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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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Nuestra parte del vortice


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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)


Articulos_de_Sobre_Estructuras_Costa_Afuera/390px--Steep_deep_water_wave.ogv.jpg

Articulos_de_Sobre_Estructuras_Costa_Afuera/390px--Steep_deep_water_wave.ogv.jpg

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Velocity Potential (Dean, Fenton)

Solitary (Ola Solitaria)

Stream Function (corriente)



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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


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


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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


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Simulacion de Lanzamiento

● Transiente – Remolque incremental, deslizamiento, Lastre, Entrada de Agua


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Simulacion de Lanzamiento

● Efectos del agua y viento

● Efectos de atirantamiento

● Efectos Barcaza - fricción, aplastamiento

● Efectos de Inercia


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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”


Allowable Working Stresses for

Pipe Shapes


Hydrostatic Collapse Only


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


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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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