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FACULTAD DE INGENIERA

ESCUELA DE INGENIERA CIVIL

EFECTO DE CARGAS ACCIDENTALES DEBIDOA LA COLISION DE BARCOS EN PLATAFORMAS

METALICAS COSTA AFUERA FIJAS.

REALIZADO POR Jimnez Valerio, Maurizio D.

Torres Garca, Carlos E.

PROFESOR GUA Noriega Horrillo, Jos Antonio

FECHA Caracas, Octubre de 2.013

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IIEFECTO DE CARGAS ACCIDENTALES DEBIDO A LA COLISION DE BARCOS

EN PLATAFORMAS METALICAS COSTA AFUERA FIJA.

AGRADECIMIENTOS

A nuestro tutor el Ingeniero Jos Antonio Noriega, por facilitarnos todas las

herramientas necesarias para poder desarrollar este trabajo especial de grado de formaadecuada y por la constante orientacin brindada durante la realizacin del mismo.

A Nouel Ingenieros Consultores S.A, por brindarnos herramientas necesarias para la realizacin del trabajo y facilitarnos sus instalaciones cuando fue necesario.

Al Ingeniero Maximiliano Barreto, por los aportes realizados e indicacionesdadas durante el desarrollo del trabajo especial de grado.

A nuestros amigos y familiares que nos brindaron apoyo durante la realizacindel trabajo especial de grado.

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IIIEFECTO DE CARGAS ACCIDENTALES DEBIDO A LA COLISION DE BARCOS


NDICE GENERAL

DEDICATORIA ........................................................................................................... I AGRADECIMIENTOS ............................................................................................. II NDICE GENERAL ................................................................................................. III NDICE DE TABLAS ............................................................................................ VII NDICE DE GRAFICOS ....................................................................................... VII NDICE DE FIGURAS ......................................................................................... VIII ABREVIATURAS ..................................................................................................... X

LISTA DE SIMBOLOS............................................................................................. X SINOPSIS ................................................................................................................ XII INTRODUCCIN ...................................................................................................... 1 CAPITULO I ............................................................................................................... 3 1.1 Planteamiento del problema .................................................................................... 3 1.2 Antecedentes ........................................................................................................... 5 1.3 Alcances y limitaciones .......................................................................................... 6

1.4 Objetivos ................................................................................................................. 7 1.4.1 Objetivo general ......................................................................................... 7 1.4.2 Objetivos especficos .................................................................................. 7

CAPITULO II ............................................................................................................. 8 2.1 Plataforma costa afuera ....................................................................................... 8

2.1.1 Tipos de plataformas costas afuera ........................................................ 8 2.1.2 Riesgos en plataformas costas afuera ..................................................... 9 2.1.3 Normas de diseo debido a cargas accidentales .................................... 9

2.2 Modelo Estructural ............................................................................................. 10 2.3 Embarcacin de diseo ....................................................................................... 11

2.3.1 Energa cintica de la embarcacin ...................................................... 11 2.4 Mecanismos de absorcin de energa ................................................................ 12

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IVEFECTO DE CARGAS ACCIDENTALES DEBIDO A LA COLISION DE BARCOS


2.4.1 Flexin elasto plstica .......................................................................... 13

2.4.1.1 Comportamiento elstico .................................................................... 14

2.4.1.2 Comportamiento plstico ................................................................... 14

2.4.2. Abolladura local ..................................................................................... 19 2.4.3 Deformaciones plsticas por traccin ................................................... 23 2.4.4 Deflexin global de la estructura ........................................................... 24 2.4.5 Deformacin local en la embarcacin ................................................... 25

2.5 Influencia de la interaccin suelo estructura ................................................ 27 2.6 SAP2000 .............................................................................................................. 28 CAPITULO III .......................................................................................................... 29 3.1 Tipo de investigacin ........................................................................................... 29 CAPITULO IV .......................................................................................................... 32 4.1 Det norske Veritas Recommended Practice for Design Against Accidental Loads (DNV-

RP C204) ....................................................................................................... 32

4.1.1 Energa de impacto ................................................................................... 32

4.1.2 Disipacin de energa ............................................................................... 33

4.1.2.1 Deformacin local de la embarcacin ................................................... 34

4.1.2.2 Deformacin en el miembro impactado ............................................ 35

4.1.2.3 Abolladura local .................................................................................... 38

4.2 American Petroleum Institute Recommended Practice for Planning, Designing andConstructing Fixed Offshore Platform- Working Stress Design (API-RP2A-WSD). 38 4.2.1 Energa de impacto ................................................................................... 38

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VEFECTO DE CARGAS ACCIDENTALES DEBIDO A LA COLISION DE BARCOS


4.2.2 Disipacin de energa ............................................................................... 39 4.3 Health & Safety Executive (HSE), Ship Collision and Capacity of Brace Member

Fixed Steel Offshore Platforms. ........................................................................ 41 4.3.1 Energa de impacto ................................................................................... 41 4.3.2 Disipacin de energa ............................................................................... 41

4.3.2.1 Deformacin local de la embarcacin ..................................................

4.3.2.2 Flexin elasto plstica en los miembros impactados ......................... 4

4.3.2.3 Abolladura local ...................................................................................

4.3.2.4 Deformaciones plsticas por traccin en los miembros impactados ....

4.3.2.5 Deformacin global de la estructura ....................................................

CAPITULO V ........................................................................................................... 45 5.1 Descripcin del proyecto ...................................................................................... 45

5.2. Clculos aplicados .............................................................................................. 45 5.2.1 Embarcacin de diseo ............................................................................. 45 5.2.2 Modelo estructural .................................................................................... 47

5.2.2.1 Geometra de la estructura de proteccin .............................................

5.2.2.2 Caractersticas de los materiales estructurales .....................................

5.2.2.3 Caractersticas de vigas y pilotes .........................................................

5.2.3 Mecanismos de absorcin de energa .................................................... 49

5.2.3.1 Abolladura local ...................................................................................

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VIEFECTO DE CARGAS ACCIDENTALES DEBIDO A LA COLISION DE BARCOS


5.2.3.2 Flexin elasto-plstica ........................................................................... 50

5.2.3.2.1 Interaccin suelo estructura ........................................................ 50

5.2.3.2.2 Anlisis inelstico o Push over .................................................... 56

5.2.3.3 Deformaciones plsticas por traccin en los miembros impactados ..... 69

5.2.3.4 Deflexin global de la estructura .......................................................... 74

5.2.3.5 Deformacin local en la embarcacin ................................................... 74

CAPITULO VI .......................................................................................................... 76 6.1 Flexin elasto plstica en los miembros impactados ........................................ 76 6.2 Deformaciones plsticas por traccin en los miembros impactados.................... 77 CAPITULO VII......................................................................................................... 78 7.1 Conclusiones ........................................................................................................ 78 7.2 Recomendaciones................................................................................................. 80

BIBLIOGRAFIA ....................................................................................................... 81 ANEXOS .................................................................................................................... 82 ANEXO A. ................................................................................................................. 83 ANEXO B ................................................................................................................ 101

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VIIEFECTO DE CARGAS ACCIDENTALES DEBIDO A LA COLISION DE BARCOS


NDICE DE TABLAS Tabla 1. Espesor requerido para resistir impactos de buques (API) ................... 40 Tabla 2. Casos de Carga ........................................................................................... 61 Tabla 3. Resumen de resultados de anlisis Push over ......................................... 69

NDICE DE GRAFICOSGraf.2.1 Comportamiento de los materiales.................................................................... Graf. 2.2 Reduccin del momento resistente debido a la abolladura.............................. Graf. 2.3 Relacin entre mdulo plstico de la seccin y profundidad de abolladura. 2

Graf. 2.4 Curva de indentacin del buque....................................................................... Graf. 4.1 Energa disipada............................................................................................... Graf. 4.2 Curva Fuerza vs. Indentacin (DNV).............................................................. Graf. 4.3 Relacin fuerza de formacin para miembros tubulares (DNV)..................... Graf. 4.4 Interseccin grfico fuerza- de formacin y energa........................................ Graf. 4.5 Curva de deformacin plstica para secciones tubulares atraccin y flexin.. Graf. 5.1 Grfico de deflexin, momento y fuerza vs. profundidad (ALLPILE)...........

Graf. 5.2 Curva carga vs. profundidad del suelo (P vs. Y).............................................. Graf. 5.3 Curva de comportamiento de rtulas plsticas definidos por FEMA 356...... Graf. 5.4 Curva desplazamiento vs. reaccin, caso de carga 1....................................... Graf. 5.5 Curva desplazamiento vs. reaccin, caso de carga 2....................................... Graf. 5.6 Curva desplazamiento vs. reaccin, caso de carga 3....................................... Graf. 5.7 Curva desplazamiento vs. reaccin, caso de carga 4....................................... Graf. 5.8 Curva desplazamiento vs. reaccin, caso de carga 5....................................... Graf. 5.9 T/Tp y M/Mp como funcin del ngulo ........................................................ 91Graf. 5.10 Ejemplo de curva de deformacin plstica para secciones tubularesatraccin y flexin..........................................................................................................

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VIIIEFECTO DE CARGAS ACCIDENTALES DEBIDO A LA COLISION DE BARCOS


NDICE DE FIGURASFig.1 Yacimientos de Hidrocarburos............................................................................... 3Fig. 2.1 Mecanismos de disipacin de energa................................................................ 13Fig. 2.2 Viga Biempotrada.............................................................................................. 15Fig. 2.3 Evolucin de diagrama de esfuerzos, flexin pura............................................ 16Fig. 2.4 Momentos y rtulas plsticas en vigas biempotradas........................................ 17Fig. 2.5 Mecanismos de colapso o fallas......................................................................... 18Fig. 2.6 Distribucin de fuerzas en seccin abollada...................................................... 19Fig. 2.7 Representacin de trminos de ecuaciones para seccin abollada.................... 22

Fig. 2.8 Viga atraccin y flexin..................................................................................... 23Fig. 2.9 Sumatoria de esfuerzos combinados.................................................................. 23Fig. 2.10 Posicin de eje neutro, considerando traccin y flexin................................. 24Fig. 4.1 Plataforma costa afuera fijas tipo jacket............................................................ 35Fig. 4.2 Viga Biempotrada con carga aplicada en el centro............................................ 44Fig. 4.3 Viga Biempotrada con carga aplicada fuera del centro..................................... 44Fig. 5.1 Vista de planta de estructura de proteccin....................................................... 47

Fig. 5.2 Vista, seccin 1-1.............................................................................................. 48Fig. 5.3 Vista, seccin 2-2.............................................................................................. 48Fig. 5.4 N-Link................................................................................................................ 53Fig. 5.5 Propiedades de N-Link....................................................................................... 54Fig. 5.6 Comportamiento de N-Link............................................................................... 55Fig. 5.7 Comparacin curva momento-profundidad de ALLPILE y SAP 2000............. 56Fig. 5.8 Estructura de proteccin en 3-D SAP 2000....................................................... 57Fig. 5.9 Numeracin de elementos estructurales............................................................ 58Fig. 5.10 Vista de planta para caso de carga 1................................................................ 59Fig. 5.11 Vista de planta para caso de carga 2................................................................ 59

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IXEFECTO DE CARGAS ACCIDENTALES DEBIDO A LA COLISION DE BARCOS


Fig. 5.12 Vista de planta para caso de carga 3................................................................ 6Fig. 5.13 Vista de planta para caso de carga 4................................................................ 6Fig. 5.14 Vista de planta para caso de carga 5................................................................ 6Fig. 5.15 Vista en 3-D para caso de carga 1.................................................................... 6Fig. 5.16 Vista en 3-D para caso de carga 2.................................................................... 6Fig. 5.17 Vista en 3-D para caso de carga 3.................................................................... 6Fig. 5.18 Vista en 3-D para caso de carga 4.................................................................... 6Fig. 5.19 Vista en 3-D para caso de carga 5.................................................................... 6

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XEFECTO DE CARGAS ACCIDENTALES DEBIDO A LA COLISION DE BARCOS


ABREVIATURAS

API: American Petroleum Institute

DNV:Det Norske Veritas

FEMA:Federal Emergency Management Agency

HSE: Health & Safety Executive

LISTA DE SIMBOLOS

C: Rigidez axial adimensional

D: Dimetro

E: Energa

: Energa cintica

: Energa de abolladura

: Deformacin unitaria

: Coeficiente de masa aadida

M: Masa

Mp: Momento plstico

My: Momento de fluencia o elstico

: Fuerza de abolladura

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XIEFECTO DE CARGAS ACCIDENTALES DEBIDO A LA COLISION DE BARCOS


Pu, : Fuerza ltima

: Rotacin mxima de la seccin

: Rotacin de la seccin

: Esfuerzo

: Esfuerzo de fluencia

: Rotacin de la cuerda de la viga

: Rotacin critica de la cuerda de la viga

: Rotacin mxima de la cuerda de la viga

t: Espesor

V: Velocidad

: Parmetro de deformacin adimensional

: Profundidad de abolladura

Z: Mdulo de seccin plstica

: Mdulo de seccin plstica de miembro tubular abollado

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XIIEFECTO DE CARGAS ACCIDENTALES DEBIDO A LA COLISION DE BARCOS


SINOPSIS

Efecto de cargas accidental es debido a la coli sin de barcos en

plataformas metlicas costa afuera f ijas.

Cuando se disean plataformas fijas costas afuera, no se puede permitir que estasufra daos en su estructura que la inhabilite o produzca el colapso de la misma, por endecuando se desea construir una, se deben tomar en cuenta todos los escenarios accidentales que puedan afectarla.

Uno de los riesgos a los cuales estn expuestas las plataformas fijas costa afueraes la colisin de un buque contra ellas, debido al tamao de las embarcaciones que operan paraestas estructuras, el impacto puede generar grandes esfuerzos en los miembros que lacomponen, con probabilidades de ocasionar el colapso de la estructura cuando no se encuentraadecuadamente diseada para este evento.

La finalidad de este trabajo especial de grado es analizar los efectos que genera

la colisin de un buque en la estructura de una plataforma costa afuera, as como estudiar losdiferentes mtodos de clculo existentes en las normas que tratan este tema, desarrollar unmtodo alterno aplicando la degradacin progresiva estructural sometida a cargasincrementales (Push over) para luego tratar de aplicarlo con el programa SAP2000 a un casoreal, en el cual se desea disear la estructura de proteccin para una plataforma de exportacinde gas.

Las normas analizadas en este trabajo sern la DNV-RP-C204, API-RP2A-WSD y el

manual de diseo publicado por la Health & Safety Executive titulado Ship collision andcapacity of brace members of fixed steel offshore platforms.

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XIIIEFECTO DE CARGAS ACCIDENTALES DEBIDO A LA COLISION DE BARCOS


El trabajo especial de grado tiene como base 3 puntos clave: interpretar normas y manuales de diseo que abarcan este tema, realizar el anlisis inelstico o Pushen un ejemplo con la utilizacin del programa SAP2000 R14, por ltimo, como se anteriormente, aplicar en conjunto el programa SAP2000 y las diferentes metodoloestudiadas a una estructura de proteccin de una plataforma Riser para exportacin deubicada en Colombia.

PALABRAS CLAVE: Plataformas costa afuera, Colisin de buque, Push oveMomentos plsticos, Rtulas plsticas.

REALIZADO POR: Jimnez Valerio, Maurizio Daniele

Torres Garca, Carlos Eduardo

TUTOR: ING. Noriega Horrillo, Jos Antonio

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1EFECTO DE CARGAS ACCIDENTALES DEBIDO A LA COLISION DE BARCOSEN PLATAFORMAS METALICAS COSTA AFUERA FIJA.

INTRODUCCIN

En Venezuela la economa siempre ha sido dependiente del petrleo, desde que fue descubierto en el pas, siendo uno de los pases con las mayores reservas de petrlnivel mundial. Gran cantidad de los yacimientos de hidrocarburos explotados en el paencuentran en tierra, pero otra cantidad considerable estn localizados en territorio marinocuales no estn siendo aprovechados en su totalidad.

La forma ms comn de explotar los yacimientos de hidrocarburos ubicados por dedel lecho marino, es mediante la utilizacin de plataformas costas afuera, de estas estructse tienen diferentes tipos, una de las utilizadas a nivel mundial para estas actividades so plataformas costas afuera fijas.

La construccin y operacin de plataformas costas afuera fijas implica graninversiones monetarias, pero tambin genera muchas ganancias, por ende estas estrucdeben estar diseadas adecuadamente para poder soportar diferentes eventos accidentaleslas puedan afectar y producir si colapso.

Uno de los eventos accidentales ms comunes en este tipo de estructuras es la colide un buque contra la plataforma. Este incidente ha sido ampliamente estudiado, desde venfoques, crendose as diferentes normativas para tratar este tema, proporcionametodologas de clculo para el diseo adecuado de las estructuras afectadas por situacin.

En el presente trabajo especial de grado se analizar como afecta la colisin de buque a la estructura de la plataforma costa afuera, as como se proporcionar diferemetodologas de clculo, presentadas en diferentes normas y documentacin tcnica, disear tomando en consideracin este evento imprevisto.

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As mismo, la investigacin se estructur en siete captulos. En el primer captulo se plantea el problema existente, adems se presentan los objetivos generales y especficos, losalcances y limitaciones que posee el trabajo y su respectiva justificacin.

El captulo dos est comprendido en su totalidad por el marco terico, en el cual seexplican detalladamente los diferentes conceptos e investigaciones realizadas, durante larealizacin del proyecto. A travs de esta actividad se construy una base terica importante para sustentar el desarrollo del trabajo especial de grado.

Posteriormente, en el captulo tres se presenta la metodologa utilizada en el trabajoespecial de grado para poder desarrollarlo de la forma ms adecuada.

En el captulo cuatro se exponen y analizan las diferentes metodologas de clculo planteadas en las normas existentes a nivel mundial, as como las expuestas en manuales dediseo, que abarcan el tema tratado en esta investigacin.

El captulo cinco presenta los clculos y resultados obtenidos, est compuesto por elanlisis inelstico a un elemento estructural aislado mediante el uso del programa SAP2000 yluego se explica de forma detallada la aplicacin de las diferentes metodologas de clculo aun caso real. En el captulo seis se hace un anlisis de los resultados obtenidos en el captuloanterior.

Finalmente, en el captulo siete se presentan las conclusiones y recomendaciones quese obtuvieron despus de la realizacin de este trabajo de investigacin.

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CAPITULO I

EL PROBLEMA

1.1 Planteamiento del problema

Es bien conocido, debido a la gran cantidad de estudios realizados, que Venezu posee una reserva de hidrocarburos, considerada como la ms grande del mundo, la cual aproximadamente unos 297.000 millones de barriles. En el mapa mostrado a continuacimuestran las diferentes cuencas petrolferas que posee el pas.

Fig. 1 Yacimientos de Hidrocarburos

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Las zonas que se encuentran en color amarillo son aquellas en las cuales existeexplotacin de los hidrocarburos, mientras que las partes que se encuentran en azul, sonaquellos sectores donde existe petrleo y gas natural, pero no son aprovechados o extrados.

Se puede observar que tanto en la cuenca de Falcn y la cuenca Tuy Cariaco, ubicadaen los estados Anzotegui y Sucre, as como una pequea parte de la cuenca oriental, existenzonas costa afuera de Venezuela en las cuales no se explotan los hidrocarburos existentes.

Debido a lo mencionado anteriormente, PDVSA ha realizado un nuevo plan paraexplotar estas zonas costa afuera del pas que no estn siendo aprovechadas, segn Aquino, C.(2009) Los desarrollos de gas y petrleo costa afuera que se adelantan en Venezuela, abarcancerca de 500 mil kilmetros cuadrados.

Debido a lo expuesto anteriormente, es de suma importancia, debido al costoeconmico que estas representan, que las plataformas costas afuera estn bien diseadas,considerando todas las variables que pueden afectar su integridad estructural.

Las plataformas costa afuera son objeto de diferentes situaciones accidentales, a lascuales una edificacin en tierra es muy difcil que est sometida.

La colisin entre un buque y la plataforma costa afuera representa un riesgo importante para la estructura, Furnes, O (1980) seala que

En efecto, estudios realizados demuestran que la mayorcantidad de accidentes en plataformas costa afuera ocurrieronen el perodo de 1970 1979 indicando que estas colisionesrepresentan una de las situaciones de riesgo ms importante. A pesar que las consecuencias de las colisiones costa afuera sonmenores en la actualidad, la colisin de un buque es unaccidente potencial que conlleva a daos graves a laestructura.

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En el grfico que se presenta a continuacin, extrado de la tesis doctoral titulada SCollision Risk, realizada por Geijerstam, K y Svensson, H (2008). Se representa el nmer barcos en curso de colisin en relacin al nmero de plataformas costa afuera construid Noruega.

Graf. 1 Nmero de barcos en curso de colisin en relacin al nmero de plataformas costa afueraconstruidas en Noruega.

Se puede observar que en el perodo de tiempo comprendido desde 2001 hasta 2hubo ms de un barco en curso de colisin en relacin al nmero de plataformas costa afconstruidas, alcanzando su mximo valor en el ao 2002. Aunque ya para el ao 2disminuyeron considerablemente la probabilidad de ocurrencia de accidentes de este sigue siendo un riesgo que debe ser considerado para estas estructuras, debido a que se puexponer vidas humanas y grandes prdidas monetarias.

1.2 Antecedentes

Existe una gran cantidad de bibliografa asociada a los accidentes de impacto buques sobre las pilas de puentes, usualmente las medidas tomadas son las de evitar el imp protegiendo la estructura, esto no presenta complicaciones sobre todo en aguas someras, caso de plataformas costa afuera, se evala ms bien el efecto que produce el impacto sobestructura, debindose disear esta, en forma tal que resista el impacto.

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Para el diseo resistente al impacto se ha conseguido, en general, poca y dispersainformacin. Entre las normas y documentacin tcnica que abarcan este tema se puedenombrar las siguientes:

- Det norske Veritas Recommended Practice for Design Against Accidental Loads- Health & Safety Executive, Ship Collision and Capacity of Brace Members of

Fixed Steel Offshore Platforms- American Petroleum Institute Recommended Practice for Planning, Designing and

Constructing Fixed Offshore Platform- Working Stress Design.

Segn, Visser (2004):

La embarcacin cuando colisiona transforma la energa deimpacto en un conjunto a las deformaciones elsticas y plsticas de los miembros de la plataforma y del buque.

Usualmente cada vez que ocurre uno de estos accidentes, laestructura es inspeccionada para asegurar que las fuerzassoportadas por el miembro durante el impacto no afectaron suintegridad y por consiguiente la estructura.

1.3 Alcances y limitaciones

Los alcances de este trabajo especial de grado son los siguientes:

- Se pretende establecer criterios de diseo para las plataformas costa afuera, lascuales estn expuestas a colisiones de buques, segn la Norma Noruega, Det Norske Veritas RP C204.

- Se realizar el anlisis de un miembro aislado de la plataforma costa afueramediante el uso del programa estructural SAP, para determinar sus momentos plsticos hasta la ruptura del mismo.

La investigacin que se pretende desarrollar tiene las siguientes limitaciones:

- Es escasa la informacin referente a los accidentes por colisiones de buques en plataformas costa afuera.

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1.4 Objetivos

1.4.1 Objetivo general

Realizar el anlisis de las normas y procedimientos para el clculo de plataformas cafuera fijas, construidas en acero, sometidas a cargas accidentales debido a la colisin barcos.

1.4.2 Objetivos especficos

-

Determinar el estado de arte del diseo por impacto.- Interpretar normas y mtodos para el clculo de estructuras sometidas a impactos.- Aplicar normas y mtodos a una plataforma costa afuera ubicada en el Golfo de

Morrosquillo, Colombia.

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CAPITULO II

MARCO TEORICO

En este captulo se sustentan tericamente los tpicos tratados en el Trabajo Especialde Grado.

2.1 Plataforma costa afuera

Una plataforma costa afuera se puede definir como aquellas estructuras fijas o flotantes

ubicadas en cuerpos marinos, retiradas de la costa, en la actualidad se utilizan principalmente para la explotacin de yacimientos de hidrocarburos que se encuentran en el lecho marino.

2.1.1 Tipos de plataformas costas afuera

Las plataformas costa afuera se pueden clasificar bsicamente en tres tipos, segn susistema de soporte:

1) Fijas: Son aquellas plataformas costa afuera las cuales poseen columnas fundadasen el lecho marino, este tipo de diseo permite su utilizacin a largo plazo. Estetipo de plataformas costa afuera son econmicamente viables hasta profundidadesde 520 metros.

2) Semisumergibles: Son plataformas costa afuera utilizadas para realizar perforaciones a profundidades mayores de cien metros, son estructuras flotantesque se encuentran fijadas en su emplazamiento mediante anclas, adems permitenser desplazadas hacia otra ubicacin de ser necesario.

3) Autoelevables: estas plataformas se utilizan normalmente en aguas de profundidades no mayores a los 100 metros, pueden ser de columnasindependientes o no. Estas columnas son retrctiles y se apoyan sobre el lechomarino mediante gatos hidrulicos, normalmente no se emplean en instalaciones

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permanentes, son utilizadas para la exploracin y mantenimiento de pozos dhidrocarburos.

2.1.2 Riesgos en plataformas costas afuera

Las plataformas costas afuera conviven con varios tipos de riesgo, segn Geijerstamy Svensson, H (2008) Las plataformas costa afuera estn expuesta a severos tipos de riesgosy peligros tales como explosiones, fugas de hidrocarburos, incendios, objetos de gran tamcayendo y las colisiones . Estos eventos pueden causar daos severos a la estructura as com perjudicar a las personas que trabajan en estas.

Por lo dicho anteriormente, las plataformas costas afuera deben estar preparadas minimizar al mximo los daos que pueden causar estas situaciones accidentales, prevenir el colapso de la estructura y evitar prdidas de vidas humanas que se pueden gedebido a estos eventos indeseados.

En base a lo expuesto, es de suma importancia que las plataformas costa afuera scapaces de resistir el impacto de un buque, para ello estas disponen de estructuras proteccin diseadas para disipar la energa que se produce durante el impacto y protegintegridad de la estructura.

2.1.3 Normas de diseo debido a cargas accidentales

Para el diseo de las estructuras de proteccin existen diferentes normas y manuaen los cuales se presentan diferentes metodologas para su clculo. Entre estas normmanuales se pueden nombrar la Norma Noruega Det norske Veritas Recommended Pracfor Design Against Accidental Loads(DNV- RP C204), publicada en octubre de 2010, elmanual de la Health & Safety Executive (HSE), tituladoShip Collision and Capacity ofBrace Members of Fixed Steel Offshore Platforms, publicado en 2004 y la norma delAmerican Petroleum Institute Recommended Practice for Planning, Designing

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Constructing Fixed Offshore Plataform- Working Stress Design (API-RP2A-WSD). Lascuales se describen a continuacin:

1) Det norske Veritas Recommended Practice for Design Against AccidentalLoads(DNV- RP C204): Esta norma fue desarrollada en el 2010, por Det norskeVeritas, la cual es una asociacin de clase mundial ubicada en Dinamarca. Estedocumento tiene como finalidad abarcar los temas relacionados con las situacionesaccidentales que pueden ocurrir en una plataforma costa afuera.

2) Health & Safety Executive (HSE), Ship Collision and Capacity of Brace Members of

Fixed Steel Offshore Platforms: Es un documento tcnico o manual de diseo,realizado por Visser Consultancy y publicado por la Health & Safety Executive en elao 2004, el cual trata el tema de la colisin de buques contra plataformas metlicasfijas costa afuera.

3) American Petroleum Institute Recommended Practice for Planning, Designing andConstructing Fixed Offshore Platform- Working Stress Design (API-RP2A-WSD): Norma realizada por la American Petroleum Institute, destinada a atender diferentessituaciones accidentales que pueden ocurrir en una plataforma costa afuera

2.2 Modelo Estructural

Se puede definir el modelo estructural como la geometra que va a poseer la plataformacosta afuera, o estructura de proteccin, las dimensiones y secciones de sus elementos y lascaractersticas de los materiales, que se desean utilizar.

Evaluar el modelo estructural es de suma importancia para el caso accidental de la

colisin de un buque contra la plataforma costa afuera, ya que dependiendo de laconfiguracin geomtrica que va a tener la estructura, esta puede ser ms vulnerable. Con estainformacin se puede conocer cul es el caso ms desfavorable y poder establecer si los

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materiales de nuestra eleccin son adecuados para resistir las fuerzas generadas debidoimpacto de la embarcacin.

2.3 Embarcacin de diseo

Para determinar la fuerza y energa que se genera debido a la colisin de un bucontra una plataforma costa afuera, se deben conocer las caractersticas de la embarcactales como masa, dimensiones y la velocidad del impacto.

Para el estudio del impacto, se debe especificar una embarcacin de diseo par

clculo de las fuerzas que se generan en la colisin. La Norma Noruega Det norske Ve(DNV) recomienda el uso de una embarcacin de suministro de 5000 toneladas velocidades de 2m/s (3.8 nudos), en el caso de plataformas costa afuera en el mar del Nas mismo recomienda fijar una energa mnima de impacto de 4MJ, aunque estos lmrecomendados pueden variar dependiendo de las caractersticas especficas de cada proyec

2.3.1 Energa cintica de la embarcacin

La energa cintica de un cuerpo, en trminos fsicos, es aquella que posee debido movimiento, esta depende directamente de la masa del objeto y de la velocidad que este po

Ya conocidas las caractersticas de la embarcacin, se puede calcular la enercintica que este genera a una velocidad de impacto determinada, mediante la siguiecuacin:

(Ec.1)

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Donde M representa la masa del barco, V la velocidad de impacto fijada. La masa

debe ser multiplicada por un factor denominado coeficiente de incremento de masa , el

cual dependiendo de cmo impacte el buque va a variar, si colisiona con la proa o la popa estetoma un valor de 1,05 y si lo hace de costado es igual a 1,5.

La energa cintica de la embarcacin, se considerar como la energa de impacto enuna colisin contra la estructura de la plataforma costa afuera.

2.4 Mecanismos de absorcin de energa

En la prctica de la ingeniera, la determinacin de la resistencia de las estructuras delas plataformas costa afuera de acero fijas, cuando estas son colisionadas por unaembarcacin, considerar los siguientes mecanismos que permiten disipar la energa producida por el impacto del buque:

- Flexin elasto plstica en los miembros impactados- Abolladura local- Deformaciones plsticas por traccin en los miembros impactados- Deflexin global de la estructura- Deformacin local de la embarcacin

En la figura 2.1, se puede ilustrar algunos de estos mecanismos de disipacin de energa

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Fig.2.1 Mecanismos de disipacin de energa

En el momento que ocurre el impacto, deben ocurrir estos mecanismos para disenerga, producindose deformaciones en la estructura, pero no su colapso.

A continuacin se describen detalladamente cada uno de estos mecanismos absorcin de energa

2.4.1 Flexin elasto plstica

Es quizs el mecanismo ms importante de absorcin de energa que tiene plataforma fija costa afuera de acero, con este se disipa la mayor cantidad de las fuegeneradas cuando colisiona un barco contra esta.

Para poder entender esta forma de disipar energa hay que definir ciertos conceclaves, referentes a la mecnica de los slidos. Cuando un material es afectado por c

carga, dependiendo de la magnitud, el material se puede comportar bsicamente de formas, elsticamente o plsticamente, hasta que alcanza el colapso.

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2.4.1.1 Comportamiento elstico

Cuando el material se comporta de forma elstica, la relacin entre los esfuerzos y lasdeformaciones es lineal, esta relacin viene dada por la ley de Hooke, la cual establece que:

(Ec.2)

Donde representa el esfuerzo actuante, la deformacin unitaria y E el mdulo de

elasticidad del material.

Cabe destacar que, cuando el material se comporta de forma elstica, al eliminar odisminuir la fuerza que acta sobre este, el vuelve a su condicin inicial sin deformacionesremanentes.

El material se comporta de esta forma hasta que en las fibras ms alejadas al eje neutrode la seccin se alcanza el esfuerzo de fluencia y.

2.4.1.2 Comportamiento plstico

Cuando el material ha alcanzado el esfuerzo de fluencia, en la fibra ms alejada al ejeneutro de la seccin, si se sigue aumentando la carga, este empieza a tener un comportamiento plstico, en el cual con poco incremento del esfuerzo actuante, se adquiere grandesdeformaciones, hasta llegar al colapso.

Cuando el material se encuentra en el rango plstico, presenta su mayor resistenciaantes del colapso, pues absorbe ms energa, sin que exista ninguna relacin entre los

esfuerzos y las deformaciones que este sufre. Al disminuir o eliminar los esfuerzos este quedacon una deformacin permanente.

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Graf. 2.1 Comportamientos de los materiales

A continuacin se presenta un caso para visualizar los conceptos anteriormedescritos:

Se plantea una viga empotrada en sus dos extremos, de longitud L, en la cual acta

una carga uniformemente distribuida, denominada w. Como se muestra en la figur a 2.2.

Fig. 2.2 Viga biempotrada

En la figura 2.2 se puede observar el diagrama de momentos asociado al caso de cque se desea ejemplificar, mientras que la carga genere momentos en la viga que produ

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esfuerzos menores o iguales al de fluencia ( y), en la fibra ms alejada al eje neutro de la

seccin, esta se va a comportar de forma elstica.

A medida que se aumenta la carga, se van a generar mayores momentos en la vigaestudiada, mas fibras de la seccin van alcanzando el esfuerzo de fluencia, hasta que todasllegan a su resistencia mxima. En la figura 2.3 se muestra como es la distribucin de losesfuerzos a medida que estos aumentan.

Fig. 2.3 Evolucin de diagrama de esfuerzos, flexin pura

Como se visualiza en la figura, al principio la distribucin de esfuerzos en la seccintiene forma triangular, hasta que en la fibra ms alejada al eje neutro se alcanza el esfuerzo de

fluencia, despus de este punto se sigue aumentado la carga, el diagrama pasa a tener unaforma trapezoidal, hasta que llega a ser rectangular, lo cual significa que todas las fibras hanllegado a la resistencia mxima que pueden tener.

El momento asociado cuando se presenta el caso en que toda la seccin ha alcanzadosu esfuerzo de fluencia, es denominado momento plstico (Mp), y tericamente es el mximoque puede resistir el material.

En el mismo orden de ideas, es importante resaltar que el momento plstico de unelemento depende directamente de las caractersticas geomtricas que posea la seccin de laviga. Este se puede calcular con la siguiente expresin:

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(Ec.3)Donde y, antes definido, es el esfuerzo de fluencia del material y Z es el mdulo de

seccin plstica del material, el cual dependiendo de la seccin transversal del elemento variar. El mdulo de seccin plstica normalmente es suministrado en los catlogos defabricantes de perfiles de acero y tubulares.

Tambin es d mucha utilidad conocer el momento de fluencia My del material, el

cual viene dado por la siguiente ecuacin:

(Ec.4)Donde S es el mdulo de seccin elstica del material

Fig.2.4 Momentos y rotulas plsticas en viga biempotrada

Para el caso ejemplificado, como se muestra en la figura 2.4, si se incrementa la c progresivamente, la viga va alcanza los momentos plsticos primero en donde se encuenlos empotramientos, en estos puntos la seccin se va a encontrar totalmente plastificada,genera una rtula plstica, lo cual indica que el material pierde la capacidad de resistir

momentos y se asemeja al caso de una viga simplemente apoyada con los momentos plsaplicados en sus extremos.

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Para generar el colapso de la viga, en la situacin analizada, se debe seguir aumentandola carga hasta que se forme una tercera rtula plstica, en este caso, en el centro de la viga,haciendo que el sistema se vuelva inestable, crendose as un mecanismo de falla o colapso.Como se muestra en la figura 2.5, presentada a continuacin:

Fig. 2.5 Mecanismo de colapso o falla

En base a lo explicado anteriormente, se puede realizar un anlisis de una estructura oun solo elemento desde que se encuentra en el rango elstico hasta su colapso, esto sedenomina anlisis inelstico o Push Over.

El anlisis inelstico o Push Over, se realiza variando la carga que acta sobre unmiembro hasta que llegue al colapso, obteniendo as las deformaciones que se generan para

diferentes casos, lo cual permite realizar el gr fico Fuerza vs Deformacin de la estructura.Actualmente, este tipo de anlisis se realiza mediante diferentes programas orientados a laingeniera civil, tales como SAP2000 y ETABS.

Al deformarse la estructura esta absorbe cierta cantidad de energa, hasta que llega alcolapso. La cantidad de energa que puede disipar una estructura se determina calculando elrea bajo la curva de Fuerza vs Deformacin (obtenida del Push Over) hasta el colapso o hastaun punto de inters.

Mediante esta forma se pueden disipar grandes cantidades de energa al momento queocurra la colisin de un buque contra la plataforma costa afuera, sin provocar daosconsiderables a la estructura en general. Las normas anteriormente mencionadas establecen

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ciertos parmetros para determinar si la estructura es apta para resistir las fuerzas que geel choque del buque de diseo contra la plataforma.

Es importante destacar que este anlisis se debe realizar para diferentes casosimpacto que pueden ocurrir en la estructura, para as poder conocer el comportamiento plataforma costa afuera para distintos escenarios de colisin.

2.4.2. Abolladura local

La abolladura local en un miembro de la plataforma se genera cuando el bu

colisiona con la proa o la popa, lo cual ocasiona en el miembro afectado una falla solo e punto donde la embarcacin impact, crendose deformaciones locales en la zona, absorben energa, pero tambin afectan la capacidad de resistencia de la rtula plsticcual se ve disminuida en la zona afectada.

A continuacin en la figura 2.6 se muestra grficamente la seccin transversal demiembro tubular abollado.

Fig. 2.6 Distribucin de esfuerzos en seccin abollada

Compresin y

y Traccin

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Como se puede observar en la figura, cuando existe una abolladura en el miembro,conservadoramente, se deprecia el rea afectada, lo cual trae como consecuencia que, lasrtulas plsticas que se generan en esta zona tienen menos capacidad de resistencia.

Este mecanismo de absorcin de energa, ha sido ampliamente estudiado, crendosediferentes mtodos para poder calcularlo. La norma DNV, en la seccin 3.7.4, establece que para miembros tubulares, el siguiente grfico:

Graf. 2.2 Reduccin del momento resistente debido a la abolladura local

Dnde:

(Ec.5)

(Ec.6)

Se entiende por wd la profundidad de la abolladura, Mp es el momento

plstico de la seccin el cual se puede calcular de la forma antes explicada. Mediante

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un proceso iterativo se puede determinar o la profundidad de la abolladura oreduccin del momento resistente que sufre la seccin .

El manual de diseo de la Health & Safety Executive tambin establece umetodologa de clculo para este caso, el cual presenta dos formas de calcular la fude impacto ( y la energa de impacto ( , mediante las ecuaciones de Amdahl y lasecuaciones realizadas por Ellinas y Walker, las cuales se presentan a continuacin:

- Ecuaciones de Ellinas y Walker

(Ec.7)

(Ec.8)

- Ecuaciones de Amdahl

(Ec.9)

(Ec.10)

En todas las ecuaciones el trmino representa la profundidad de laabulladura, t es el espesor de la seccion tubular, D es el dimetro de la seccin y Mel momento plstico del miembro. Luego de conocer la fuerza de impacto y la enede impacto, se debe determinar el nuevo mdulo plstico de la seccin deformaMediante las siguientes expresiones:

* + (Ec.11)

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(Ec.12)

Donde es el ngulo representado en la figura 2.7, presentada a continuacin:

Fig. 2.7 Representacin de trminos de ecuaciones para seccin abollada

El mdulo plstico de la seccin deformada tambin se puede determinarutilizando el siguiente grfico que relacin y .

Graf. 2.3 Relacin entre mdulo plstico de la seccin y profundidad de abolladura

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En este mtodo de clculo tambin se debe realizar un proceso iterativo para podeterminar la profundidad de la abolladura y la energa que se logra disipar cuando se formabolladura.

2.4.3 Deformaciones plsticas por traccin

Cuando un buque colisiona contra la plataforma costa afuera, debido a que el miemafectado se encuentra unido a otros elementos estructurales, estos tienden a tracciona

miembro donde ocurre el impacto. Como se muestra en la figura 2.8.

Fig. 2.8 Viga a traccin y flexin

Estas fuerzas de traccin generadas en el miembro, aunque no crean momentos producen esfuerzos en el elemento donde ocurre el impacto del buque, los cuales se sumlos esfuerzos que se originan debido a la flexin.

Fig. 2.9 Sumatoria de esfuerzos combinadosT

F

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En la figura 2.9, se encuentra ejemplificado en la sumatoria de los esfuerzos debido atraccin y a flexin, en la seccin del miembro. Se puede observar que la flexin generatraccin y compresin en el elemento, lo cual al combinarse con la traccin generada por lacarga axial, crea una zona en la cual se suman los esfuerzos y otra donde se restan, tal como semuestra en el diagrama resultante.

Cuando se combinan la traccin con la flexin, el eje neutro de los esfuerzos nocoincide con el eje de simetra de la figura, como ocurre cuando solo existe flexin en elmiembro, como se puede ilustra en la figura 2.10.

La ubicacin del eje neutro se obtiene cuando se alcanza el esfuerzo de fluencia en lasfibras donde se encuentra la mayor concentracin de esfuerzos. La posicin de este va a variardependiendo de la magnitud de los esfuerzos que se generen debido solo a la fuerza detraccin.

Fig. 2.10 Posicin de eje neutro, considerando flexin y traccin

2.4.4 Deflexin global de la estructura

Al ocurrir la colisin de un buque contra una plataforma costa afuera, no solo se veafectado el miembro donde ocurre el impacto, sino toda la estructura sufre deformaciones ydesplazamientos debido a este evento accidental.

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Usualmente las fuerzas de impacto no generan un mecanismo de falla global enestructura, siendo estas, menores que las generadas en el diseo por oleaje.

De todas formas, se puede verificar el comportamiento de la estructura cuando ocel peor escenario de colisin planteado, analizando globalmente la estructura.

Por lo antes descrito, en el diseo de plataformas costa afuera, debido a la colisiun buque contra la estructura de la plataforma, este mecanismo de disipacin de energdespreciado, de forma conservadora.

2.4.5 Deformacin local en la embarcacin

En el momento en que un buque impacta una plataforma costa afuera, no solo seafectada la estructura de la plataforma, sino que tambin la embarcacin sufre daos deblas fuerzas generadas en el impacto.

El barco puede colisionar de diferentes formas contra la estructura de la platafor Normalmente el buque puede impactar con la proa, con la popa o de costado.

Cuando el barco impacta con la proa o la popa, en la prctica es comn usar las cfuerza de impacto vs indentacin, suministrada en la Norma Noruega Det norske VerCuando colisiona con la proa la curva presenta las siguientes caractersticas:

- La fuerza mnima para generar una indentacin ( deformacin) en la proa debe ser MN

- Para una energa de impacto de 5MJ se considera una fuerza de impacto de 8MN

En el caso de la popa el barco puede ser considerado como un elemento ms rgido qu proa, generando fuerzas en el impacto mayores o iguales a 7 MN. En el grfico 2.4 se mu

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la curva de fuerza de impacto vs indentacin, para cuando el buque colisiona con la proa o la popa.

Graf.2.4 Curva de indentacin del buque

Para el caso en que el buque colisiona de costado contra la plataforma, se asume queesta fuerza es tomada por las columnas de la plataforma costa afuera y no por los otrosmiembros de la estructura.

La colisin del buque contra la estructura, genera en ste deformaciones, las cualescomo ya hemos explicado, pueden ser grandes o pequeas dependiendo de cmo este impacteen la plataforma, por lo tanto, gracias a estas deformaciones que sufre la embarcacin, se logradisipar parte de la energa producida por el impacto, lo cual indica que no solo el miembrodonde ocurre el choque se ve afectado. Este efecto producto de la situacin accidental,normalmente, cuando se disea una plataforma costa afuera es tomado en cuenta, ya que puede lograr disipar una porcin considerable de la energa cintica generada en el impacto.

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2.5 Influencia de la interaccin suelo estructura

Todas las obras de ingeniera civil son construidas apoyndose en el suelo o en la rque se encuentra en el lugar donde est ubicada la estructura, por consiguiente hay conocer el tipo de material que constituye el suelo y las cargas que van a ser transmitidste.

En el caso de las plataformas costa afuera, la solucin a este problema tiene una gimportancia prctica, ya que permite conocer con cierta precisin como es el comportamidel suelo bajo las acciones que se van a producir durante el impacto a la estructura.

La colisin de un buque contra la plataforma costa afuera, genera fuerzas lateralescuales van a ser transmitidas al suelo, y si este no est en capacidad de disiparlosadecuadamente, pueden existir desplazamientos permanentes no deseables o la fallaelemento de cimentacin.

En plataformas costa afuera fijas, normalmente, los elementos de fundacin los piloPara estimar sus dimensiones, se suele considerar que est empotrado a una profundidaddebajo del lecho marino, despreciando los esfuerzos que puede llegar a absorber el suelo.

Los proyectos de plataformas costa afuera ameritan un clculo ms detallado y predel comportamiento del suelo, evalundose no solo como va a actuar el pilote someticargas axiales sino considerando tambin su comportamiento a cargas laterales, para elrealizan estudios del suelo en el sitio que permiten conocer cules son sus caractersticamediante la utilizacin de programas especializados o clculos manuales, se puede determla profundidad ptima, bajo el lecho marino, que debe tener el pilote para resistir todascargas y evaluar la disipacin de energa debido al suelo.

Esto se puede traducir en un ahorro econmico importante y en un pilote ms ptim

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2.6 SAP2000

El programa de anlisis estructural SAP2000, fue creado por la compaa Computerand Structure, Inc (CSI), destinado a facilitar los clculos de gran variedad de tipos deestructuras, permitiendo realizar anlisis ssmicos, inelsticos, estticos, entre otros,admitiendo modificar las propiedades de los elementos y materiales, adems de permitir eldiseo aplicando muchas de las normas que rigen la ingeniera civil a nivel mundial.

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CAPITULO III

MARCO METODOLOGICO

En esta seccin se describe, en forma detallada, todos los procedimientos llevadocabo durante la elaboracin de este trabajo de investigacin, para cumplir con los objet propuestos.

3.1 Tipo de investigacin

La siguiente investigacin se corresponde con una investigacin de tipo documentcual segn Galn, M. (2011) tiene como objetivo elaborar un marco terico conceptual para

formar un cuerpo de ideas sobre el objeto de estudio y descubrir respuestas a determininterrogantes a travs de la aplicacin de procedimientos documentales.

Para realizar este trabajo especial de grado en forma adecuada, se seguirn siguientes pasos durante el desarrollo del proyecto planteado:

I)

Recopilar informacin relativa a los mtodos de clculo de fuerzas de impacto.Se realizar la recopilacin de informacin relativa a los diferentes mtode clculo presentes en las normas y documentacin tcnica, referentes a fuerzaimpacto, lo cual es de suma importancia para poder desarrollar adecuadamenteobjetivos planteados en el trabajo de investigacin.

II) Interpretar la norma noruega, Det norske Veritas Recommended Practice forDesign Against Accidental Loads(DNV- RP C204), del 2010, para el diseodebido a cargas accidentales.

Se interpretarn los mtodos de clculo y las grficas existentes en la nornoruega DNV-RP-C204, del ao 2010, destinada a tratar el tema de cargaccidentales en plataformas costa afuera.

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III) Interpretar el manual de diseo publicado por la Health & Safety Executive,titulado Ship Collision and Capacity of Brace Members of Fixed SteelOffshore Platforms.

Se interpretarn los mtodos de clculo y las grficas existentes en elmanual de diseo publicado por la HSE, en el 2004, para tratar especficamente eltema relacionado con las cargas accidentales debido a la colisin de buques contra plataformas costas afuera.

IV) Interpretar la norma norte americana, American Petroleum InstituteRecommended Practice for Planning, Designing and Constructing FixedOffshore Platform- Working Stress Design (API-RP2A-WSD), del 2002, parael diseo de plataformas costa afuera.

Se interpretarn los mtodos de clculo y las grficas existentes en la normaamericana API-RP2A-WSD, del ao 2002, destinada a tratar el tema del diseo de plataformas costa afuera.

V) Aplicacin del anlisis inelstico de estructuras (Push Over) para laevaluacin de las fuerzas de impacto.

Se analizar la aplicacin de cargas progresivas hasta el colapso de unaestructura, en el rango elasto-plstico, mediante la utilizacin del programa deanlisis estructural SAP2000

VI) Aplicar mtodos de clculo al sistema de proteccin de impacto de laplataforma costa afuera del Proyecto Ingeniera bsica y de detalleestructura de amarre para exportacin de gas, Golfo de Morrosquillos Colombia.

Se aplicarn los mtodos de clculos planteados al caso de unaestructura de proteccin de un muelle destinado a la exportacin de gas,

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ubicado en la costa atlntica de Colombia, especficamente en el Golfo Morrosquillos

VII) Emitir conclusiones y recomendaciones, referente a los resultados obtenidosSe emitirn las conclusiones y recomendaciones referentes a los resulta

obtenidos mediante la utilizacin de los mtodos de clculo planteados endocumentacin investigada y el programa de anlisis estructural SAP2000.

El marco metodolgico del trabajo especial de grado se enmarca en la consideracanlisis y propuestas sobre aspectos incluidos en el conjunto de normas relacionadas co

buena prctica de la ingeniera civil

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CAPITULO IV

ANALISIS E INTERPRETACION DE NORMAS

En este captulo se proceder a realizar un anlisis y comparacin sobre los mtodos declculos establecidos en las normas, que abarcan el tema de diseo de plataformas costasafuera debido a colisin de buques.

4.1 Det norske Veritas Recommended Practice for Design Against AccidentalLoads (DNV- RP C204)

La norma noruega DNV-RP-C204 es aplicable a cualquier plataforma costa afuera, bien sea fija o flotante, construida con acero. Los mtodos de clculo descritos pueden seraplicados tanto para la parte sumergida de la estructura como para la que se encuentra porencima del nivel del agua.

La presente norma, trata solo el tema de eventos accidentales en plataformas costasafuera, a continuacin se mostrarn los aspectos relacionados solo a la colisin de buques

contra estructuras fijas:

4.1.1 Energa de impacto

La norma establece que la energa que se genera cuando impacta un barco contra laestructura de la plataforma costa afuera es la siguiente.

(Ec.13)

Dnde:

- = energa de impacto- = masa del barco

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- = masa aadida del barco- = velocidad de atraque del barco, recomienda utilizar 2 m/s

Esta norma recomienda utilizar una masa total, masa del barco ms masa aadida, dmenos 5000 ton.

Al calcular la energa de impacto asociada a las recomendaciones mnimas de la novelocidad de 2m/s y peso igual a 5000 ton, se obtiene que esta tiene un valor de 10 MJ

4.1.2 Disipacin de energa

Se establece que la energa va a ser disipada tanto por la indentacin sufrida po barco como por el desplazamiento y deformaciones ocasionadas en la estructura, por enenerga de impacto que puede ser disipada viene dada por la sumatoria de estas, commuestra en el siguiente grfico.

Graf.4.1 Energa disipada

La sumatoria del rea bajo estas curvas representa la energa disipada, la cual debeigual o mayor que la energa de impacto.

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4.1.2.1 Deformacin local de la embarcacin

La norma DNV-RP-C204 proporciona el siguiente grfico, el cual se relaciona lafuerza de impacto con la indentacin o deformacin que sufre el barco, para diferentesescenarios de colisin.

Graf. 4.2 Curva Fuerza vs Indentacin (DNV)

En el grfico se entiende por:

- Bow= Proa- Stern corner= Esquina de la popa

- Stern end= final de la popa- Board side= costado del barco

El grfico 4.2, fue determinado utilizando barcos con un tonelaje mnimo de 5000 ton

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4.1.2.2 Deformacin en el miembro impactado

La norma especfica que los procedimientos de clculos referentes a este tema aplicables solo para plataformas costa afuera fijas del tipo Jackets, las cuales son estrucque poseen como miembros estructurales: vigas, columnas y arriostramientos en diagonal

Fig.4.1 Plataformas costa afuera fijas tipo Jacket

Para determinar la deformacin que sufre la estructura en el momento del impactonorma DNV-RP-C204, proporciona el siguiente grfico para miembros tubulares.

Graf.4.3 Relacin fuerza-deformacin para miembros tubulares (DNV)

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Para determinar la relacin , la norma suministra las siguientes ecuaciones:

(Ec.14)

Para obtener el valor de , parmetro adimensional de deformacin, se tiene lasiguiente expresin:

(Ec.15)

Y el valor de c representa la rigidez adimensional del miembro, esta viene dada por lasiguiente ecuacin:

(Ec.16)

Dnde:

- R= Fuerza producida en el impacto- = coeficiente que vara entre 1 y 2, dependiendo de la condicin de apoyo del

miembro.- = momento plstico, los subndices 1 y 2 representan los extremos del miembro

- = longitud del miembro- = deformacin del miembro

- = deformacin caracterstica para vigas tubulares, es igual a la mitad del dimetro

- k= rigidez del miembro- Fy= carga mxima que resiste el miembro en el rango elstico- A= rea- L= longitud

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Una forma de poder utilizar este grfico de forma sencilla es realizar una curva represente cierta cantidad de energa que se desea resistir, cuyos ejes estn asociados deformacin y la fuerza actuante, se convierten estos ejes a las relaciones R/ y , y luego seintercepta con las diferentes curvas de la grfica 4.3, estos puntos de interseccin vrepresentar la fuerza y la deformacin que ocurre en el miembro para disipar la enedeterminada, como se muestra en el grfico a continuacin:

Graf.4.4 Interseccin grfico fuerza-deformacin y energa

La lnea azul representa una energa de 4MJ, para un tubo de dimetro 1,22 mlongitud de 8 m, caractersticas de los pilotes que van a ser analizados ms adeladependiendo de la rigidez axial que est presente, va a intersectar diferentes curobtenindose distintas relaciones de fuerza y deformacin.

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4.1.2.3 Abolladura local

El procedimiento para determinar la abolladura local en el miembro impactado,establecido por la DNV-RP-C204, se encuentra explicado en la seccin 2.4.2, del marcoterico.

Adems, establece que este efecto puede ser despreciado siempre y cuando se estanalizando un miembro tubular cuyas caractersticas sean tales que presente una rigidez muyelevada

4.2 American Petroleum Institute Recommended Practice for Planning, Designingand Constructing Fixed Offshore Platform- Working Stress Design (API-RP2A-WSD).

Esta norma norte Americana abarca todo lo referente al diseo de las plataformas costaafuera, a diferencia del contenido de la DNV-RP-C204, que solo est enfocada a los eventosaccidentales que pueden ocurrir en estas estructuras.

Referente al evento accidental de la colisin de un buque contra la plataforma, la API-

RP2A-WSD establece lo siguiente:


Para determinar la energa de impacto que se genera en la colisin se plantea lasiguiente ecuacin:

(Ec.17)

Donde y , se dijo anteriormente, representan las masa del barco y su velocidad deatraque, es un coeficiente el cual vale 1,4 cuando el barco impacta de costado y 1,1 cuandoimpacta con la proa o la popa, este representa la masa aadida del barco.

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Recomiendan para calcular la energa de impacto utilizar una masa de 1000 ton y velocidad de atraque de 0,5 m/s, con estos dos valores establecidos la energa de imptendra una magnitud de 0,14 MJ.

Al comparar las energas mnimas establecidas por la DNV-RP-C204 y la API-RPWSD, se puede determinar que la calculada con la norma noruega es 71 veces mayor qusugerida por la norma americana, esto se debe a la gran diferencia de masa y velocexistente, en los valores mnimos requeridos para los clculos.


Para determinar la energa que se disipa debido a las deformaciones elasto- plsticael miembro impactado y la abolladura que ocurre en la embarcacin la norma API-RPWSD no establece ningn procedimiento especfico de clculo. Suministra una tabla en lase presentan diferentes espesores recomendados para varios dimetros de tubos, la cua presenta a continuacin:

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Tabla 1. Espesor requerido para resistir impactos de buques (API)

Los valores de esta tabla han sido obtenidos utilizando una energa de impactocorrespondiente a una masa del barco de 1000 ton, con una velocidad de traque de 0,5 m/s ycon un coeficiente de masa aadida de 1,4, cuando el buque colisiona de costado, condicinms desfavorable.

El valor de B* viene dado por la relacin entre el dimetro del tubo y la abolladura delmiembro. Esta tabla solo puede ser aplicada para plataformas fijas costas afuera del tipo jacket.

Para determinar la energa disipada por media de la abolladura local del miembroimpactado, y la fuerza requerida para causar esta deformacin establece las siguientesecuaciones:

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(Ec.17)

(Ec.18)

Donde X representa la profundidad de la abolladura, t es el espesor de la seccin,corresponde al momento plstico, D es el dimetro de la seccin y R el radio de la mismaes el mximo esfuerzo que resiste el material en rango elstico, y son la fuerza deabolladura y la energa que se disipa con la abolladura del miembro respectivamente.

4.3 Health & Safety Executive (HSE), Ship Collision and Capacity of BraceMembers of Fixed Steel Offshore Platforms.

Este manual de diseo trata solamente los casos cuando el buque impacta con la prla popa a la plataforma costa afuera. Esta publicacin de la HSE surge de la necesidad presentar de forma simple una metodologa de clculo para este evento accidental, debique las presentadas en las normas no es fcil aplicar la informacin de forma consistente.


Este manual de diseo establece que los miembros deben resistir como mnimo energa de impacto de 4MJ.


Al igual que las normas estudiadas anteriormente, la energa es disipada mediadiferentes mecanismos.

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4.3.2.1 Deformacin local de la embarcacin

Para determinar cuanta energa se disipa mediante este efecto se presenta el grfico 2.4,antes expuesto en la seccin 2.4.5 del marco terico.

4.3.2.2 Flexin elasto plstica en los miembros impactados

Al igual que las normas anteriores, esta metodologa de clculo solo se aplica a plataformas fijas costas afuera de tipo Jacket.

En este manual de diseo se obtienen las frmulas para determinar la energa mediantela utilizacin del principio del trabajo virtual.

Para cuando el impacto ocurre en el centro del miembro la fuerza y la energa disipadavienen dadas por las siguientes ecuaciones:

(Ec.19)

(Ec.20)

Donde es la rotacin mxima que sufre la viga, los dems parmetros estn enconcordancia con lo expuesto anteriormente

.

Fig.4.2 Viga biempotrada con carga aplicada en el centro

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Para cuando el impacto ocurre en un lugar diferente al centro de la viga, las frmson las siguientes:

(Ec.21)

(Ec.22)

Fig.4.3 Viga biempotrada con carga aplicada fuera del centro


El procedimiento establecido por la HSE para determinar cuanta energa se disipaeste mecanismo fue explicado anteriormente en la seccin 2.4.2 del marco terico.

4.3.2.4 Deformaciones plsticas por traccin en los miembros impactados

Para determinar la energa disipada por estas deformaciones el manual de disestablece, ungrfico el cual relaciona el ngulo de rotacin () con la fuerza necesaria paragenerarlo, tomando en cuenta la traccin que ocurre en el miembro.

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En el cual si se puede despreciar la energa disipada por la traccin, de locontrario esta energa adicional debe ser tomada en cuenta.

Graf.4.5 Curva de deformacin plstica para secciones tubulares a traccin y flexin

4.3.2.5 Deformacin global de la estructura

Este manual de diseo no hace referencia alguna acerca de este mecanismo dedisipacin de energa.

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CAPITULO V

APLICACIN AL CASO REAL

En el presente captulo se explicar de manera detallada como se utiliza el progrSAP2000 para realizar los clculos de una estructura en rango no lineal o elasto- plstico.

5.1 Descripcin del proyecto

Se aplicar, como se ha mencionado anteriormente, el anlisis Push over y

establecido en normas y manuales de diseo a una estructura de proteccin de un muellexportacin de gas, perteneciente a Pacific Gas Energy (PGE), ubicado en la costa atlnticColombia, especficamente en el Golfo de Morrosquillos, municipio Tol, DepartamentSucre.

En esta seccin se realizarn los clculos necesarios para el anlisis de los pilote proteccin de la plataforma Riser del terminal para exportacin de gas. Se trata principalmente, los siguientes aspectos:

- Dimensionamiento y geometra de los pilotes de proteccin- Definicin de escenarios de colisin- Definicin de rtulas plsticas en pilotes y vigas- Determinacin de la profundidad de hinca y anlisis de la interaccin suelo pilote- Determinacin de fuerzas y energas de deformacin

5.2. Clculos aplicados

5.2.1 Embarcacin de diseo

La embarcacin de uso frecuente que ser utilizada para el abastecimiento de plataforma Riser destinada a la exportacin de gas, y que ser considerada como el buque posiblemente pueda impactar la estructura, posee las siguientes caractersticas:

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- Tonelaje de peso muerto (DWT): 860- Manga: 13,2 m

- Eslora: 48 m- Calado mximo: 4,5 m- Puntual: 5,2 m

Se establece uncoeficiente de incremento de masa , de 1,05, el cual es el perteneciente para cuando el barco atraca de forma frontal

Con la siguiente ecuacin se calcula la masa de la embarcacin:

(Ec.23)

La Norma noruega Det norske Veritas establece una velocidad de diseo para el

impacto accidental de 2m/s(3,8 nudos) para buques que posean una masa de 5000 ton de

desplazamiento en sus consideraciones para el diseo de las plataformas costa afuera ubicadasen el mar del norte, con una energa mnima de impacto de 10MJ.

Para el caso analizado lo establecido en la Det norske Veritas aparentan ser excesivas,ya que en esta baha se posee poco oleaje y condiciones favorables de viento, por esta razn seutiliza una velocidad del buque en 1,5 m/s, equivalente a 3 nudos. Que proporcionar laenerga mnima de impacto, tal como se muestra a continuacin:

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5.2.2 Modelo estructural

El modelo estructural de la proteccin de la plataforma de llegada de tuberas (Riva a estar conformada por pilotes verticales empotrados en el lecho marino con vigas etope que servirn de arriostramiento.

5.2.2.1 Geometra de la estructura de proteccin

Fig.5.1 Vista de planta de estructura de proteccin

Plataforma

Riser

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Fig.5.2 Vista, seccin 1-1

Fig.5.3 Vista, seccin 2-2

5.2.2.2 Caractersticas de los materiales estructurales

El acero a utilizar para los elementos estructurales va a ser un ASTM A36 el cual presenta las siguientes propiedades:

- Esfuerzo cedente (y) = 2530 kgf/ - Esfuerzo ultimo( ) = 2850 kgf/

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- Mdulo de elasticidad (E) = 2,1x kgf/ - Relacin de Poisson = 0,3

- Coeficiente de dilatacin trmica () = 12x

5.2.2.3 Caractersticas de vigas y pilotes

Los pilotes y vigas a utilizar van a presentar las siguientes caractersticas:

- Dimetro (D) = 1,22 m (48) - Espesor (t) = 38,1 mm (1 1/2) - rea (A) = 0.14

-

Inercia (I) = 0,39 - Momento mximo elstico (My) = 10,92 MJ- Momento plstico (Mp) = 14,16 MJ- Traccin plstica = 35,34 MN

5.2.3 Mecanismos de absorcin de energa

Para evaluar la estructura de proteccin de la plataforma cuando es colisionada po

buque de diseo definido anteriormente, se procede a determinar la capacidad que tiene de disipar energa mediante los mecanismos explicados en el CAPITULO II.


Para el proyecto analizado no se toma en cuenta cmo afecta la abolladura locamiembro, su prdida de capacidad de resistencia y tampoco se considera la energa disi por este mecanismo.

En el Anexo B se presenta un ejemplo, en el cual se estima la reduccin decapacidad de resistencia del miembro afectado, utilizando la metodologa explicada emanual de diseo publicado por la HSE.

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5.2.3.2 Flexin elasto-plstica

Para determinar la energa disipada por la estructura de proteccin mediante estemecanismo de absorcin de energa se utilizar un anlisis inelstico o Push Over, empleandoel programa SAP2000.

Se estimular lateralmente la estructura con diferentes casos de carga, no simultneos,ubicando fuerzas en diferentes sitios de esta, para conocer su comportamiento en distintassituaciones de colisin y as conocer cul es la ms desfavorable.

A los miembros que componen la estructura se les otorgar o permitir, en sussecciones ms crticas, la capacidad de deformarse plsticamente (rtulas plsticas) hastallegar a su colapso.

Es importante resaltar que este anlisis se realizar tomando en cuenta la relacin queexiste entre el suelo de fundacin y la estructura de proteccin. Para ello se utilizar un programa especializado en ingeniera de fundaciones llamado Allpile, en el cual determinadaslas caractersticas del suelo en el sitio, proporciona el comportamiento de este y la profundidada que deben enterrarse los pilotes de la estructura.

Al analizar los mtodos de clculo establecidos en las normas para hallar la energadisipada por este mecanismo, estas delimitan la aplicacin de los procesos a una plataformafija costa afuera del tipo Jacket, sistemas aporticados con diagonales, y en este caso se estudiauna estructura de proteccin, compuesta por pilotes arriostrados, lo que sugiere que estosmtodos de clculo no pueden ser aplicados al caso que se desea examinar.

5.2.3.2.1 Interaccin suelo estructura

En esta seccin se explicar la determinacin de la profundidad de hincado que deben poseer los pilotes de acuerdo a las caractersticas del suelo de fundacin.

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Como se mencion anteriormente, para determinar de forma precisa la profundidahincado de los pilotes se utiliz el programa Allpile, en el cual se modelo un pilote ycaractersticas del suelo en el sitio, al aplicar una fuerza cortante de 545 KN y un momen2320 KN*m a nivel del suelo, estas fuerzas son las estimadas que pueden actuar en los pilLos resultados obtenidos se muestran en la grfica a continuacin:

Graf. 5.1 Grficos de deflexin, momento y fuerza vs profundidad (Allpile)

Como se puede observar en la primera grfica de deflexin vs profundidad, el pilouna profundidad de aproximadamente 14,5 m experimenta deformaciones insignificantes.

Por otra parte, en el grfico de momento vs profundidad, se puede determinar qu pilote esta solicitado a un valor mximo de momento a 12m de profundidad, decreciencero a una profundidad aproximada de 23,5 m.

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En el grfico de fuerza cortante vs profundidad se observa que la fuerza cortante sehace nula a una profundidad de 25 m, tomando su mximo valor a una profundidad deaproximadamente 14,5 m.

La longitud mnima de hinca del pilote establecida es de 26 m, y la profundidad dellecho marino referida al nivel promedio del mar es de 14,5 m, adems los pilotes tendrn unaaltura por encima del nivel medio del mar de 3,5 m. Al sumar estas distancias se obtiene que el pilote debe tener una altura total de 44 m.

Del anlisis del programa Allpile tambin se obtienen las curvas de comportamientoP-y (fuerza vs desplazamiento) del suelo, a diferentes profundidades, como se muestra en lasiguiente grfica:

Graf. 5.2 Curva carga vs profundidad del suelo (P vs Y)

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La grfica anterior es de suma importancia, ya que va a ser utilizada para simulacomportamiento del suelo en el anlisis de la estructura que ser realizado con el progrSAP2000.

El comportamiento del suelo en el programa SAP2000, es simulado mediante uelementos denominados Links, los cuales son calibrados de forma tal, que sucomportamiento sea el ms parecido al del suelo de fundacin.

Para colocar los Links en el pilote se debe seleccionar Draw, la opcin Quick Draw

Link, y elegir el tramo en el cual se desea colocar, como se muestra a continuacin:

Fig.5.4 Link

Como se puede observar en la figura 5.4, se coloca una articulacin al final del Link para restringir los desplazamientos que este puede sufrir en la direccin del eje x y z.

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Luego se deben definir las propiedades del Link, se sigue la ruta deDifene, SectionProperties, Link/Support Properties, y a continuacin aparecer una venta en la cual hay

que seleccionar la opcin Add New Property.

Despus de seguir lo dicho anteriormente surgir una ventana en la cual en el recuadrode Link/Support Type hay que elegir la opcin Multilinear Elastic y en el recuadro de

Directional Properties, se selecciona la opcin U1 y Non Linear, luego se hace click en

Modify/Show for U1, como se muestra a continuacin:

Fig. 5.5 Propiedades de N-Link

Luego de hacer lo explicado anteriormente aparecer una ventana en la cual se presentaen la parte inferior una tabla que est compuesta por dos columnas, una de Disp l

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(desplazamiento) y Force (fuerza), en cada columna se deben introducir los valore s dedesplazamiento con su fuerza asociada, obtenidos de las curvas fuerza vs desplazami proporcionadas por el programa Allpile, este recuadro se muestra a continuacin:

Fig.5.6 Comportamiento de N-Link

Este procedimiento se debe realizar para varios Links a diferentes profundidadecaractersticas de suelo, hasta lograr simular la interaccin suelo estructura, en la imagen

izquierda presentada a continuacin se muestran los resultados del programa Allpile cargas laterales, del lado derecho se muestra el modelo realizado en SAP, ambos deben poresultados semejantes.

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Fig.5.7 Comparacin curva momento-profundidad de Allpile y SAP2000

5.2.3.2.2 Anlisis inelstico o Push over

Para realizar el anlisis de Push over, primero se debe crear la estructura en el programa, con las caractersticas geomtricas conocidas y las caractersticas de los materialesdefinidas anteriormente. Adicionalmente se introducirn los elementos N -Link que simulanel comportamiento del suelo para cargas horizontales.

Los elementos N -Link han sido calibrados anteriormente con el programa Allpile.

Ya con los elementos que simulan la conducta del suelo que interacta con los pilotes,y la estructura creada en el programa, se obtiene el siguiente modelo en el software:

Depth (Zp)fromPile Top-m

Depth (Zp)fromPile Top-m

0 0

2 2

4 4

6 6

8 8

10 10

12 12

14 14

16 16

18 18

20 20

22 22

24 24

26 26

28 28

30 30

Ground

0-50000.00 +50000.00

Lateral Moment Vertic al yt Slope Max.No. Load Load Load at Top at Top Moment (kN) (kN-m) (kN) (cm) (cm/cm) (kN-m)

1 128.0 1520.0 450.0 4.2 -0.01 2130.02 382.0 4570.0 450.0 16.7 -0.02 6820.03 638.0 7620.0 450.0 31.6 -0.04 11900.04 892.0 10700.0 450.0 48.8 -0.06 17400.05 1020.0 12200.0 450.0 57.9 -0.08 20400.06 1150.0 13700.0 450.0 67.2 -0.09 23400.07 1280.0 15200.0 450.0 77.1 -0.10 26500.0

MOMENT -kN-m

Single Pile, Khead=1, Kbc=1PILE MOMENT vs LOADING

- . .

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Fig.5.8 Estructura de proteccin en 3-D en SAP2000

A continuacin, se define el comportamiento de las rtulas plsticas que van a localizadas en las secciones crticas de los miembros que conforman la estructura proteccin. Para ello se decide que las rtulas plsticas van a tener el comportamiento def por la norma FEMA 356, el cual se muestra a continuacin:

Graf.5.3 Curva de comportamiento de rtulas plst

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