ANÁLISIS Y DISEÑO DE ESTRUCTURAS
COSTA AFUERA
Análisis y Diseño Offshore
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MotivaciónEsta exposición es realizada en recuerdo de un amigo,
Agustín Juan Ferrante (1938-2009). Ph. D. en el
Massachusetts Institute of Technology (MIT). Tuvo una
larga carrera académica en Brasil. También contribuyó
en el área de análisis estructural avanzado en ingeniería
offshore de Petrobras. Realizó un amplio trabajo de
análisis estructural en varias aplicaciones en el mar del
norte. Publicó numerosos trabajos sobre su especialidad
tanto en el MIT, como en Brasil y Argentina.
¿Por que traer a la memoria el tema de offshore en Chile?
Con más de 4.000 kilómetros de costa, los recursos que ésta nos puede dar en diversas
áreas nos debe hacer pensar en como aprovecharla. La tecnología, recursos y
herramientas de análisis modernas nos acercan las posibilidades aprovechar las riquezas
que esta extensa frontera nos ofrece.
Esta presentación no pretende ser una clase de offshore, solo mostrar herramientas que
están disponibles para el uso y aplicación en diversas áreas.
Algunos tipos clásicos de estructuras offshore
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… Y algunos tipos No tan clásicos
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… Y vanguardia
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El problema general es un torbellino
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Análisis y Diseño Offshore
Nuestra parte del vortice
Análisis y Diseño Offshore
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¿Cómo abordamos el problema?
El diseño estructural es extraido del Modelo de “Diseño Mecánico” de la Planta
El diseño Offsore, ya difícil debido a las acciones
hidrodinámicas y la respuesta dinámica que produce la
estructura, tiene la complicación de la separación de la
modelo estructural y el modelo 3D de diseño mecánico
de las plantas creado una congestión de datos, “cuello
de botella” típico de proyecto industriales
Actualización del modelo Offshore con los datos obtenidos de la ingeniería
Propiedades
Estructural
X
Y
Z
SmartPlant 3D
Diseño
Marino y Offshore
Diseño de plantas
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Offshore, Analisis y Diseño
SoluciónIntegración del modelos de diseño inteligente y
modelo estructural, en este caso postularémos
Intergraph Smart™ 3D (BIM de plantas industrials)
Modelo estructural
Análsis FEM
Diseño de elementos y
chequeo según códigos
Offshore, Análisis
y Diseño
Modelo de Análisis
Manejo de “Data” estructural
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Offshore: Análisis y Diseño
Una solución de dos “aristas”
1. El enfoque con “Herramientas” de análisis general de
elementos finitos
2. El enfoque con “Herramientas” de análisis costa afuera
X Y
Z
X Y
Z
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Offshore, Solución Análisis y Diseño
El enfoque de análisis general de elementos finitos
Smart 3D
Marine
Modelo estructural de ingeniería
(CIS/2 – 1D barras)
Offshore Datos de carga
Modelo estructural de ingeniería
(CIS/2 – Modificación de tamaño de barras)
● Resumen de los Componentes de las Operaciones y solución
● Análisis de las características de cargas en proyectos
Offshore
● Análisis Estructural y Diseño para Características Offshore
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Offshore, Solución Análisis y Diseño
1. El enfoque de análisis costa afuera
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Solver estructural
Análisis de Fatiga
Chequeo según códigos
Interaction Pila-Suelo
Analysis
Dinámico
Cargas ambientales en
estructuras Offshore
Masa añadida y
masa de inundamiento
Modal Data
Resultados
Análisis Dinámico
Actualización datos
de elementos estructurales
Datos de
Cargas marinas
Estrategia para el análisis y diseño Offshore, un enfoque
Resumen de los Componentes de la solución y
Operaciones necesarias
Smart 3D
Marine
Solver estructural
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Cuerpo fijo en un flujo oscilatorio
En un flujo oscilatorio con la velocidad de flujo u(t) y un cilindro
circular de diámetro D, la ecuación de Morison da la fuerza
paralela en línea a la dirección de flujo:
es la fuerza total de la línea del objeto,
es la aceleración del flujo, es decir, la derivada temporal
de la velocidad de flujo
es el coeficiente de inercia, y el coeficiente de masa
añadida,
Además de la fuerza de línea, hay también fuerzas oscilatorias de elevación perpendiculares a la dirección de flujo, debido a la formación de remolinos. Estos no están cubiertos por la ecuación de Morison, que es sólo para las fuerzas en línea.
Los coeficientes de fuerza CM y CD se encuentran para ser dependiente del número
de Reynolds, Re, Keulegan Carpenter, KC, y el parámetro β, a saber:
donde um= velocidad máxima de las partículas de agua a lo largo de la ola. Se
encuentra que para KC<10, las fuerzas de inercia dominan progresivamente ; de
10<KC<20 los componentes, tanto de la inercia y de la fuerza de arrastre son
significativos y para KC>20, la fuerza de arrastre domina progresivamente.
Como regla general, se puede afirmar que CM disminuye a medida que aumenta deCD, y viceversa, y que ambos valores se encuentran generalmente en el rango de 0,8a 2,0. El coeficiente de fuerza de arrastre también se ve influida por la rugosidad enel cilindro.
KC KC
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Still Water (aguas quietas)
Airy, Linear
Stokes, hasta Quinto Orden
Velocity Potential (Dean, Fenton)
Stream Function (corriente)
Solitary (Ola Solitaria)
Random Linear (Análisis espectral)
Multiple (Superposition Lineal)
Especificado por el usuario (Tabular Kinematics)
Cargas Ambientales Marinas – Modelos de Oleaje
Datos de la Ola
Altura
Periodo
Dirección de viaje
Profundidad del Agua
Número de repeticiones
Offshore, Cargas y Análisis
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Airy, Linear
Stokes (hasta quinto orden)
Offshore, Cargas y Análisis
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Velocity Potential (Dean, Fenton)
Solitary (Ola Solitaria)
Stream Function (corriente)
Random Linear (Análisis espectral)
Offshore, Cargas y Análisis
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Random Linear (Análisis espectral)
Offshore, Cargas y Análisis
Ejemplo: Espectro de Pierson y Moskowitz (1964):
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Stream Function – Corrientes marinas
● Velocidad definida por el usuario vs profundidad de agua y Dirección
● Stretch/Shrink, (estira/encoge) Modelos de continuidad en crestas y depresiones
Viento
● Velocidad vs Altura y Dirección
● ABS Model
Análisis Integrado, Superposición de: Ola, Viento, Corriente;
Cargas Ambientales Marinas – Modelos de Correientes Marinas y Viento
Offshore, Cargas y Análisis
Características de Analisis
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Parámetros para modelado de cargas ambientales:
● Agua, viento, Comportamiento de Inercia (dinámica), (opción On / Off)
● Flotabilidad o empuje boyante, (opción On / Off)
● Inundamiento de componentes, (opción On / Off)
● Distribución de cargas – Concentradas en nudos o Distribuidas en la barra
● Coeficientes de arrastre para agua y viento
- Constante
- Variable c/r: Diametro barra, profundidad, N°Reynolds – N° Keulegan-Carpenter
● Masa
● Propiedades Geometricas – Area, Volumen, Diametro Efectivo,
Espesor de pared, Crecimiento Marino
Offshore, Cargas y Análisis
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Ola / Viento / Corriente – Análisis para ambiente marino
● Estructura compuesta por elementos esbeltos
● Estructuras Rígidas o Flexibles
● Estructuras Fijas o Flotantes
● Fondeo, Efectos de Anclajes
● Comportamiento Dinámico Transiente y Estacionario
● Efectos Inerciales Interacción Fluido-Estructura
Análisis
3D RIGID POSITION PLOT-WAVID= AT TIME= 4.100
Offshore, Cargas y Análisis
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Simulacion de Lanzamiento
● Transiente – Remolque incremental, deslizamiento, Lastre, Entrada de Agua
Offshore, Cargas y Análisis
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Simulacion de Lanzamiento
● Efectos del agua y viento
● Efectos de atirantamiento
● Efectos Barcaza - fricción, aplastamiento
● Efectos de Inercia
Offshore, Cargas y Análisis
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Análisis de verticalización
● Transiente, Comportamiento de cuerpo Rígido
● Estabilidad incremental
● Cargas de flotabilidad con inundaciones miembros
● Cargas de elevación de la grúa
Análisis de la cinemática de la ola separada
Cálculo de la carga de inercia translacional y rotacional
Cálculo de la masa virtual e inundado para el análisis
dinámico
Funciones Análisis
X
Y
Z
IND LOAD 16150063
361.4
422.3o
o
422.3
514.3
o
o
322.9
361.4o
o
301.6
322.9
o
o
294.8
301.6
o
o
7.6440E+04
o
Cálculo de cargas
● Corte Basal máximo debido a cargas de oleaje
● Momento Volcante máximo debido a cargas de oleaje
● Cargas espectrales máximas de oleaje en cualquier punto.
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WAVE LOAD ANALYSIS FOR SIMPLE FIXED JACKET -- 20-FT. WAVE
3D RIGID POSITION PLOT-WAVID= AT TIME= -2.000
Ejemplos de Resultados Gráficos
Paso de la Ola
Time History – Aceleraciones de apoyo
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Análisis de Fatiga
Datos de carga Incluida Data de la Ola
Clasificación de la unión
● Geometría K, Y, X
● Dependencia de las cargas Parcial K, Y
● Automático
● Definido por el Usuario
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Análisis de Fatiga
Factores de concentración de tensiones
● Efthymiou, Kwang, Smedley
● Definido por el Usuario
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Análisis de Fatiga
Métodos de análisis de fatiga
● Deterministas - Ondas discretas reales
● Discreto - Altura de ola Basado en distribución de probabilidad Rayleigh
● Espectro densidad de Potencia (PSD) - Pierson-Moskowitz, JONSWAP
● Definido por el usuario
● Modelo de Daños - Palmgren-Miner
ni :número de ciclos acumuladospara una tension dada Si
Nti :número total de ciclospara una tension dada Si
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Análisis de Fatiga
Text Results Reports
● Fatigue Life and Damage
By Joint
By Member
By Stress Point
By Wave and Direction (Deterministic)
● Fatigue Stresses
● Composite Stress Excedances
● Stress Transfer Functions
Graphical Results Reports
● Composite Stress Excedances
● Stress Transfer Functions
Transfer Function X-Y Plot
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Normativa para Diseño de elementos
Codigos de Diseño “Modernos”
● ISO 19902:2007(E)
● API RP2A, 21st Edition
● API RP2A, 20th Edition
● API RP2A LRFD
Estos códigos son aplicables a:
tensiones, Punzonamiento (punching shear) y
Colapso hidrostático
Codigos de Diseño “Legales”
● API RP2A, 15th Edition
Allowable Working Stresses for
Pipe Shapes
● API RP2A, 17th Edition
Hydrostatic Collapse Only
● API RP2A, 8th Edition
Hydrostatic Collapse Only
● NS 3472E (Norwegian Standard)
Ultimate Stress Checks for
Pipe and I Shapes
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Analysis de Interacción Pila-Estructura
Análisis Interaction Full Pila-
Estructura en la Interfaz
● Análisis no lineal iterativo
● Tratamiento de la
superestructura por Super-
elementos
● Converge sobre
Desplazamiento y giro
● Compatibilidad de la interfaz
● Diferencias Finitas en la
respuesta de la Pila
Análisis de características
especiales de las Pilas de
fundación
XY
Z
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Caracteristicas de la Pila
● Pipe, Sección General, Sección variable
● Comportamiento Elastico Axial y Torsional
● Effects P-∆
● Momento Bi-Axial Elástico o Inelástico
Análisis de interacción Pila-Estructura
Características del Suelo
● No linealidad Uniforme o Variable del suelo en profundidad
- Resistencia Lateral P-Y Curves
- Resistancia Axial Q-U Curves
- Torsional T-Z Curves
● Capacidad Última del Suelo en Profundidad
Análisis y Diseño Offshore
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ConclusiónSegún Agustín: “Ya conocemos los bueyes con los
que aramos…ahora a trabajar”
Hoy existen herramientas computacionales que permiten análisis rigurosos, en un tiempo
reducido, y que permiten cada día más integración entre las especialidades. Todo esto
permite facilitar las modificaciones, reducir tiempos de trabajo así como limitar errores
“humanos”.
¡GRACIAS!
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GTSTRUDL Offshore Analysis and Design Solution
Ship Hull Equipment Support Component
55,003 Joints, 56,000 Elements
329,994 DOFs
The General Finite Element Analysis Approach
GT64M Lanczos Eigenvalue Analysis Statistics
============================================
Number of dynamic degrees-of-freedom = 329994
Number of modes requested = 500
Eigenvalue tolerance = 1.00000E-06
Number of terms in skyline = 92238036
Rank of mass matrix = = 329994
Number of Lanczos vectors computed = 1002
Time to decompose the stiffness matrix 9.53 seconds
Time to compute 1002 Lanczos vectors 671.20 seconds
Time to compute 500 eigenvectors 475.32 seconds
Total time to solve eigenproblem 1156.13 seconds
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