Análisis paramétrico de plataformas marinas fijas sometidas a oleaje

Abstract

El presente trabajo contiene un estudio del comportamiento dinámico de las plataformas marinas fijas y sus respuestas dinámicas cuando se encuentran sometidas a carga de oleaje. Este estudio se realizó mediante modelos bidimensionales sujetos a una carga no lineal como lo es el oleaje marino. Los modelos en estudio fueron extraídos de estudios previos publicados en libros dedicados a cubrir los temas de estructuras marinas y de publicaciones realizadas en los congresos de ingeniería estructural. La configuración estructural de las plataformas marinas no representa una dificultad; sin embargo, la carga del oleaje marino que rodea a la estructura si lo representa debido a su naturaleza. Debido a lo anterior se recurre a teorías que representen el oleaje marino de manera matemática. En este estudio se emplea la teoría de Airy, una teoría lineal ampliamente difundida debido a su simplicidad, facilidad de uso y sus buenas estimaciones en la representación del oleaje marino. A pesar de disponer de la teoría de Airy y la representación matemática del oleaje con ella, resulta difícil analizar la estructura con la fuerza hidrodinámica obtenida al emplear la teoría de Airy. Si bien es cierto que existen programas de cómputo especializados en dichos análisis, en este trabajo se realizaron suposiciones acerca de cómo se distribuye la fuerza de oleaje sobre los elementos sumergidos que permitan realizar un análisis sencillo y rápido en el programa Matlab. En el presente trabajo se analizaron las características geométricas, dinámicas y de sitio de los modelos recopilados, con la finalidad de generar una familia de estructuras. De esta manera se amplió el análisis sobre un conjunto mucho más grande de modelos estructurales. El análisis estructural se llevó a cabo sobre una programación propia creada en Matlab para este tipo de estructuras que permitió obtener respuestas tales como el periodo fundamental de vibración, los desplazamientos laterales máximos en la parte superior de la plataforma marina, las fuerzas axiales en el elemento más cargado y el momento flector máximo sobre el elemento más cargado. Posteriormente se analizó la dependencia de las respuestas obtenidas a los parámetros aquí considerados como la relación h/H (Altura sumergida/altura total), relación de diámetros $P/$S, el tipo de arriostre, la amplitud del oleaje, el periodo de la ola y el grado de fijación en el fondo marino (N0). Finalmente, el análisis de las repuestas y su dependencia de los parámetros permitieron desarrollar una propuesta de un método simplificado que permite estimar las respuestas de la plataforma marina de una manera mucho más rápida. Este método propone fórmulas con tal objetivo, que son válidas dentro de los rangos de los parámetros aquí considerados.

The present research contains the study of the dynamic behavior of fixed offshore platforms and their dynamic responses when they are under the action of wave loads in the sea. This study was carried out using two-dimensional models subjected to a non-linear load such as the ocean waves. The models under study were extracted from previous studies published in specialized books to cover the issues of marine structures and publications of structural engineering congresses. The structural configuration of offshore platforms does not represent a difficulty; however, the load of ocean waves surrounding the structure does represent a difficulty because its nature. Due to the last reason, theories are used to represent the sea waves mathematically. In this study, Airy’s theory is used, a linear theory widely spread due to its simplicity, ease of use and good estimates in the representation of the ocean waves. Despite having Airy theory and the mathematical representation of the waves with it, it is difficult to analyze the structure with the hydrodynamic force obtained by using the theory of Airy. Although it is true that there are specialized computing programs for analyzing this type of structures and loads, in this study, it is made some assumptions about how the force of waves is distributed on submerged elements that allow us to perform a simple and quick analysis in Matlab program. In this study geometric, dynamic and site characteristics of collected models were analyzed in order to generate a family of structures. In this way, the analysis was expanded on a much larger set of structural models. The structural analysis was carried out entirely on an own program created in Matlab for this type of structures that allowed to obtain responses such as the fundamental period of vibration, the maximum lateral displacements at the top of the platform, the axial forces on the most charged element and the máximum bending moment on the most loaded element. Subsequently it was analyzed the dependence of the responses to the parameters considered here as the ratio h/H (submerged height / total height), 0P/0S diameter ratio, type of bracing, the amplitude of the wave, the wave period and the degree of fixation on the seafloor (N0). Finally, the analysis of the responses and their dependence on the parameters allowed the development of a simplified method to estimate the responses in a much faster way, this method proposes formulas for this purpose that are valid within the ranges of the parameters considered here.