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1er. Simposio Anlisis, diseo, evaluacin, inspeccin ymantenimiento de plataformas marinas. Aspectos relevantes"
Anlisis de hincabilidad de pilotes deplataformas marinas fijas
Ing. Prcoro Barrera NaborInstituto Mexicano del Petrleo
Ing. Federico Jacobo GordilloGerencia de Ingeniea y Construccin, SCSM, PEP
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18 de octubre de 2010
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Qd=Qso+ Qa+ (QsiQpi)
Qd Capacidad de carga acompresin
Qso Resistencia externa delfuste
Qa Capacidad de carga
anularQsiResistencia interna del
fuste
QpiCapacidad del reainterna en la punta
Superestructura
Subestructura
Pilotes
N. M.
M.
Lecho Marino
Muerta
EquipoViva
VientoOleaje
Corriente
Cargas:MuertaEquipoViva
Diseo de pilotes en condicin de operacin
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Cargas:
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LONGITUD DE PENETRACIN DELPILOTE
Para definir la longitud de penetracin, setoma en cuenta la presencia de estratosarenosos, con la finalidad de que durantela interrupcin del hincado, la punta nocoincida con los estratos de arena,evitando con ello el posible congelamientodel suelo, que tenga como consecuencia elrechazo al hincado.
Diseo de pilotes en condicin deoperacin
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Diseo de pilotes en condicin de servicio
DISTRIBUCIN DE ESPESORESPOR MOMENTO DE FLEXIN
Los momentos de flexin se
distribuyen a lo largo del pilote
segn las condiciones de
empotramiento
Lnea de lodos
Vto.
Oleaje
Corriente
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Punto de Trabajo
Sobre la lnea de lodos se
tendr un ligero incremento
de la carga por el peso
propio del pilote
Bajo la lnea de lodos se
tendr una disminucin de la
carga por la friccin del suelo
ESFUERZOS CARGA VERTICAL
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Seccionamiento del pilote
El seccionamiento del pilote tomar encuenta la estratigrafa del sitio. Sebuscar que durante la interrupcindel hincado del pilote la punta no
coincida con un estrato de arena
Diseo de pilotes en condicin de operacin
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Diseo de pilotes en condicinpor hincado
La distribucin de los
espesores a lo largo delpilote debe tomar encuenta la posibilidad desubhincado y sobrehincado. La longituddepender de laincertidumbre que setenga respecto a laestratigrafa. APIrecomienda 20 pieshacia arriba y hacia
abajo
Lnea de lodos
Vto.
Oleaje
Corriente
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Diseo de pilotes por elpeso del martillo durantesu colocacin
La distribucin de los
espesores a lo largo delpilote por condicionesde operacin, podrmodificarse segn lalongitud del tramo depilote y el peso delequipo de hincado.
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Propagacin de la onda de esfuerzos en barras de seccin uniforme
Teora del hincado de lospilotes
En los casos donde lacapacidad de carga del suelosea muy alta se genera unaonda de esfuerzos acompresin en la punta delpilote, la cual regresa hacia lacabeza del pilote, haciendoque los esfuerzos sesobrepongan.
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Propagacin de la onda de esfuerzos en barras de seccin uniforme
Cuando la resistencia al
hincado en la punta de lospilotes es muy baja, entoncesse genera una onda deesfuerzos de tensin quetiende a acelerar la penetracinde la punta del pilote. En casos
de hincado de pilotes deconcreto, se deber tomarprecauciones para evitardaos al pilote por hincado.
Teora del hincado de lospilotes
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Modelo de anlisis de
hincadoEl sistema martillo-pilote-suelose modela de la siguientemanera:El martillo por su masa
golpeadora, y un cojineteamortiguador de esfuerzos;la rigidez del pilote por resortesaxiales; el suelo por elementoselsticos y viscosos (resortes yamortiguadores), incluyendo
sensitividad. Para cada uno deellos se asignan suspropiedades elsticas y deamortiguamiento como sedescribe a continuacin
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5
6
7
.
.
n-1
n
2
1
3
4
MASA GOLPEADORA
COJINETE
ADAPTADOR
PILOTE
PILOTE REAL
CAPACIDAD
POR PUNTA
2
1
3
4
5
6
7
.
.CAPACIDADPOR FRICCION
n-1
n
PILOTE IDEALIZADO
Discretizacin del martillo, pilote y suelo
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CONSTANTES PARA COJINETES DE MARTILLOS DE
VAPOR
Material Mdulo deelasticidad
(ksi)
Coeficientede restitucin
Micarta 450 0.80
Madera de roble con la carga
perpendicular a la veta
45 0.50
Madera de abeto con la cargaperpendicular a la veta
35 0.40
Madera de pino con la carga
perpendicular a la veta
25 0.30
Discos de micarta de 1" de
espesor alternados con discos
de aluminio de 1/2" de espesor
700 0.80
Discos de asbesto de 3/8" deespesor alternados con placas
de acero de 1/4" de espesor
65 0.50
Cables de acero enrollados de
1" de dim., alternados con
placas de acero de 3/8" de
espesor
330 0.80
Cojinete amortiguador deesfuerzos.La funcin del cojinete es
actuar como elemento
amortiguador de esfuerzos,
tanto, en el pilote como en el
martillo, un excesivo
amortiguamiento tiende a
reducir la energa transmitida
al pilote.
El mejor cojinete ser aquel
que proporcione el ms alto
coeficiente de restitucin y la
menor constante de rigidez.
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R
D C
B
DEFORMACION
ENERGIA DE SALIDA
ENERGIA DE ENTRADAe=
AREA BCD
AREA ABCe=
e=
e=
COEFICIENTE DE RESTITUCION
R= FUERZA APLICADA
A
Evaluacin del coeficiente de restitucin
Coeficiente derestitucin.En la figura se representa
el significado fsico
idealizado del coeficiente
de restitucin del cojinete.
La lnea AB indica la ramade carga y la BD la
descarga, en los
materiales elsticos
ambas curvas coinciden,
en cambio en los muy
deformables la rama dedescarga coincide con la
lnea BC
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Tipo desuelo
Coeficiente deamortiguamiento por
friccin, Cd(seg/pie)
Coeficiente deamortiguamiento en la
punta, Cd,(seg/pie)
coeficiente dedeformacin elstica,
Q(pulg)
ARCILLA 0.100 0.300 0.100ARENA 0.040 0.100 0.100LIMO 0.040 0.100 0.100
CONSTANTES ELSTICAS Y DINAMICAS DEL SUELO
Para determinar los parmetros geotcnicos del suelo a utilizar
en el modelo Pilote-Martillo-Suelo se tomaron los registros dehincado de diferentes instalaciones en distintos sitios de laSonda de Campeche
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R
u
So
S(t)
u(t)
Q
Donde:
So, Resistencia mxima al hincado del pilote
Q, Deformacin del suelo antes de la fluencia
S(t), Resistencia del suelo en cualquier tiempo
despus del hincado
U(t),Deformacin del suelo en el tiempo t.
Modelo de Kelvin para simular el comportamiento del
suelo
Mximadeformacin
El martillo que seautilizado deber sercapaz de vencer la
resistencia elsticadel suelo, en casocontrario, no selograr movilizar alpilote y solo seconseguir daarloen la cabeza.
Curva ideal
Curva real
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0 20 40 60 80 100 12020
40
60
80
100
Tiempo en horas
%R
ec
uperacindelaresistenciadelsuelo
Recuperacin de la resistencia del suelosegn pruebas de laboratorio
Sensitivad del suelo(Laboratorio)
De las pruebas de laboratorio y de
observaciones de campo se hanpodido comprobar que el suelorecupera aproximadamente el 60%de su resistencia ltima en untiempo de 8 horas posteriores alremoldeo
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1er. Simposio Anlisis, diseo, evaluacin, inspeccin ymantenimiento de plataformas marinas. Aspectos relevantes"
Fig. 7, Tixotropa del suelo, segn las observaciones de campo
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 150
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
Tiempo (Horas)
%R
ecup
eracindelaResistencia
delsuelo(Tixotropa)De observaciones
de campo sedetermin que elsuelo recupera delorden del 60% desu resistencia
ltima en un tiempode 8 horas despusdel hincado de lospilotes. 8 horas esel tiempo promediopara realizar lasoldadura entreuna seccin depilote con la otra.
Sensitividad del suelo (Observaciones de campo)
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Rigidez axial de lospilotes
Para facilitar el hincado de
los pilotes es convenienteproporcionar la mayor reaposible a la pared, en lugarde utilizar aceros de altaresistencia, en la figura seobserva que el incrementode la rigidez axial favorecela hincabilidad de lospilotes.
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Esfuerzos en el pilote porhincado
Los esfuerzos generados por elimpacto de un martillo generalmente
no rebasan las consideraciones deservicio o maniobras de instalacin.Sin embargo, es conveniente utilizaraceros de mayor resistencia en lacabeza del pilote y en la zapata dehincado, para tomar en cuenta la
falta de alineamiento del martillo osuelos de alta compacidad (gravas yboleos).
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Equipos de hincado
Los martilloshidrulicos son maseficientes y mas ligerosque los martillos devapor, debido a que todala energa generada porel martillo es transmitidaal pilote, no requieren
de cojinetesamortiguadores deesfuerzos.
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Conclusiones y recomendaciones:
5. En el diseo de los pilotes para plataformas marinas en Mxico es
deseable considerar el equipo mas apropiado, tal como los martillos
hidrulicos, sin embargo no se deben descartar los martillos de vapor.
debido a que durante esa etapa no se conoce an que contratista
realizar la instalacin.
6. La utilizacin de los martillos hidrulicos favorece el diseo, debido a que
se pueden utilizar menor numero de tramos de pilote, puesto que se
puede manejar tramos mas largos por el menor peso del martillo.
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FIN DE LA PRESENTACIONSe agradece su atencin