados de los análisis de instalación de la subestructura, se identificaron conexiones tubulares con altos niveles de esfuerzos, superiores a los permisibles, como se muestra en la tabla . REVISIONDEJUNTASCONRI>1.00
JUNTA CARGA TRANSPORTACION LANZAMIENTOPENETRACION(PUNCHINGSHEAR)
802 1.012 ------- -------
907 ------- 1.441 -------
913 ------- 1.435 -------
107 ------- 1.046 -------
113 ------- 1.046 -------
COLAPSOGLOBAL
107 4.331 1.754 1.218
113 4.283 1.825 -------
307 2.467 1.896 1.122
313 1.834 2.044 -------
401 1.282 1.482 4.040
402 ------- 1.587 3.710
REVISIONDEJUNTASCONRI>1.00JUNTA CARGA TRANSPORTACION LANZAMIENTO
COLAPSOGLOBAL507 2.026 2.230 1.726
513 3.281 2.399 1.375
593 ------- 1.039 -------
601 ------- ------- 2.418
602 ------- ------- 2.244
707 3.980 2.104 1.753
713 3.794 2.319 1.587
801 5.120 1.037 2.881
802 5.046 1.054 2.737
907 2.986 1.655 1.496
913 2.832 1.684 1.446
5619 1.129 1.363 -------
5629 1.129 1.292 -------
8147 ------- 1.173 -------
8148 ------- 1.145 -------
MODELO DE JUNTAS PARA ANÁLISIS CON ELEMENTOS FINITOS Con la finalidad de conocer los niveles de esfuerzos detallados en las conexiones tubulares de la plataforma, se elaboró un modelo de elementos finitos que en forma general muestra la pierna principal, el canuto, los elementos secundarios que convergen en ella y la silleta en la que se apoya la pierna.
1
junta 801
AREAS
REAL NUM
1 2
2
3
4
5
Modelo y Materiales
En la figura se observa el modelo general de elementos finitos utilizado para realizar la revisión de las juntas, este esta formado por elementos “Shell93” de 8 nodos y fue modelado en el programa Ansys Ver. 10.
1
junta 801
ELEMENTS
REAL NUM
Los materiales considerados son acero API 2H grado 50Z con esfuerzo de fluencia fy = 3515.0 Kg/cm² para el cuerpo principal del canuto y acero A-36 con fy = 2530.0 Kg/cm² para el resto del modelo, ambos con un modulo de elasticidad E = 2,1000,000.0 Kg/cm².
El comportamiento de ambos materiales fue considerado como perfectamente elástico, es decir no se modela la parte de la curva correspondiente a la plastificación del material.
Cargas y restricciones
Se considera que el modelo se encuentra restringido en la dirección Z, por el apoyo que le proporciona la base de la silleta, y del mismo modo en la dirección Y pero solo en los extremos laterales de la silleta, simulando el efecto de las placas guía que se encuentran en la barcaza.
Las cargas fueron obtenidas de las corridas estructurales hechas a la
subestructura en condiciones de carga, transportación y lanzamiento; así mismo únicamente se modelaron las cargas axiales, esto es por que estas son las que provocan principalmente el efecto del colapso del canuto mientras que los momentos solo producen giro, mas no cargas.
Las cargas y las propiedades de cada uno de los elementos se irán
mostrando en una tabla individual a lo largo de las diferentes juntas a analizar.
RESULTADOS DE LOS ANÁLISIS
A continuación se muestran los resultados de los análisis hechos a las diferentes juntas mostradas en la tabla 1. Los valores de los resultados son el esfuerzo combinado Von Mises y su valor se encuentra en Kg/cm², los valores de las deformaciones se encuentran en centímetros.
Se generó un análisis estructural de tipo elástico, con las características
del modelo, cargas y restricciones mostradas anteriormente, el cual arrojó los resultados que se presentan a continuación.
Resultados de la Junta 801
La junta 801 tiene una interacción máxima de 5.120 en la condición 4 de la etapa de carga, se obtuvieron las propiedades geométricas de sus ramales así como sus elementos mecánicos (carga axial) del modelo y corrida estructural del programa SACS los cuales son mostrados en la siguiente tabla.
JOINT
MEMBER GRP
LOADCASE
DISTFROMENDM
FORCEFXMT
MOMENTMY
MT-CM
MOMENTMZ
MT-CM
8011401-801 24E 4 8.47 -407.50 -349.70 -27.00
801-907 LLA 4 0.00 -143.40 -28,209.80 1,953.20
707-801 LLB 4 9.09 -211.80 -27,055.50 1,953.10
1
junta 801
AREAS
REAL NUM
1
junta 801
AREAS
REAL NUM
1
junta 801
AREAS
REAL NUM
En la figura se muestra el modelo general de la junta 801, en este se nota que solo cuenta 1 ramal.
1
MN
MX
Maloob-C Junta 801
0330.613
661.226991.839
13221653
19842314
26452976
NODAL SOLUTION
STEP=1SUB =6TIME=1SEQV (AVG)DMX =.370588SMX =2976
1
MX
Maloob-C Junta 801
0330.613
661.226991.839
13221653
19842314
26452976
NODAL SOLUTION
STEP=1SUB =6TIME=1SEQV (AVG)DMX =.370588SMX =2976
Esfuerzos resultantes (Kg/cm²) en la superficie del modelo.
Después de aplicar las cargas y realizar la corrida estructural se obtuvieron los resultados. En la figura se observan los esfuerzos resultantes en la superficie del modelo.
1
MN
MX
Maloob-C Junta 801
29.468280.512
531.556782.6
10341285
15361787
20382289
NODAL SOLUTION
STEP=1SUB =6TIME=1SEQV (AVG)DMX =.367708SMN =29.468SMX =2289
1
MN
MX
Maloob-C Junta 801
.00243.043016
.083603.124189
.164776.205362
.245949.286535
.327122.367708
NODAL SOLUTION
STEP=1SUB =6TIME=1USUM (AVG)RSYS=0DMX =.367708SMN =.00243SMX =.367708
Deformaciones Esfuerzos
Los valores de los esfuerzos alcanzan niveles que no superan el esfuerzo de fluencia del material como lo es el caso del canuto que contienen un esfuerzo máximo en su superficie de 2289 Kg/cm² y siendo de acero especial su fy = 3151 Kg/cm² esto significa que el esfuerzo resultante no supera el esfuerzo de fluencia del material.
CANUTO
Los valores de los esfuerzos alcanzan niveles que superan el esfuerzo de fluencia del material de 2976 Kg/cm² y su fy = 2530 Kg/cm², por lo que podría esperarse plastificación del material y deformaciones permanentes. Pero debido a que las deformaciones son muy pequeñas 0.37 cm no afectaran el comportamiento global de la junta.
1
MNMX
Maloob-C Junta 801
45.58371.128
696.6771022
13481673
19992324
26502976
NODAL SOLUTION
STEP=1SUB =6TIME=1SEQV (AVG)DMX =.370588SMN =45.58SMX =2976
1
MN
MX
Maloob-C Junta 801
.333998.338063
.342129.346195
.35026.354326
.358391.362457
.366522.370588
NODAL SOLUTION
STEP=1SUB =6TIME=1USUM (AVG)RSYS=0DMX =.370588SMN =.333998SMX =.370588
Deformaciones Esfuerzos RAMAL
1
MN
MX
Maloob-C Junta 801
2.535282.416
562.298842.18
11221402
16821962
22422521
NODAL SOLUTION
STEP=1SUB =6TIME=1SEQV (AVG)DMX =.334243SMN =2.535SMX =2521
1
MN
MX
Maloob-C Junta 801
.002968.039776
.076584.113393
.150201.18701
.223818.260626
.297435.334243
NODAL SOLUTION
STEP=1SUB =6TIME=1USUM (AVG)RSYS=0DMX =.334243SMN =.002968SMX =.334243
Los valores de los esfuerzos alcanzan niveles que no superan el esfuerzo de fluencia del material con un esfuerzo máximo en su superficie de 2521 Kg/cm² y siendo de su fy = 2530 Kg/cm² esto significa que el esfuerzo resultante no supera el esfuerzo de fluencia del material.
Deformaciones Esfuerzos AROS ATIEZADORES
Resultados de la Junta 513
La junta 513 tiene una interacción máxima de 2.399 en la condición 4 de la etapa de transportación, se obtuvieron las propiedades geométricas de sus ramales así como sus elementos mecánicos (carga axial) del modelo y corrida estructural del programa SACS los cuales son mostrados en la tabla 6.
JOINT MEMBER GRP LOAD CASE
DIST FROM END
M
FORCE FX MT
MOMENT MY
MT-CM
MOMENT MZ
MT-CM
513
402- 513 LL4 4 9.57 -3.30 -24,671.80 58.50
602- 513 L41 4 9.54 -161.80 -21,147.20 -65.90
A26G- 513 24Z 4 8.45 -102.40 -774.70 164.50
507- 513 24A 4 10.54 -43.40 -412.50 2.10
319- 513 30A 4 25.85 -10.60 -3,615.90 -47.40
513- 719 30B 4 0.00 -5.40 -3,085.00 52.90
513- 9 26M 4 0.00 -17.40 -1,391.70 -75.50
513- 10 26A 4 0.00 -50.90 -1,323.40 31.20
1945- 513 30H 4 12.38 -311.60 -1,460.00 447.50
513-1406 3PP 4 0.00 -85.70 -1,563.30 -350.70
U27N- 513 18Q 4 7.87 -51.30 -562.80 -161.20
513-A26Y 30V 4 0.00 -379.20 -2,435.40 541.60
En la figura se muestra el modelo general de la junta 513, en este se nota que cuenta 10 ramales y 2 seguros marinos.
Esfuerzos resultantes (Kg/cm²) en la superficie del modelo.
Después de aplicar las cargas y realizar la corrida estructural se obtuvieron los resultados. En la figura se observan los esfuerzos resultantes en la superficie del modelo.
Deformaciones Esfuerzos CANUTO
1
MN
MX
Maloob-C Junta 513
6.02169.239
332.458495.677
658.896822.115
985.3341149
13121475
NODAL SOLUTION
STEP=1SUB =6TIME=1SEQV (AVG)DMX =.251785SMN =6.02SMX =1475
1
MN
MX
Maloob-C Junta 513
.00138.029203
.057026.084849
.112671.140494
.168317.196139
.223962.251785
NODAL SOLUTION
STEP=1SUB =6TIME=1USUM (AVG)RSYS=0DMX =.251785SMN =.00138SMX =.251785
Los valores de los esfuerzos alcanzan niveles que no superan el esfuerzo de fluencia del material como lo es el caso del ramal que contienen un esfuerzo máximo en su superficie de 1475 Kg/cm² y siendo de acero especial su fy = 3151 Kg/cm² esto significa que el esfuerzo resultante no supera el esfuerzo de fluencia del material.
Deformaciones Esfuerzos RAMALES
1
MNMX
Maloob-C Junta 513
2.644217.654
432.664647.674
862.6841078
12931508
17231938
NODAL SOLUTION
STEP=1SUB =6TIME=1SEQV (AVG)DMX =.426846SMN =2.644SMX =1938
1
MN
MX
Maloob-C Junta 513
.010001.056317
.102633.148949
.195265.241582
.287898.334214
.38053.426846
NODAL SOLUTION
STEP=1SUB =6TIME=1USUM (AVG)RSYS=0DMX =.426846SMN =.010001SMX =.426846
Los valores de los esfuerzos alcanzan niveles altos sin superar el esfuerzo de fluencia del material como lo es el caso del ramal que contienen un esfuerzo máximo en su superficie de 1938 Kg/cm² y su fy = 2530 Kg/cm².
Deformaciones Esfuerzos AROS ATIEZADORES
1
MN
MX
Maloob-C Junta 513
8.391193.511
378.63563.75
748.87933.989
11191304
14891674
NODAL SOLUTION
STEP=1SUB =6TIME=1SEQV (AVG)DMX =.232824SMN =8.391SMX =1674
1
MN
MX
Maloob-C Junta 513
.001497.0272
.052903.078606
.104309.130012
.155715.181418
.207121.232824
NODAL SOLUTION
STEP=1SUB =6TIME=1USUM (AVG)RSYS=0DMX =.232824SMN =.001497SMX =.232824
Los valores de los esfuerzos alcanzan niveles altos sin superar el esfuerzo de fluencia del material como lo es el caso del ramal que contienen un esfuerzo máximo en su superficie de 1674 Kg/cm² y su fy = 2530 Kg/cm².
CONCLUSIONES
Se analizaron las juntas tubulares de la subestructura de una plataforma, que en los análisis de instalación, carga, transportación y lanzamiento,
reportaron los más altos niveles de esfuerzos, por cortante de penetración y/o por colapso global.
Como el Método del elemento finito es una herramienta que permite
localizar con precisión las zonas de concentración de esfuerzos, y los esfuerzos resultantes que muestra son una combinación de todos los actuantes en ese punto, se plantea la opción de llevar los esfuerzos
hasta el fy para aprovechar mejor la capacidad del material.
CONCLUSIONES
Las juntas tubulares, identificadas con los más altos niveles de esfuerzos, se aislaron y se analizaron por medio del programa ANSYS de
Elemento Finito, dando como resultado la aparición de zonas de concentración de esfuerzos en la superficie del ramal que superan el esfuerzo de fluencia del material, adentrándose en la zona plástica.
Por lo anterior, la carga de la subestructura a la barcaza, la
transportación y el lanzamiento pueden llevarse a cabo sin que se presenten esfuerzos mayores a los permisibles o deformaciones
permanentes en la subestructura.