Diseño de estructura offshore tipo jacket con pieza de ...
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Escuela Técnica Superior de Ingenieros de Caminos, Canales y Puertos.
UNIVERSIDAD DE CANTABRIA
Trabajorealizadopor:
DanielBoladoFernández
Dirigido:
FranciscoBallesterMuñoz
JokinRicoArenal
Titulación:
GradoenIngenieríaCivil
Santander,juniode2017
TRABAJOFINALDEGRADO
DISEÑODEESTRUCTURAOFFSHORETIPOJACKETCONPIEZADETRANSICIÓNDEHORMIGÓN
RESUMEN
TÍTULODELTFG:Diseñodeestructuraoffshoretipojacketconpiezadetransicióndehormigón.
AUTOR:DanielBoladoFernández
DIRECTOR:FranciscoBallesterMuñoz
CODIRECTOR:JokinRicoArenal
CONVOCATORIA:Junio2017
PALABRAS CLAVE: Eólica, offshore, jacket, pieza de transición, resonancia, esfuerzoaxil,pilotes.
PLANTEAMIENTO: El objetivo del presente estudio es reducir los costes de lasestructurasoffshoretipojacketparaaumentarsuuso.Paraelloseproponesustituirlapiezadetransicióndeljacket,queeslaqueconectalaturbina con el soporte. Esta pieza supone un gran porcentaje del presupuesto delaerogenerador ya que es una pieza metálica que requiere grandes costes deconstruccióndebidoasucomplejidad.Laalternativapropuestaesunapiezadetransiciónsencilladehormigónarmado,quepuede fabricarse en obra. Para determinar si la estructura con la modificaciónpropuestaesválidaonoserealizaunanálisisestructuralmedianteelsoftwareMIDAS,dondeseevalúanlosefectossobrelosesfuerzosaxilesdeljacketyelcomportamientodinámicodelaestructura;asícomoelefectosobrelascimentacionesdemanerabásicamedianteunahojaExcel.
Laestructurajacketpropuestaparaesteestudioconstadetrespatas,yaqueimplicaungranahorroeconómicoal suponerunaperforaciónmenospara la instalaciónde lospilotes.Suscaracterísticasseobtienendeunaestructuradecuatropatasmedianteuncálculo de inercias equivalentes. La ubicación de la zona objeto de estudio estácomprendidaentrelacostanortedeFranciaylacostasurdeReinoUnido,dadoqueyaexistenproyectosdeestructurasoffshoretipojacketenlazona.
CONCLUSIONES:Laestructurajacketpropuestaresistelascargasdeoleajedemaneraelásticaynoentraenresonanciaconeloleajeniconelrotordelaturbina,deacuerdoconlascondicionesmeta‐oceánicasygeotécnicasdadas.Encuantoalefectosobrelascimentaciones,cabedestacarqueelpesodelapiezadetransiciónaumentaráoreducirálasdimensionesdelacimentacióndependiendodelmododefallo,yaqueelpesodelaestructuraesunacargafavorableenelarranqueydesfavorableenelhundimiento.
ABSTRACT
TFGTITLE:Designofoffshorejacketstructurewithconcretetransitionpiece.
AUTHOR:DanielBoladoFernández
DIRECTOR:FranciscoBallesterMuñoz
CO‐DIRECTOR:JokinRicoArenal
CALL:June2017
KEYWORDS:Wind,offshore,jacket,transitionpiece,resonance,axialforce,piles.
APPROACH:Theobjectiveofthepresentstudyistoreducethecostsofoffshorejacketstructurestoincreasetheiruse.Itisproposedtoreplacethejackettransitionpiece,whichistheonethatconnectstheturbinetothesupport.Thispiecerepresentsalbigpartofthewindturbine'sbudgetbecauseitisametalpartthatrequireshugeconstructioncostsduetoitscomplexity.The alternative proposed is a simple transition piecemade of reinforced concrete,whichcanbemanufacturedonsite.Inordertodeterminewhetherthestructurewiththeproposedmodificationisvalidornot,astructuralanalysisiscarriedoutusingtheMIDASsoftware,whichevaluatestheeffectsontheaxillarystressesoverthejacketandthedynamicbehaviorofthestructure;AswellastheeffectonthefoundationsinabasicwayusinganExcelsheet.Thestructureproposedforthisstudyconsistsofthree‐leggedjacket,becauseitimpliesahugeeconomicsavingfrombeingalessperforationfortheinstallationofthepiles.Itscharacteristics are obtained from a four‐legged structure by an equivalent inertiacalculation.ThelocationoftheareaunderstudyisbetweenthenorthcoastofFranceand the south coast of theUnitedKingdom, as thereare already several projectsofoffshorejacketstructuresinthezone.
CONCLUSION:Thejacketstructureproposedresiststheloadsofwavesinanelasticwayanddoesnot come into resonancewith thewavesorwith the rotor of the turbine,accordingtothemeta‐oceanicandgeotechnicalconditionsgiven.Regardingtheeffectonthefoundations,itisimportanttoemphasizethatthemassofthetransitionpiecewill increase or reduce the dimensions of the foundation depending on the failuremode, since theweightof thestructure isa favorable load for thepileupliftandanunfavorableloadforthesinkingofthepile.
Índice
1.Introducción................................................................................................................................................1
2.Estadodelarte............................................................................................................................................3
2.1Introducciónalaenergíaeólica...................................................................................................3
2.2Introducciónalaenergíaeólicamarina...................................................................................8
2.3Parqueeólicomarino.......................................................................................................................9
2.4Definicióndeunaerogeneradormarino...............................................................................13
2.4.1Rotor............................................................................................................................................15
2.4.2Góndola.......................................................................................................................................15
2.4.3Estructuradesoporte...........................................................................................................16
2.5Tiposdeestructuradesoporte.................................................................................................17
2.5.1Estructuradegravedad.......................................................................................................18
2.5.2Monopilote................................................................................................................................19
2.5.3Tripilote......................................................................................................................................20
2.5.4Trípode.......................................................................................................................................21
2.5.4Jacket...........................................................................................................................................23
2.5.4.1Piezadetransición........................................................................................................25
2.5.5Cimentacionesflotantes......................................................................................................27
3.Condicionesdediseño..........................................................................................................................29
3.1Geometríajacket..............................................................................................................................29
3.1.1Cálculoinercial........................................................................................................................31
3.2Condicionesmedioambientales................................................................................................35
3.2.1Viento..........................................................................................................................................36
3.2.2Alturadeoladediseño........................................................................................................36
3.2.3Corrientes..................................................................................................................................38
3.2.4Niveldelagua...........................................................................................................................38
3.3Condicionesgeotécnicas..............................................................................................................39
3.4Descripciónbásicadelaturbina...............................................................................................40
4.Cálculodelascargasdeoleaje..........................................................................................................42
4.1EcuacióndeMorison......................................................................................................................42
4.1.1Adaptacióndelageometría...............................................................................................44
4.1.2Obtencióndelosparámetros............................................................................................45
4.1.2.1Corriente............................................................................................................................46
4.1.2.2Oleaje..................................................................................................................................48
4.1.2.3Crecimientomarinoduro...........................................................................................54
4.1.2.4NúmerodeKeulegan‐Carpenter.............................................................................56
4.1.2.5Coeficientedearrastreparaflujoestacionario(CDS).....................................57
4.1.2.6Coeficientedearrastre(CD)......................................................................................57
4.1.2.6Coeficientedeinercia(CM)........................................................................................59
4.1.3Resultados.................................................................................................................................61
5.Otrascargasdediseño.........................................................................................................................64
5.1Cargasasociadasaljacket...........................................................................................................64
5.1.1Peso..............................................................................................................................................64
5.1.2Empujehidrostático..............................................................................................................65
5.2Cargasasociadasalaerogenerador.........................................................................................66
5.2.1Peso..............................................................................................................................................66
5.2.2Viento..........................................................................................................................................66
6.Diseñobásicodelospilotes...............................................................................................................68
6.1Factoresdecarga.............................................................................................................................69
6.2Factoresdematerial......................................................................................................................69
6.3Modosdefallo...................................................................................................................................70
6.3.1Hundimiento............................................................................................................................70
6.3.1.1Resistenciaporpunta..................................................................................................70
6.3.1.2Resistenciaporfuste....................................................................................................71
6.3.2Arranque....................................................................................................................................72
6.4Dimensionesdelpilote.................................................................................................................73
7.Diseñodelapiezadetransición......................................................................................................76
7.1DefinicióndelmodeloenMIDAS..............................................................................................76
7.1.2GeometríaJacket.....................................................................................................................76
7.1.3Empujehidrostático..............................................................................................................77
7.1.4Cargasdeoleaje......................................................................................................................77
7.1.5Cargadeviento........................................................................................................................78
7.1.6Aerogenerador........................................................................................................................78
7.2Piezapropuesta................................................................................................................................79
7.3Cálculodeesfuerzosaxiales.......................................................................................................81
7.4Comprobacióndinámica..............................................................................................................83
7.5Efectosobrelascimentaciones.................................................................................................86
7.6Conclusiones......................................................................................................................................87
Bibliografía.....................................................................................................................................................89
Anexo1–Informaciónmeteoceánica................................................................................................94
Anexo2–Geotecnia...................................................................................................................................95
Anexo3–HojadeExcel............................................................................................................................96
3.1‐Cálculodeinercias.......................................................................................................................96
3.2–Cálculodevolumenyempuje..............................................................................................102
3.3Cálculodecargasdeoleaje.......................................................................................................104
3.4Cálculogeotécnico.......................................................................................................................117
Tabla de Figuras
Figura1‐MolinodeejeverticalutilizadoenlaantiguaPersia.................................................3 Figura2‐MolinoSardinero(sigloXVI)enCiudadReal................................................................4 Figura3‐PrimeraerogeneradorcreadoporCharlesF.Brush..................................................5 Figura4‐MHIVestasV1648MW...........................................................................................................6 Figura5‐Consumoenergéticomundial2005‐2015......................................................................6 Figura6‐Capacidadeólicainstaladaporregión2008‐2016.....................................................7 Figura7‐Capacidadeólicamarinainstaladaporpaísymundialmente...............................9 Figura8‐ParqueeólicomarinoSheringhamShoal317MW..................................................10 Figura9‐Esquemaparqueeólicomarino(distanciasendiámetros).................................11 Figura10‐Esquemadelaconexióneléctricaparqueeólico...................................................12 Figura11‐Esquemadeunaerogeneradormarino.....................................................................13 Figura12‐Elementosdelagóndoladeunaerogenerador......................................................16 Figura13‐Tiposdecimentacionesenfuncióndelaprofundidad.......................................17 Figura14‐Estructuradegravedad....................................................................................................18 Figura15‐Cimentaciónmediantemonopilote.............................................................................20 Figura16‐SoportedeestructuratripiloteBARD........................................................................21 Figura17‐Estructuradesoportetrípode.......................................................................................22 Figura18‐Estructuratipojacket........................................................................................................23 Figura19‐Pilotadopreviodeunaestructurajacket..................................................................24 Figura20‐Piezadetransiciónmetálica...........................................................................................25 Figura21‐PiezadetransicióndehormigónSiemens4patas................................................26 Figura22‐PiezadetransicióndehormigónSiemens3patas................................................26 Figura23‐Cimentacionesflotantes...................................................................................................27 Figura24‐Cimentacionesflotantessegúnmétododeestabilidad.......................................28 Figura25‐Geometríabásicajacket....................................................................................................29 Figura26‐Jacketde4patas3DAutoCAD.......................................................................................30 Figura27‐RepresentacióndelTeoremadeSteiner...................................................................31 Figura28‐Momentodeinerciasegúnposicióneje....................................................................32 Figura29‐Efectodelosparámetrosenelmomentodeinercia............................................33 Figura30‐Jacketde3patas3DAutoCAD.......................................................................................34 Figura31‐Estructuraoffshoreenuntemporal............................................................................35 Figura32‐Perfilmediodevientoenfuncióndelterreno........................................................36 Figura33‐Espectrodireccionaldeloleaje......................................................................................37 Figura34‐Definicióndelosnivelesdeagua..................................................................................39 Figura35‐Perfildecorrientesenfuncióndelafasedeloleaje.............................................47 Figura36‐Bloqueodelflujodebidoaunaestructura...............................................................48 Figura37‐RelaciónentreTappyT....................................................................................................49 Figura38‐Longituddeondarespectoalperiododeolaadistintasprofundidades....50 Figura39‐PerfildevelocidadesparaTminyTmaxy =0......................................................51
Figura40‐PerfildevelocidadesparaTminenfuncióndelafasedelaola......................52 Figura41‐PerfildeaceleracionesparaTminyTmaxyφ=π/2.............................................53 Figura42‐Crecimientomarinoenunelementocircular.........................................................55 Figura43‐CoeficientedeinerciaenfuncióndeKC....................................................................56 Figura44–Factordeamplificaciónporlaestela.........................................................................58 Figura45–CoeficientedeinerciaenfuncióndeKC....................................................................60 Figura46–CoeficientedeinerciaenfuncióndeKC/CDS...........................................................60 Figura47‐Cargasdeoleajemáximasparacadalímitedelperiodo....................................62 Figura48‐Momentosdebidosalascargasdeoleajemáximas.............................................62 Figura49–ModeloMIDASdeljacketparaverificarpeso........................................................65 Figura50‐Formasderoturadelterrenobajounpilote...........................................................68 Figura51–Factordeseguridadparalosmodosdefallo,casodecarga(a)y(b)..........74 Figura52‐RepresentacióndelempujeenMIDAS.......................................................................77 Figura53‐Alternativasdepiezadetransición.............................................................................79 Figura54–Vistasdelapiezadetransiciónescogida,cotasenm.........................................80 Figura55–ModeladodelapiezadetransiciónMIDAS.............................................................80 Figura56‐Casodecargaextremo.......................................................................................................81 Figura57‐Máximoesfuerzoaxilenlaspatasdeljacketsegúnmasa.................................82 Figura58‐Modosnaturalesdevibración........................................................................................83 Figura59‐Obtencióndelafrecuencianaturaldelaturbina..................................................84 Figura60‐Frecuencianaturaldelaturbinasegúnmasa.........................................................84 Figura61‐Frecuenciasrelevantesdelaturbina..........................................................................85 Figura62‐Frecuencias1P,2Py3P....................................................................................................86 Figura63‐Longituddelpilotesegúnmasadelapiezadetransición.................................87
TFGDanielBoladoFernández
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1. Introducción
Enlosúltimosañossehaproducidounaugedelademandaenergéticamundial.Esteaumento de la demanda también se ha visto reflejado en la demanda de energíarenovables,fomentadoporunaumentadoeneldesarrollodelastecnologías.
Laproducciónenergéticaeólicamarinaha ido teniendoun impulsocadavezmayordurante los últimos años del siglo XXI, debido a que presenta ventajas claras conrespectoalaimplantacióndeestosgeneradoresentierra.
Deigualformaqueenlaenergíaeólicaengeneral,enlaenergíaeólicamarinasehaapreciadounnotableaumentoencapacidadinstaladaenlosúltimosaños.En2011secontabacon4.117MW,yactualmenteen2016secuentacon14.384MW,aumentadoen2016un18,2%lapotenciainstaladarespectoalaño2015.
Enesteestudio,sepretendereducirloscostesdelasestructurasoffshoretipojacketparaaumentarelusodeestetipodeestructuras.Paraellosevaareducir loscostessustituyendolapiezadetransicióndeljacket,queeslapiezaqueconectalaturbinaconel soporte. Esta pieza de transición supone una gran parte del presupuesto delaerogenerador ya que es una pieza metálica que requiere grandes costes deconstruccióndebidoasucomplejidad.
Lapiezadetransiciónqueseproponecomoalternativaesunapiezasencillafabricadaconhormigónarmado,yquesepuedefabricarenobra.ConestapiezadetransicióninstaladasobreeljacketserealizaráunanálisisestructuralconelsoftwareMIDAS.Seanalizaráelefectosobrelosesfuerzosaxilesdelajacket,elcomportamientodinámicodelaestructurayelefectosobrelascimentacionesquesecalcularándemanerabásicamedianteunahojaExcel.
Laestructurajacketpropuestaparaesteestudio,seráunajacketdetrespatasqueseobtendrásobreunaestructurade4patasmedianteuncálculodeinerciasequivalentes.Sehadecididoqueestásolucióndetrespatasesmejorparalazonadeestudio,queeseláreaentrelacostanortedeFranciaylacostasurdeReinoUnido,yaquehayvariosproyectosplanteadosenestazonadondesepiensainstalarestructurasoffshoretipojacket.Sehadecididoqueunaopcióndetrespatasesmáseconómicayaquesuponeunaperforaciónmenosparalainstalacióndelospilotes,queenalgunosdelossuelosdelazona,perforadosconmétodosespecíficos,suponeungranahorrodedinero.
Pararealizarelcálculoestructuraldelaestructurajackethasidonecesariocalcularlascargasdeoleaje,viento,yelpesoyempujehidrostáticodelaestructura.EstoscálculossehanllevadoacaboconlaayudadeunahojadeExcel,yhansidocomprobadospormediodelosvaloresobtenidosenMIDASoenAutoCAD,dependiendodelcaso.
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LascargasdeoleajehansidoobtenidaspormediodelaecuacióndeMorison
LaecuacióndeMorisonsetratadeunafórmuladetiposemiempírico,querepresentalafuerzaporincrementodelongitudsobreuncilindroverticalenmovimientocomolasuma de las fuerzas de inercia y arrastre que componen las cargas de oleajeprincipalmente. Por lo tanto, se procederá a obtener un diámetro equivalente de laestructurajacketpormetrolinealdeestructuraparapoderutilizarestaformulación.
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2. Estado del arte
2.1 Introducción a la energía eólica
Laenergíaeólicaesunaenergíarenovableobtenidadirectamentedelviento,peroquetienesuorigenindirectamenteenelsol.
Laradiaciónsolaresabsorbidairregularmenteporlaatmósfera,loqueprovocamasasde aire con diferentes temperaturas, y por tanto densidades y presiones. El aire sedesplaza debido a las diferencias de presión, moviéndose de los lugares de mayorpresiónalosdemenorpresión.Estefenómenodalugaralviento.
La energía eólica es una de las formas de energía más antiguas usadas por lahumanidad.Hayqueretrocederhastaelaño3.000a.C.paraencontrarelprimerusogeneralizadodelvientocomofuentedeenergía.FueenlosprimerosbarcosvelerosenelantiguoEgipto.LosprimerosmolinosdevientodatandelsigloVIIyselocalizaronenSistán,enlaactualAfganistán(antiguaPersia).Aquellosmolinos,deejeverticalyconseisuochovelasdetela,seusabanparamolergranooparabombearagua.Elmolinopersateníaunfuncionamientomuysencillo,segúnladescripciónhechaenelsigloXIII,porelcosmógrafoAl‐Dimasqi.Elaparatoteníaunatorredemamposteríaconunaparedfrontal, que dirigía el viento sobre las palas rotoras y gracias a un sistema decompuertas,permitíalaentradadelaire.
Figura1‐MolinodeejeverticalutilizadoenlaantiguaPersia
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EnEuropaseconstruyeronlosprimerosmolinosenelsigloXIIenFranciaeInglaterra.Eranunasestructurasdemadera,conocidascomotorresdemolino,quesehacíangiraramanoalrededordeunpostecentralparalevantarsusaspasalviento.ElmolinodetorresedesarrollóenFranciaalolargodelsigloXIV.Consistíaenunatorredepiedracoronadaporunaestructurarotativademaderaquesoportabaelejedelmolinoylamaquinaria superior del mismo. Los molinos de eje horizontal fueron usadosextensamente en Europa Occidental para moler trigo desde la década de 1180 enadelante.EnEstadosUnidos,eldesarrollodemolinosdebombeo,reconociblesporsusmúltiples velas metálicas, fue el factor principal que permitió la agricultura y laganaderíaenvastasáreasdeNorteamérica,deotramaneraimposiblesinaccesofácilalagua.
Figura2‐MolinoSardinero(sigloXVI)enCiudadReal
ConlainvencióndelamáquinadevapordurantelaRevoluciónIndustrial,losmolinosperdierongranpartedesuutilidadyelsiguientepasoenlahistoriadelaenergíaeólicallegóenlosprimerosañosdeesesigloXIX.Conlallegadadelaelectricidad,afinalesdelsigloXIXlosprimerosaerogeneradoressebasaronenlaformayelfuncionamientodelos molinos de viento. En 1802 Lord Kelvin tuvo la idea de acoplar un generadoreléctrico a una máquina que aprovechara el viento. Fue el antecedente delaerogenerador, que no se pudo crear hasta que en 1850 se inventó la dinamo. Elinventor Charles F. Brush creó en 1888 la primera turbina eólica para generarelectricidad.Lasdimensioneseranparaaquellaépocaenormes:Diámetroderotorde17my144hojasderotordemaderadecedro.Estuvoenfuncionamientodurante20años,durante los cuales alimentounabatería colocadaen su sótano.Apesarde lasdimensionesdelrotor,lapotenciadelaerogeneradorerasolamentede12kW.
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Figura3‐PrimeraerogeneradorcreadoporCharlesF.Brush
EnlaprimeramitaddelsigloXXhayunagrancantidaddetrabajosrelevantestantoenEuropacomoenEstadosUnidos.Sinembargo,nohubouninterésrealporlaenergíaeólicahastalosaños70.Conlaprimeracrisisdelpetróleoenlosaños70,sobretodoapartir de los movimientos contra la energía nuclear en los años 80 en Europa, sedespertóelinterésenenergíasrenovables.Sebuscaronnuevoscaminosparaexplotarlosrecursosde laTierratantoecológicamentecomorentableseconómicamente.Losaerogeneradores de aquella época eran demasiado caros, y el elevado precio de laenergíaqueseobteníaatravésdelosmismoseraunargumentoparaestarencontradesuconstrucción.Debidoaesto,losgobiernosinternacionalespromovieronlaenergíaeólicaen formadeprogramasde investigaciónydesubvenciones, lamayoríade lasmismasaportadasporlosgobiernosregionales.Afinalesdeesadécadaaparecieronlosprimerosaerogeneradorescomerciales,queen1980llegaronagenerar55kW.
Enlaactualidad,losaerogeneradoresdemayorpotenciaalcanzanhastalos8MW,conunrotordehastalos180mdediámetroyunaalturadehasta160mhastaelejedelrotor.
En la actualidad, la energía eólica, se considera una importante fuente de energíaporqueesunafuentedeenergíalimpiaquenogeneracontaminaciónynodañaelmedioambiente.Enlaactualidad,sóloel1,44%delaenergíageneradaenelmundoprovienedeeste tipode fuentedeenergíaeólica.Sinembargo,elpotencialdeexplotaciónesgrande.
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Figura4‐MHIVestasV1648MW
En el ámbito mundial, el aprovechamiento de la energía eólica ha aumentado deenormemente en la última década,multiplicándose su utilizaciónmás de un 600%,pasando de suponer un 0,22% del consumo mundial de energía en el año 2005 asituarse en el 1,44% diez años más tarde. Este consumo se corresponde con unacapacidadeólicainstaladade486.749MW.
Figura5‐Consumoenergéticomundial2005‐2015
Estos486,8GWdeenergíaeólicaserepartenenmásde90países,deloscuales9paísescuentanconmásde10GWinstalados,yqueenconjuntosuponenun80%delapotencia
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instaladaenelmundo.Hayun totalde29paísesquedisponendemásde1GWdepotencia eólica instalada. En el año 2016, la potencia instalada creció en un 12,6%respectoalañoanterior.
La distribución de potencia eólica instalada es muy dispar. Asia, Europa y NorteAméricasurgencomoclarosdominantesenesteaspecto,yaquecuentanconun95%deltotaldelapotenciainstalada.Dentrodeestasregiones,cabedestacarelpapeldeChina,lídermundialenenergíaeólicainstalada,quealcanzaunapotenciainstaladade168,7GW,quesuponeun34,7%deltotalmundial.
Latendenciapareceindicarqueenlospróximosañosestoscontinentesvanaseguirsiendo líderes en energía eólica, porque lanuevapotencia eólica instalada continúasiendomayorenestasregionesqueenelrestodelmundo.
Figura6‐Capacidadeólicainstaladaporregión2008‐2016
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2.2 Introducción a la energía eólica marina
Laproducciónenergéticaeólicamarinaha ido teniendoun impulsocadavezmayordurante los últimos años del siglo XXI, debido a que presenta ventajas claras conrespectoalaimplantacióndeestosgeneradoresentierra.
Laenergíaeólicamarinaserefierea laconstrucción,operaciónymantenimientodeparqueseólicosenelmarutilizando la fuerzadelviento,donde lavelocidadesmásconstanteyproductiva,paramovergrandesaspasqueproduzcanfuerzasuficienteparagenerarenergíaeléctricaconlafuerzadelviento.
Lasventajasqueofrecelaobtencióndeenergíaeólicamarinasedeben,sobretodo,alascaracterísticasdelvientoenelmar.Esteesmuchomásconstantequeentierraydependeenmenormaneradelasépocasdelañoconloquelaproduccióneléctricaesmenosvariablemaradentro.
De la misma manera las diferencias de temperaturas, a distintas altitudes de laatmósfera,queseproducenenelmarsoninferioresalasdetierraadentro,pudiendoemplazarseaerogeneradoresdemásbajaalturaconunmayorperíododetrabajoútilyla consecuente eficiencia técnica de producción energética. Por otro lado, losaerogeneradoresdeenergíaeléctricamarinatienenmenosobstáculosparaelvientoyaquenohaycolinasoconstruccionesqueestorbensupasocuandocambiadedirección.Laproduccióndelosaerogeneradoresmarinosesun50%mayorqueaquéllosubicadosenterrenolisoentierra
Losaerogeneradoresmarinossonmásfácilesdeubicarenzonasquenoseandepasodeavesmigratorias locualdisminuyeel impactodirectodeestasoluciónsobreunasolución en tierra firme. Así mismo el impacto visual y acústico se ve igualmentereducidoyaquelasestructurasnosuelenservisiblesdesdetierraysesuelenconstruiralejadasdeloscanalesdenavegación.
Las desventajas de la energía eólica marina en comparación con la radicanprincipalmente en factores económicos, ya que se necesita de unos costes deconstrucciónmayores al realizarseunaestructuramarina.Estos costes sondebidosprincipalmente a condiciones ambientales más severas y la dificultad y el gastoasociadoaconectarlosaerogeneradoresalaredeléctricaentierrafirme.Notablessonloscostesañadidosporlaestructuradesoporte,tantoporlascimentaciones,comoporlapiezadetransición,queintentaranreducirseenelpresenteestudio.
En la capacidad eólica marina instalada cabe destacar la supremacía de los paíseseuropeos, que ocupan seis de las siete primeras posiciones de mayor capacidadinstalada.DentrodeesterankingChina,ellídermundialenenergíaeólica,apareceentercerpuesto,contandoconunacapacidadde1GW,claramentepordetrásdeReinoUnidoyAlemania,con5,1GWy3,3GWdecapacidadinstalada,respectivamente.
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Deigualformaqueenlaenergíaeólicaengeneral,enlaenergíaeólicamarinasehaapreciadounnotableaumentoencapacidadinstaladaenlosúltimosaños.En2011secontabacon4.117MW,yactualmenteen2016secuentacon14.384MW,aumentadoen2016un18,2%lapotenciainstaladarespectoalaño2015.
Figura7‐Capacidadeólicamarinainstaladaporpaísymundialmente
2.3 Parque eólico marino
Las primeras propuestas de parques eólicos marítimos tuvieron lugar en los añossetenta.Laprimera turbinaquese instalófueen1991enNogersud,marBáltico,enSuecia,conunapotenciade220kW,actualmentefueradefuncionamiento.Elprimerparque marino fue en Vindeby, Dinamarca, aunque tenía un carácter más deinvestigaciónquedeexplotación,comenzósuproducciónen1991,cononceturbinasde450kW,delamarcadanesaBonus.LesiguieronHolanda,SueciaeInglaterra,conparquestambiénconcebidosparalainvestigaciónylaexploración.ElprimerparquemarítimocomercialseinstalóenMiddelgrunden,Copenhagen,Dinamarca,enel2001,conunacapacidadde40MW.
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Figura8‐ParqueeólicomarinoSheringhamShoal317MW
Enlaactualidadlosparquesoffshore,sesitúanenaguaspocoprofundas,alejadosdelasrutasdetráficomarino,delasinstalacionesestratégiconavalesydelosespaciosdeinterésornitológico.Ladistanciaalacostadebesercomomínimodedoskilómetrosparaaprovecharmejorelrégimendevientos,decaracterísticasdiferentesa losquelleganatierra.
Laprofundidadmediadelosparqueseólicosmarinosexistentesenelmundoesinferiora los 20 m. Con carácter excepcional, algún parque comercial puntual superaligeramentelaprofundidadde50m,quepuedeconsiderarseellímitebatimétricoparalatecnologíaactual.
Un parque eólico offshore no se define simplemente como un conjunto deaerogeneradores, sino que también está formado por torres meteorológicas,subestaciones transformadoras y las líneas eléctricas como elementos másimportantes.
Obviandoladefinicióndeaerogeneradorqueserealizaráenelapartadodefinidocomo“2.4Definicióndeaerogeneradormarino”,esdevitalimportanciadefinirlaorientacióndelosaerogeneradoresyladisposicióndedichoselementosdentrodelparqueeólico.
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Ladistribuciónenplantadelosaerogeneradoresdebesertalqueselogreaprovecharelmáximoderecursoeólicodisponibleenlazona.Principalmente,hayquedisponerlaorientación de filas y columnas de los aerogeneradores de manera que losaerogeneradores estén situados enunaorientaciónperpendicular a la direccióndelvientodominante,yqueguardenunadistanciamínimaentrelasestructurascontiguas.Estasreglaspretendenreducirlaspérdidasproducidasporlamodificacióndelrégimendevientodebidoa lapresenciadeotros aerogeneradores.Mayoresdistanciasentreaerogeneradores tienen como consecuencias menores pérdidas de producción ymenores esfuerzos de fatiga, pero también unmenor aprovechamiento del espaciodisponible,porloqueesimportanteencontrarunequilibrioaldiseñarladisposicióndelosaerogeneradoresenunparqueeólico.
Figura9‐Esquemaparqueeólicomarino(distanciasendiámetros)
Las torresmeteorológicas tienencomoprincipal funcióngestionar correctamente lainstalacióneólica.Enprimerlugar,seencargandemonitorizarelvientoyesposiblequealolargodesuestructuradispongandesensoresparamedirydeterminarotrascaracterísticas, comopueden ser la salinidad, la turbidez, el oleaje, lasmareaso lascorrientes.
La instalaciónde torresmeteorológicas no es obligatoria, aunque se recomienda suinstalación,yaquepermiteconocerlacaracterizacióninsitudelvientoenlazona,ytambiéndeotrosparámetros,ydisminuirlaincertidumbredelosresultadosdeestudio.
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‐12‐
Laconexióneléctricadeunparqueeólicoserefiereasuenlaceconelsistemageneralde transporte de energía eléctrica y está compuesto por una combinación desubestacionestransformadorasylíneaseléctricas.
Lacapacidaddeconexióndelainfraestructuraeléctricaalainstalacióneólicamarinaesindispensableparaqueestatengasentido.
Enlosparqueseólicosmarinoslosesquemasmáscomunesdeconexióneléctricason:
‐ Unalíneaeléctricatransportalaenergíageneradaporlosaerogeneradoreshaciaunasubestacióntransformadoraubicadaenelmar.Estasubestacióntransportala energía hasta una subestación situada en tierra, que forme parte de lainfraestructuraeléctricayaexistente.
Figura10‐Esquemadelaconexióneléctricaparqueeólico
‐ Una línea eléctrica que transporta la energía directamente desde losaerogeneradoreshastaunasubestaciónentierra.
Laelecciónentreunesquemauotrodependeprincipalmentedelapotenciatotaldelainstalación y de la distancia al punto de evacuación, ya que las pérdidas estánrelacionadasdirectamenteconestosparámetros.
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‐13‐
2.4 Definición de un aerogenerador marino
Un aerogenerador marino cuenta con tres partes principales, el rotor, la góndola(nacelle) y la estructura de soporte, que está compuesta por la torre, la pieza detransición y la cimentación. Generalmente se emplean aerogeneradores de ejehorizontaltri‐pala,aunqueexistendiversasinvestigacionessobreelusodeotrostiposdeaerogeneradores.
Figura11‐Esquemadeunaerogeneradormarino
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Cómosehamencionadoanteriormente, losaerogeneradores transforman laenergíadelvientoenenergía.Paraobtenerelectricidad,elaerogeneradoraprovechalaenergíacinéticadelaspartículasdeaire.Lapotenciadeunaerogeneradorsepuedecalcular,portanto,comounarelaciónconlapotenciadelviento.
Supuestaunasuperficiecircularderadiordeairequesemueveconunavelocidadv,perpendicularasusuperficieduranteuntiempot,lamasadeaireesiguala:
∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ² ∙ ∙ (1)
Porlotanto,lapotenciadelairees:
12∙ ∙
2∙ ∙ ² ∙ ∙ ³ (2)
2 2∙ ∙ ² ∙ ³
(3)
Unavezobtenida lapotenciadelviento,seobservaquelosfactoresqueafectana lapotenciadeunaerogeneradorsonladensidaddelaire,eláreadebarridodelaspalasylavelocidaddelviento.Estosdosúltimosparámetrossonespecialmenteimportantesparaladecisióndelaerogeneradorquesevaaemplearydondesevaaubicar,yaquedependiendo de la decisión tomada la potencia del aerogenerador se verá afectadanotablemente.
Estapotenciadevientonoesequivalentealapotenciadeunaerogenerador,yaqueelrendimientoglobaldelainstalaciónnuncaesdel100%.SegúnelmodelodeBetz,esimposibleextraertodalaenergíacinéticadelaire,esdecir,quelavelocidadasotaventodelaerogeneradorsea0.El límitedeenergíaquesepuedeextraeresel59,3%delaenergíadisponibleencondicionesóptimas.
Asimismo, la instalacióncuentacondistintosfactoresquereducenlaeficienciade laobtencióndelaenergía.Elrendimientodelahélice,elmultiplicador,elalternadoryeltransformador del aerogenerador, suelen tener una eficiencia del 85%, 98%, 95%,98%;respectivamente.Aplicandoestosrendimientoscomonormageneral,seobtieneun rendimiento global de la instalacióndel 46%, lo que suponeque en condicionesgeneraleslapotenciadelvientoqueseaprovechaesdeaproximadamenteel50%.
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2.4.1 Rotor
Elrotoreselelementoprincipalqueseencargadetransmitirelgiro.Estáformadoportrespartesquesepuedendiferenciardemaneranotable:lanariz,elbujeylaspalas.Lamayoríadelosrotoresenlaactualidadsonhorizontalesypuedentenerarticulaciones,lamáshabitualesladecambiodepaso.Enlamayoríadeloscasoselrotorestásituadoabarloventodelatorre,conelobjetodereducirlascargascíclicassobrelasaspasqueaparecensisesituaraasotaventodeella,puesalpasarunapalapordetrásdelaesteladelatorre,lavelocidadincidenteestámuyalterada.
La nariz es el elemento aerodinámico que se coloca en la dirección del viento ysobresaledelazonadeuniónentrelaspalasyelbuje.Susmisionesprincipalessonlasderedirigirelvientoalosrespiraderosdelagóndolayladeevitarturbulenciasenlapartefrontaldelrotor.
El buje es la pieza de unión entre las palas y el eje principal. Supropósito es el detransmitirlafuerzadelvientoalinteriordelagóndola.Launiónalejedebeserrígida,perodependiendodelatipologíadelaspalasdelrotorlauniónconlaspalaspuedesermás omenos rígida. En el casomás común de un aerogenerador con tres palas, laconexiónhadeserrígidadeigualmanera.
Laspalassonfabricadasconmaterialesdegranresistenciaestructuralyalafatiga,yaqueestoselementosestánafectadospor fuertescondicionesclimáticasysediseñanparaunavidaútilde25años.Generalmente,seempleancompuestosdefibradevidrioodecarbono.
2.4.2 Góndola
La góndola esun cubículodonde se realiza la transformaciónde la energía eólica aenergíaeléctrica.Puedegiraren tornoalejeparadisponer laspalasdemaneraqueaprovechenlaenergíaeólicaalmáximo.Apartedelgenerador,lagóndolacuentaconlacajadecambios,lossistemasdecontrolylossistemasdefrenado.
Elgeneradoresdondeseproducelaelectricidad,sucomportamientoseasemejaaldeun motor eléctrico que trabaje de manera inversa. El generador recibe energía derotaciónyproduceenergíaeléctrica.Estaenergíaeléctricavaauntransformador,elcual convierte la energía eléctrica para transportar la energía por los cables de lamaneramáseficienteposible.
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Figura12‐Elementosdelagóndoladeunaerogenerador
Lacajadecambiostienecomoprincipalobjetivoadecuarlavelocidaddegirodelejeprincipalalavelocidadderotaciónaprovechableparaelgenerador.
Los sistemas de frenado se disponen en las turbinas eólicas como sistemas deseguridad. Este sistema permite el frenado de los discos del aerogenerador ensituacionesdeemergenciaoenel casodequeseanecesario realizarunaparadadeemergencia.
Elsistemadecontrolquedatotalmenteautomatizadopormediodeordenadores.Estossistemasmanejanlainformaciónqueleproporcionaloselementosmeteorológicos,avecesinstaladossobrelasuperficiedelagóndola.Paraorientarelmolinoylaspalasdeformaquelageneraciónseoptimicelomáximoposible.Todalainformaciónsobreelestadodelaturbinasepuedeenviardeformaremotaaunservidorcentral.
2.4.3 Estructura de soporte
Laestructuradesoportesedivideentreselementosdiferenciados,latorre,lapiezadetransición y una estructura sumergida más una cimentación. La torre tiene comoprincipalobjetivoeldesostenerlagóndolaparaconseguirelmáximovientoposibley
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‐17‐
obtenerlamayorenergíaconelaerogenerador.Esunaestructurahuecaquepermitealbergarlosaccesosnecesariosparalaobtencióndelaelectricidadobtenida,fabricadanormalmenteenacerodeespesorysecciónvariable.
Lapiezadetransicióneselelementoqueconectalatorreconlaestructurasumergida,ypermiteunacorrectatransmisióndelosesfuerzosdelabasedelatorreensentidovertical. Este elemento es de gran importancia económica en la construcción deaerogeneradoresdetipojacket,yserátratadoendetallemásadelante.
La estructura sumergida y la cimentación dependerán de la ubicación delaerogenerador,puedevariardeunospocosmetrosdealturahastacientosdemetros,su principal función consiste en transmitir las cargas al terreno y mantener laestabilidaddelaerogenerador.
2.5 Tipos de estructura de soporte
Laeleccióndeestructuradesoportedependeengranmedidadelaprofundidadalaque se halle el aerogenerador. En los siguientes apartados se definirán los tipos deestructuradesoporteutilizadosyendodesdelosqueseinstalanenprofundidadesmássuperficialesalosinstaladosenaguasprofundas.
Figura13‐Tiposdecimentacionesenfuncióndelaprofundidad
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2.5.1 Estructura de gravedad
Laestructuradesoportedeltipodegravedadesnormalmenteunaestructurabasadaenhormigónquesepuedeconstruirconosinpequeñasfaldasdeaceroodehormigón.Es una soluciónque se utiliza enprofundidades reducidas. El lastre requeridoparaanclar lacimentaciónconsisteenarena,hierroounrellenoderocaen labasede laestructuraajustandolaanchuradelabasediseñadaparaadaptarsealascondicionesdelsuelo.Eldiseñoincluiráunejecentraldeacerouhormigónparalatransiciónalatorredelaturbinaeólica.Laestructurarequiereunabaseplanayparalamayoríadelasubicacionesrequeriráalgúntipodeproteccióncontraeldesgastequesedeterminadurantelafasedediseñodetallado.
Figura14‐Estructuradegravedad
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Lospartidariossostienenqueloscostesdelhormigónsonmenosvariablesqueenotrosproductos, como el acero. Además, el hormigón es duradero en elmedio ambientemarino, lo que reduce los requerimientos de mantenimiento. Cuando se puedeestableceruna instalacióndeproducciónenserie,puedeproporcionarbeneficiosdeproductividadyreducircostes.
Engeneral, las cimentacionesdegravedadestándiseñadasconelobjetivodeevitarcargasdetracciónentreelfondodelaestructuradesoporteyellechomarino.Estoselograproporcionandosuficientescargasmuertasdemodoquelaestructuramantengasuestabilidadentodaslascondicionesambientalesúnicamentepormediodesupropiagravedad.Lascimentacionesdegravedadsuelensercompetitivascuando lascargasambientalessonrelativamentemodestasyelpesomuertoessignificativoocuandosepuedeproporcionarlastreauncostomodesto.
Lasestructurasbasadasengravedadpuedenserdiseñadasparaflotarenelsitiousandosóloremolcadoresparaeltransporte,loqueloconvierteenunaopciónadecuadadondela instalación de la estructura de soporte no puede ser realizada por un buque detransportepesadouotrosbuquesespecialesdeinstalaciónoffshore.
2.5.2 Monopilote
Laestructuradesoportedemonopiloteesundiseñorelativamentesimpleporelcuallatorreessoportadaporunmonopilote,yaseadirectamenteoatravésdeunapiezadetransición.Elmonopilotecontinuahastapenetrarenellechomarino.Laestructuraestáhechadeuntubodeacerocilíndrico.Eldiámetrodelmonopilotealcanzavaloresdehasta6myelespesordelaparedesdehasta150mm.Elpesodelosmonopilotespuedealcanzarlas650t.
Laprofundidaddepenetracióndelapilaesajustableparaadaptarsealascondicionesrealesdel entornoydel fondomarino.Una limitaciónde este tipodeestructuradesoporte es elmovimiento lateral a lo largodelmonopilote y la vibración, yaque sesometenagrandescargascíclicaslateralesymomentosflectores,debidoalascargasdecorrienteyoleaje,ademásdecargasaxiales.Losmonopilotessonactualmente laestructurade soportemás comúnmenteutilizadaenelmercado, utilizándoseenun74% de los casos de energía eólicamarina, debido a su facilidad de instalación enprofundidades de agua superficiales a medianas. Este tipo de estructura es muyadecuadoparasitiosconprofundidaddeaguahastade30m.
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Figura15‐Cimentaciónmediantemonopilote
Elmétodo estándar de la instalación de estructuras apiladas es levantar o flotar laestructuraenlaposiciónydespués insertarlaspilasenel fondodelmarusandolosmartilloshidráulicosodevapor.Lamanipulacióndepilasymartillospuederequerirelusodeunagrúa,sinembargo,losgatossonlosequiposdeobramásutilizadosparalainstalacióndelosmonopilotesengeneral.
2.5.3 Tripilote
La estructura de tripilote es una estructura de tres patas en la sección inferior,conectadasaunmonopiloteen laparte superior,hechaensu totalidadde tubosdeacerocilíndricos.Laanchuradelabaseylaprofundidaddepenetracióndelapilasepuedenajustarparaadaptarsealascondicionesgeológicasdelossitios.
EltripilotehasidodesarrolladoporBARD,siendoelprimerfabricanteenutilizarestetipo de cimentaciones. La primera instalación en un aerogenerador fue en 2008Hooksiel. Cada tripilote pesa unas 1.100 t y consta de tres pilas de acero tubularesindividualesseparadasyunapiezadetransición.Laspilassonempujadasenellecho
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marinoconlaayudadeunmarcodeguíaespecial.Acontinuación,seunenentresíporlapiezadetransiciónqueestácolocadaenlapartesuperioryquetieneensucentrounabridadeconexiónparamontarlatorredeacerodelaturbinaeólica.Laspilasylapiezadetransiciónseunenpermanentementemedianteunaconexióndelechada.Lalongituddelaspilasvaríaconlaprofundidaddelagua,desdelos65malos90mdelongitudyhasta3mdediámetro.
Figura16‐SoportedeestructuratripiloteBARD
Lasprofundidadesdeaguaparaelrangodeusodeltripilotevandesdelos25malos40m.
2.5.4 Trípode
La estructura de trípode se considera que es una estructura de acero de tres patasrelativamente ligeraencomparaciónconunaestructuradecelosíaestándar.Bajo lacolumnacentraldeacero,queestápordebajodelaturbina,hayunbastidordeaceroquetransfierelasfuerzasdelatorrealastrespilasdeacero.Laspilasseinstalanencadaposicióndelapiernaparaanclareltrípodealfondomarino.Lastrespilaspenetranentre10my20menelfondomarino.
La base del trípode tiene buena estabilidad y rigidez general. Sin embargo, no esadecuadoaprofundidadesdeaguainferioresa6m,yaqueestocausaproblemasalosbuques que se acercan a la cimentación que necesitan un calado mayor para elmantenimientodelaestructuradesoporte.
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Figura17‐Estructuradesoportetrípode
Lasventajasdeltrípodesonlaidoneidadparamayoresprofundidadesdeagua,yunmínimodetrabajospreviosrequeridasenelterrenoantesdelainstalación.Laerosiónnosueleserunproblemaasociadoconestetipodecimentaciones.
En contraposición, los trípodes no son adecuados para lugares con fondosmarinosdesigualesconrocasgrandesylauniónprincipalentreloselementostieneunriesgopotencialmentemayordefatigadebidoalgranimpactodelvientoylasolas.
Laestructuradesoportedeltrípodesepreensamblaenunpatiodeconstrucciónentierra.Todalaestructurasecolocaenunrecipienteadecuadotalcomounabarcazayse transporta a la localización donde se baja lentamente sobre el fondo del mar,asegurandoquelaestructuraestácompletamentenivelada.Sepuedeusarhormigónde
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limpieza en las tres esquinas del trípode para asegurarse de que la estructura sedepositeenellechomarinodemaneraestable,mientrasproporcionaapoyohastaquelaspilasdelacimentaciónesténensulugar.Cuandolaspilasestánalaprofundidadrequerida,serealizaunaconexiónentrelapartesuperiordelapilaylafundadelapilallenandoelanilloconlechada.
2.5.4 Jacket
Estas estructuras metálicas consisten en tres o más elementos principales casiverticales, unidos entre sí pormedio de una celosía. Las pilas del suelo se insertandentro de las mangas de la pila hasta la profundidad requerida para obtener unaestabilidadadecuadaparalaestructura.Lasjuntastubularesestánsoldadas.
Figura18‐Estructuratipojacket
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Estostiposdeestructurasseconsideranadecuadasparasitiosconunaprofundidaddeaguaqueoscilaentre20my50msegúnlaDNV.Otrosproyectosafirmanqueesposibleutilizarestructurastipojackethastaprofundidadesde70m,peroestasafirmacionesaún tienen que ser probadas. Las cargas de los elementos tienen un carácterprincipalmenteaxial.Lagranbasedelasestructurastipojacketofrecegranresistenciaanteelvuelco.
Lasestructurasjackettambiéncuentanconlaventajaderecibircargasdecorrienteyoleajebajasencomparaciónconlasestructurasconmonopilotes.Estosedebeaquelaestructurajacketesmuyrígidayeláreaexpuestaalmovimientodelasolasesmuchomenorqueenelcasodelosmonopilotes.Porúltimo,secuentaconunagranexperienciaen la construcciónde este tipode soportesde estructura, debido al suministro a laindustriapetroleraydegas.
Comoimportantesdesventajascabedestacarqueloscostesinicialesdeconstrucciónson elevados además de unos posibles costes de mantenimiento. Asimismo, eltransportetambiénesconsideradorelativamentecomplejoycaro.
Haydosprocesosconstructivosqueseempleanengranmedida:elpilotadoprevioyelpilotadoposterior.
El pilotado previo consiste en introducir en primer lugar los pilotes utilizando unaplantilla que asegure una correcta ubicación e inclinación de los mismos.Posteriormentesecolocayajustanlaspatasdeljacketenlospilotes.
Figura19‐Pilotadopreviodeunaestructurajacket
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AlphaVentusfueelprimerparqueeólicodondeseutilizóelmétododepilotadoprevio.Seusóunaplantillacentralparaasegurarlaposiciónenellechomarinodelaspilas,asícomolaverticalidad.
Estemétododeinstalacióndeljacketeliminalanecesidaddeusarfundasenlospilotesy hormigón de limpieza. La fabricación de la estructura jacket se puede realizar enparaleloconlasoperacionesdepilotado.Lasvariacionesdelosfondosmarinospuedenserniveladas,ylaverticalidaddelaestructurasepuedealcanzardemanerasencilla.
Elpilotadoposteriorseutilizacomúnmenteen instalacionespetrolíferas,aunqueesmuchomenoscomúnparalosparqueseólicos.Consisteenutilizarlaspatasprincipalesdeljacketcomoguíadelospilotes.Paraellosesueldanoseintroducelechadaparafijarlospilotesa laestructura.Esnecesarioutilizarhormigónde limpiezaoungeotextilcomoestructuraprovisionalparaasegurarelcorrectopilotado.
Este procedimiento solamente se ha empleado en un parque eólico en el proyectoBeatriceDemonstrator.
2.5.4.1 Pieza de transición
Lapiezadetransiciónesunelementocuyodiseñodependerádelaestructurainferior,yqueseencargadetransmitirlosesfuerzosqueaparecenenlabasedelatorre.Enestetrabajo,seprestaunaespecialatenciónaesteelemento,yaqueesunodeloselementosqueencarecelasestructurasoffshoredetipojacketysepretendeestudiarelimpactoen laestructura jacketyenelprocesoconstructivodesustituir esta complejapiezametálicaporunapiezadehormigónmássencillaybarata.
Figura20‐Piezadetransiciónmetálica
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Dehecho,cabedestacarquelaempresaSiemens,harealizadoinvestigacionesacercadeestaposibilidadyhaplanteadolaconstruccióndedosestructurastipojacketquecuentan con una pieza de transición de hormigón, lo que ellos denominan comoestructuras jacket de gravedad. Esta solución está programada para implantarse enDinamarcaamediadosdeesteaño,contandocondiseñosdeunaestructurajacketdetrespatasyotradecuatropatas.
Figura21‐PiezadetransicióndehormigónSiemens4patas
Figura22‐PiezadetransicióndehormigónSiemens3patas
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2.5.5 Cimentaciones flotantes
Hayungrannúmerodeposiblesconfiguracionesdeplataformasde turbinaseólicasmarinascuandoseconsideralavariedaddeamarresdisponibles,tanquesyopcionesdelastreenlaindustriaoffshoredecimentacionesflotantes.Desafortunadamente, lamayoríadelastopologíasresultantestienenalgunosaspectosindeseablesqueharíanqueelcostodelsistemafueraexcesivoparalamayoríadelasaplicacionesdeviento.
Normalmente, la arquitectura general de una plataforma flotante se determinarámedianteunanálisisdeestabilidadestáticadeprimerorden,aunqueexistenmuchosotrosfactorescríticosquedeterminaráneltamañoyelcarácterdeldiseñofinal.
Sehadesarrolladounsistemadeclasificaciónquedividetodaslasplataformasentrescategoríasgeneralesbasadasenelprincipiofísicooestrategiaqueseutilizaparalograrlaestabilidadestática:
Figura23‐Cimentacionesflotantes
Estabilidadporlastre:Lasplataformasconsiguenlaestabilidadusandopesosdellastrecolgadosdebajodeuntanquecentralflotantequecreaunmomentoqueenderezaelsistema al situar el centro de gravedad en una cota muy baja. Un ejemplo de estaestrategiaeselelementodelaizquierdaenlaFigura23.
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Estabilidad por líneas de arrastre: Plataformas que consiguen la estabilidaddisponiendounflotadorconmayorempujequeelpesodelaestructura,estabilizandoelsistemaatravésdelatensiónaportadaporlaslíneasdearrastre.LaplataformaquesemuestraenelcentrodelaFigura23,sebasaenlatensióndelaslíneasdearrastreparaasegurarlaestabilidad.
Estabilidad por flotación: Las plataformas que consiguen la estabilidad con ladistribucióndeelementosflotantesenlabase.EsteeselprincipiousadoenelelementodeladerechaenlaFigura23.
Cadaunodeestosmodelosdeestabilidadsepuedepensarcomouncasoidealizadoconpropiedadeslimitadas.Algunasdeestascaracterísticaspuedenserdeseablesyalgunaspuedenserindeseablesparasuusoenunaturbinaeólicaflotante.Enlasiguientefigurasemuestran lasestrategiasseguidaspara lascimentaciones flotantesquesuelensercombinacionesdelosmodelosreciénexplicados.
Figura24‐Cimentacionesflotantessegúnmétododeestabilidad
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3. Condiciones de diseño
Existendiversassolucionesparaestructurasoffshoredependiendodelascondicionesdediseñopararealizarlaestructura.
EsteproyectoseplanteaenunazonaconunascondicionessimilaresalasencontradasenlacostanortedeFranciaolacostasurdeReinoUnido,yaquehayvariosproyectosplanteadosenestazonadondesepiensainstalarestructurasoffshoretipojacket.
En este estudio se partirá de unas condicionesmarítimas dadas, y se adaptará unaestructurajacketdecuatropatas,consuestructuradefinida,aunaestructuradeinerciaequivalentecontrespatas.Estascondicionesdefiniránlasfuerzassobrelaestructurajacketysonlabasedelestudioestructuralporelcualseanalizarálaviabilidaddeunapiezadetransicióndehormigón,ydelcálculodelaprofundidadquedebenalcanzarlospilotesparaasegurarlaestabilidaddelaestructura.
3.1 Geometría jacket
Figura25‐Geometríabásicajacket
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Comoyasehadefinidoenelcapítuloanterior, lasestructurasjacketsonestructurasligeras,queseutilizanparaprofundidadesdehasta50o60m.Paracumplirconlascondicionesdediseñoespecificadasporlaalturadelaolamáximayelmáximoniveldelmar,sehadecididoutilizarunageometríajacketbasadaenelproyectodeIberdroladeWikinger,AlemaniafabricadoconjuntamenteporNavantiaWINDARJointVentureyBLADT.
Figura26‐Jacketde4patas3DAutoCAD
LageometríadeljacketdecuatropatasvienedadaporlaFigura25ylaFigura26.Loselementostubularesprincipalescuentanconundiámetrode1.100mmyunespesorde40mm,mientrasqueloselementossecundariostienen500mmdediámetroy30mmdeespesor.Elmaterialquesevaaemplearpara laconstruccióndel jacketesaceroestructuralS235.
Enesteestudio,lageometríadeljacketseverámodificadaparaobtenerunaestructuradetrespatasqueseconsideramásventajosaparalascondicionesgeotécnicasdelsuelodediseño.
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‐31‐
3.1.1 Cálculo inercial
Paraobtenerlaestructurajacketdediseñocontrespatas,equivalentealaestructuradereferencia,serealizaráuncálculode inerciasequivalentes,medianteunahojadecálculo,entrelaestructurainicialdecuatropatasylaestructurajacketdetrespatasplanteada. Estos cálculos se comprobarán posteriormente con la obtención de laspropiedadesfísicasdelosmodelosdelasdosestructurasenAutoCAD.
Figura27‐RepresentacióndelTeoremadeSteiner
ParaobtenerlosmomentosdeinerciadelasestructurassehautilizadoelTeoremadeSteiner.ElTeoremadeSteineresunteoremaquenospermitecalcularelmomentodeinerciadeunobjetorespectoauneje,conocidoelmomentodeinerciadeeseobjetosobreunejeparaleloquepasaporelcentrodemasasdelobjetoyladistanciaentrelosdosejes.Estostérminosserelacionanmediantelasiguienteexpresión.
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² (4)
Losmomentosdeinerciasehanobtenidorespectoalvolumenenvezdelamasa,yaqueelanálisisserealizasobreelementosqueencualquiercasotienenlamismadensidad.LosmomentosdeinerciasehantomadorespectoalejeY,elcualatraviesaelcentrogeométricodelasbasesdelasestructurasalacota0.ParaelcálculodelosmomentosdeinerciadeloselementostubularessehaprocedidoaasumirqueloscortesconelplanoXYdancomoresultadounacircunferencia,peseaserelipsesdemayoromenorexcentricidad.Lainerciadeloselementos,asumidoscilíndricos,hasidocalculadaconlasfórmulasyaconocidas:
2∗
(5)
Enelcasodequeelejesobreelquesetomaranmomentoscoincidieraconelejedelelementotubular
4∗
∗12
(6)
Enelcasodequeelejesobreelquesetomaranmomentosfueraperpendicularalejedelcilindro.
Figura28‐Momentodeinerciasegúnposicióneje
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ElcálculoenExcelsehallevadoconsiderandoelementosde1metrodediferencialdecota,yaplicandoelTeoremadeSteinerparacadaelemento.Paraellosehaobtenidoelvolumen de un cilindro hueco de 1 metro de altura con las dimensiones de loselementosdelaestructurajacket.Loselementosprincipalessehanasumidoverticales,y los elementos diagonales de la estructura se hanmultiplicado por un coeficientedefinidocomolainversadelatangente,paraajustarelvolumenpormetroenverticalasuvolumenreal.Enelcasoespecíficodeloselementoshorizontalessehaprocedidoadividirloselementospormetrolongitudinalenvezdeenvertical,ysehaaplicadoelTeoremadeSteinerdeigualmanera.
Paraeldiseñodelaestructurajacketdetrespatasdediseñosehadecididorespetarladisposicióndelasconexionesentreloselementostubularesprincipales,Figura25,yelespesor de tanto los elementos principales como secundarios. Únicamente, semodificaránlosdiámetrosdeloselementostubularesyladistanciaentrelosapoyosdelaspatas.
Paraobtenerunainerciaequivalentedelaestructurajacketdecuatropatasennuestrasolucióndetrespatasseharealizadounestudiodelefectoenelmomentodeinerciadecambiarcadaparámetrodelosantesmencionados.
Figura29‐Efectodelosparámetrosenelmomentodeinercia
EnlaFigura29,sehadesarrolladounanálisisdelefectodeaumentarcadaparámetrodemaneraindividual.Separtedesdeunageometríajacketdetrespatasconelementosprincipalesde1.100mmdediámetroyelementossecundariosde500mm,conunaseparaciónenlaspatasde23m.Estageometríadalugaraunmomentodeinerciade
0
10000
20000
30000
40000
50000
60000
70000
80000
90000
100000
0% 50% 100% 150% 200% 250% 300%
I (m
5)
Aumento en %
Dprincipal Dsecundario Dist apoyos Inercia requerida
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31.493m5,alejadodelos43.367m5quetienesusoluciónanálogadecuatropatas.Sepuedeobservarqueelaumentorelativodeldiámetrodeloselementossecundarioseselmétodomásefectivoparaelaumentode la inerciade laestructurade trespatas,seguidodelaumentodeldiámetrodeloselementosprincipales.Porúltimo,elaumentodeladistanciaentrepatasnoesespecialmentesignificativoenestecaso.
Sehadecididoproponerunasoluciónmodificandolostresparámetrosparaobtenerundiseño óptimo, en el que no se sobredimensionase ninguna de las variables. Se haoptadoporundiámetrode loselementosprincipalesde1.300mm,unoselementossecundariosde700mmdediámetro,yunadistanciaentrelosapoyosdelaspatasde25m;obteniendouna inerciade41.974m5,un96,8%de la inerciade laestructurainicial,quesehasupuestosuficientedadoqueelvalorde la inercianoseconsideralimitante,aunquesiimportanteparaelcorrectofuncionamientodelaestructura.
Figura30‐Jacketde3patas3DAutoCAD
Ademásdepormotivos inerciales, la soluciónadoptadaha intentadoser coherente,aumentandoeldiámetrotantodeloselementosprincipalescomosecundarios,yaque
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‐35‐
al tener que soportar condiciones de diseño idénticas a una solución con máselementos,loselementosdelaestructuradetrespatashandesermásrobustos.
Porúltimo,cabedestacar,que,aunqueelaumentoenlaseparaciónentrelaspatasnosea un factor excesivamente relevante en el cálculo de inercias, sí que influye en lafuerzadearranqueohundimientoalaqueseveránsometidaslascimentacionesdeljacket. Se ha decidido aumentar esta separación, para reducir de algunamanera elaumentode la fuerzadearranquequesupondrápasardeunaestructuraconcuatroapoyosaunadetres,sinembargo,sehalimitadoestadistanciaa25mparaevitarunaexcesivaesbeltezdeloselementostubulares.
Comosehaindicadoconanterioridad,paracomprobarlaexactituddeestemétodosehan modelado las estructuras jacket y obtenido los momentos de inercia con laherramientaAutoCAD;Figura26yFigura30.Sehanobtenidomomentosdeinerciade43.363m5y42.204m5paralaestructuradecuatroytrespatas,respectivamente.Estosvaloresdistanmenosdeun1%delvalorobtenidomedianteExcel,luegoseconfirmalavalidezdelmétodoempleado.
3.2 Condiciones medioambientales
Debido a las severas condiciones medioambientales a las que se someten lasestructurasoffshorehayquedefinirconlamayorprecisiónposiblelosparámetrosdediseñoquedefinenlascargasqueactúansobreloselementosdeljacket.Enestecasosedisponededatosdelviento,alturadeoladediseño,corrientesyniveldelagua.
Paraelestudiodelosesfuerzos,encualquiercaso,sesupondráqueladireccióndetantolacorriente,comoelvientoyeloleajeserálamismaparaobtenerlasmayorescargassobrelaestructura.
Figura31‐Estructuraoffshoreenuntemporal
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‐36‐
3.2.1 Viento
El viento ejerce importantes esfuerzos en la parte no sumergida de la estructuraoffshore.Lavelocidadmediadelvientoaumentaconlaalturaylavelocidadrealvaríaeneltiempoyelespacioalrededordeesevalormediodependiendodelasturbulencias.Elefectodecizallasevemuyreducidoenlosaerogeneradoresmarinos,respectoalosterrestres,debidoalbajocoeficientederugosidadquehayenambientesmarinos.
Figura32‐Perfilmediodevientoenfuncióndelterreno
Lascargasdevientoqueactúanennuestroproyectosehanobtenidocomosimilaresalas obtenidas de la denominada “NREL offshore 5‐MW baselinewind turbine”, unaturbina que se supone equivalente a la que se colocará sobre la estructura jacketanalizada,obteniendounavelocidadmáximade38,4m/s.
3.2.2 Altura de ola de diseño
El oleaje afectará a toda la parte de la estructura que se halle por debajo del áreaafectadoporlasolasincidentes.
Las olas son irregulares en forma y poseen distintas alturas, longitudes de onda,celeridadesydirecciones.Estasdiferencias,provocandistintasincidenciasdeloleajeenlaestructuraoffshore.Lamejormaneradesimplificarelanálisisdeloleajeesdefinir
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‐37‐
el conceptodeestadodemar, que convierteunadistribución caótica enun análisisestocástico.
Un estadodemar se define comoun intervalo de tiempo en el que el oleaje puedeconsiderarsedealgúnmodoestacionario.Setratadeuntiemposuficientementecortoparaqueelanálisisseconsidereestacionario,ysuficientementelargocomoparaquecontengalainformaciónestadísticanecesariadelproceso.Actualmente,estetiemposesueletomarcomode1hora,aunqueellímiteinferiordeinformaciónestadísticasesitúaenlos30minutos.
Un estado de mar está formado por una superposición lineal de trenes de ondassinusoidalesdegravedad,deamplitudes,periodos,direccionesyfasesdiferentes.Cadauno de los trenes de onda se denomina componentes. Las componentes aportan suenergíaporunidaddeáreaalconjunto.Larepresentacióndeenergíaporunidaddeárea para cada periodo y dirección del oleaje se denomina espectro direccional. Laintegración del espectro direccional en todo el rango de direcciones da lugar a elespectroescalar.
Figura33‐Espectrodireccionaldeloleaje
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‐38‐
Elresultadodeesteanálisiseseldenominadoanálisisacortoplazoqueaportaunascomponentes espectrales y una serie de estadísticos derivados, que nos permitenanalizarelcomportamientodeloleaje.
Paraelestudiodeloleajeenlazonadelproyecto,sehaempleadounestadodemardediseño conunperiodode retorno asociadode50 años, que tieneuna altura de olasignificantede8,65m,conunosrangosdeperiododepicodeentre13,4sy18s.Laalturadeolamáximaesde14,8m,yseráconsideradacomolaalturadeoladediseño.
Paralascondicionesdeservicio,seemplearáunaalturasignificantede2,5m,conunperiododepicoqueoscilaentrelos10sylos18s.
3.2.3 Corrientes
Aunquelascorrientesmarinassonvariablesenelespacioytiempo,paraelobjetivodeeste proyecto se consideraran como un flujo de velocidad y dirección constante,variando solo en función de la profundidad. Las corrientes se definen comocombinacióndevarioselementosypuedensergeneradasporelvientoenlasuperficie,lamareaastronómicaogradientesdepresión.
Paraesteestudioseconsideraquelascorrientessiguenunadistribuciónconjuntayseha obtenido una velocidad extrema en superficie de 2,05 m/s para un periodo deretornode50añosparaelcasodediseño.
Enelcasodeservicio,sehadecididoemplearunavelocidadde1m/sparalavelocidadextremaenlasuperficieconunperiododeretornode1año.
3.2.4 Nivel del agua
Paraelcálculodelascargashidrodinámica,lavariacióndelaguaesunparámetroquetienegranimportancia.Elniveldelaguasufregrandesvariacionesalolargodelavidaútildelaestructura,luegoesimprescindibledefinirquéniveldelaguaemplearparaloscálculosarealizar.
Para el diseño se considerará elmayor nivel que se puede alcanzar bajo cualquiercombinaciónposibledecondicionesastronómicas(HAT),queseobtienecuandotodaslas componentes que causan lamarea están en fase enmarea alta. En este caso seconsideraunaalturade38,8m,a laque se le suma1mdebidoa losgradientesdepresiónyelvientoenunatormentay0,2mdebidoalaumentoprogresivodelniveldelmar.Endefinitiva,seobtieneunaalturadeolade40m.
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‐39‐
Elniveldelaguaasociadoalamareaastronómicamásbaja(LAT)esde25,4m.
Enunasituacióndefuncionamientosedefineunnivelmediodelmar(MSL)de35m.
Figura34‐Definicióndelosnivelesdeagua
Cabe destacar que la altura del jacket depende directamente del nivel del marconsiderado. La altura mínima a la que se debe encontrar la plataforma delaerogeneradorsecalculasumandoelniveldeaguamáximoesperado(40m)ylaalturadecrestadelaoladediseño(7,4m),más1mdealturadeairelibre,obteniendounaalturamínimade48,4m.Sabiendoquelaalturadeljacketquesevaainstalaresde46m,lacimentacióndeberádesobresalirporlomenos2,4mdellechomarino.
Enesteproyecto sehadecididoque la cimentaciónsobresalga5m,paracumplir lacondiciónanterioryasegurarlacorrectaunióndeloselementosdeljacketylospilotes.
3.3 Condiciones geotécnicas
Se procederá a incluir a continuación una tabla a modo explicativo que define lascaracterísticasdelsuelodediseño,incluyendolasdistintascapasesperables.
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‐40‐
Elsuelodediseñoestáformadoporunaprimeracapade10mdeespesordeunsuelogranular,seguidodeunestratodedurezamediadeareniscade5mdeespesor,seguidofinalmentedeunacapaduradeareniscaquesesuponedeespesorilimitado.
Estrato1ProfundidadInicial(m) 0
Espesor(m) 10Pesoespecífico,γ(KN/m³) 11,5
Ánguloderozamientointerno,ϕ 38Móduloderigidez,G(MPa) 10‐35
Resistenciaacompresión,UCS(MPa) ‐Estrato2
ProfundidadInicial(m) 10Espesor(m) 5
Pesoespecífico,γ(KN/m³) 16Ánguloderozamientointerno,ϕ ‐Móduloderigidez,G(MPa) 6000
Resistenciaacompresión,UCS(MPa) 5 Estrato3
ProfundidadInicial(m) 15Espesor(m) 35
Pesoespecífico,γ(KN/m³) 16Ánguloderozamientointerno,ϕ ‐Móduloderigidez,G(MPa) 8000
Resistenciaacompresión,UCS(MPa) 10
Tabla1:Característicasdelsuelodediseño
3.4 Descripción básica de la turbina
Comosehaindicadoconanterioridad,seplantealaposibilidaddecolocarlaturbinadereferencia “NREL offshore 5‐MW baseline wind turbine” o una de característicassimilaressobrelaestructurajacket.
Lajustificaciónparautilizarunaturbinadeestapotenciaesqueparaqueelproyectoseaviableeconómicamentelapotenciadelaturbinahadeserdealmenos5MW,y,asimismo,lamayoríadelosgrandesproyectosyaexistentesutilizanturbinasde5MW.
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‐41‐
Amododeejemplo,unaturbinade5MWpuedeproducirenergíasuficientecomoparaabastecera1.250hogaresmediosdeEstadosUnidos.
LascaracterísticasdelaturbinadereferenciasonlasexpuestasdemaneraresumidaenlaTabla2,dondeseincluyecaracterísticascomolamasadelaerogeneradorolaalturadelhub,queseránvaloresquetendránunagraninfluenciaenloscálculosestructuralesrealizadosposteriormente.
NREL5‐MWBaselineWindTurbinePotencia(MW) 5
Configuración(nºpalas) 3Diámetrodelrotor(m) 126Diámetrodelhub(m) 3Alturadelhub(m) 90
Velocidaddelvientodecut‐in(m/s) 3Velocidaddelvientonominal(m/s) 11,4Velocidaddelvientodecut‐out(m/s) 25
Masadelrotor(kg) 110.000Masadelagóndola(kg) 240.000Masadelatorre(kg) 347.460
Tabla2:Propiedadesgeneralesdela"NREL5‐MWBaselineWindTurbine"
Latorredelaturbinatieneundiámetroenlabasede6m,yundiámetrosuperiorde3,87m.Elespesoresvariabledesdelos35mmhastalos25mm.
Latorrecuentaconunaalturatotalde87,6m.
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‐42‐
4. Cálculo de las cargas de oleaje
Unavezconocidaslascondicionesdediseño,debemosprocederacalcularlosesfuerzosdebidoaloleajealosquesehandesometenloselementostubularesdelaestructurajacket.
Lasfuerzasdearrastreydeinerciasonlasdosprincipalesfuerzasdeloleajequeactúansobreunaestructuraoffshore.
Lafuerzadearrastreseocasionadebidoalosefectosdeviscosidaddelfluido.Esunafuerza proporcional al cuadrado de la diferencia de velocidad entre el fluido y laestructura.
La fuerza de inercia está compuesta por la fuerza generado por el elemento de laestructuraoponiéndosealmovimientodelfluidoquelerodeaylafuerzaqueejerceelfluido acelerado sobre el elemento debido a diferencias de presión en el fluido,causandodistorsionesenlaslíneasdecorrientealrededordelmiembroestructural.
Enestecaso,sehadecididocalcularestascargasmediantelaecuacióndeMorisonenunprocesoquesedetallaráenprofundidadalolargodelcapítulo.
4.1 Ecuación de Morison
LaecuacióndeMorisonseutilizaparacalcularcargasdeoleajeenelcasodequeloselementosdelaestructuramarinaseanpequeñosenrelaciónconlalongituddeondade la ola. Si no fuera así, se producirían cambios en las formas de las olas y seríanecesarioutilizarlateoríadeladifraccióndelasolasparacalcularlascargasdeloleaje.
Larelaciónentrelalongitudsignificativadelelementoestructuralylalongituddeondadelaolaseexpresadelasiguientemanera:
0,2 (7)
Donde,Desigualaldiámetrodeloselementostubulares,yλeslalongituddeonda.
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‐43‐
Siendo una estructura jacket de diámetro máximo de alrededor de un metro ysuponiendo,comodespuéssecomprobará,unalongituddeondadelaoladediseñodeunos300m,sepuedecomprobarquesecumpleesterequisitosinningúnproblema.
LaecuacióndeMorisonsetratadeunafórmuladetiposemiempírico,querepresentalafuerzaporincrementodelongitudsobreuncilindroverticalenmovimientocomolasuma de las fuerzas de inercia y arrastre que componen las cargas de oleajeprincipalmente.Sedefinedelasiguientemanera:
∆ , , ∙∙ ∙4
∙ ∙ ∆ ∙∙2
∙ ∙ | | ∙ ∆ (8)
Donde, sonlasfuerzasdeinerciayarrastre,respectivamente.
Siendorigualaladiferenciaentrelavelocidaddelfluidoyladelaestructura,yaquelavelocidaddelaestructurasesuponedespreciablepodemosescribirrcomou.Entonceslaecuaciónresultantees:
∆ , , ∙∙ ∙4
∙ ∙ ∆ ∙∙2
∙ ∙ | | ∙ ∆ (9)
Donde,
∆ , , eslacargadeoleajepor∆ .
eselcoeficientedeinercia.
esladensidaddelagua.
eseldiámetrodelcilindro
eslaaceleracióndelfluidonormalalejedelcilindro
∆ eselincrementodelongituddelcilindro.
eselcoeficientedearrastre.
eslavelocidaddelfluidonormalalejedelcilindro.
| |eselvalorabsolutode .
Para el cálculo de la fuerza total, bastará con realizar el sumatorio de las fuerzasobtenidosparavaloresdezquevayandesde‐halacrestadelaoladediseño.
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‐44‐
EnelcasodeesteproyectosehadecididoutilizarunahojaExcelquecalcularádichasfuerzasporincrementodelongituddelaestructura,envezdeporlongituddeelemento,calculando en última instancia las cargas de oleaje totales en la estructura. Se hadecididoutilizarunincrementodelongitudde1metroenladirecciónz.
Enprimerlugar,seprocederáaexplicarcómoseharealizadoelpasodeadaptarunaestructuradevarioselementostubulares,algunosdeellosinclinados,alaecuacióndeMorisondóndesoloseconsideraunúnicoelementocircularyvertical.
Posteriormente, se procederá adefinir cadaunode los parámetros necesarios pararesolverlaecuaciónyobtenerlascargasdeoleajetotalessobrelaestructura.
4.1.1 Adaptación de la geometría
ComosehamencionadoanteriormentelaecuacióndeMorisonseempleaparaunúnicoelementoestructural,circularyvertical.Unaestructurajacketsecomponedevarioselementostubularesdeloscualesalgunosdistandeserverticales.
Porsimplificacióndecálculo,envezdecalcularlasfuerzasdeloleajequeseobtienenporcadaelementosehaprocedidoacalculardosdiámetrosequivalentesparacalculardirectamentelascargasdeoleajepor∆zdeestructura;unoparalasfuerzasdeinercia(Deq(M),deahoraenadelante),representadocomoD²enlaecuación(8),yotroparalasfuerzasdearrastre(Deq(D)),Denlaecuación(8).
Enprimerlugar,seprocederáadividirlageometríadelajacketendiferentessecciones,enlasquesedefiniráeltipoyelnúmerodeelementosporsección,lalongituddeloselementoshorizontalesylainclinacióndelasbarrasdiagonalesmediantelarelaciónLD/Z.Loselementosprincipalesdeljacketsesuponenverticales.
Sección Torre Pilote E.Vertical E.Horizontal LH Diagonales LD/z
A‐Torre 1 0 0 0 ‐ 0 ‐B‐3‐(3) 0 0 3 3 12 0 ‐C‐3‐6 0 0 3 0 ‐ 6 1.93D‐3 0 0 3 0 ‐ 0 ‐
E‐3‐(3) 0 0 3 3 16 0 ‐F‐3‐6 0 0 3 0 ‐ 6 1.57G‐3‐6 0 0 3 0 ‐ 6 1.66
H‐Pilotes 0 3 0 0 ‐ 0 ‐Tabla3:Definicióndeseccionesdelaestructurajacket
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‐45‐
Unavezdefinida lageometríade lasseccionesde la jacketseprocedeacalcular losdenominadosdiámetrosequivalentes(Deq(M)yDeq(D)).
ParaelloseempleaunaformulaciónenlaqueseconsideraqueeldiámetroequivalenteesigualalasumaenelcasodeDeq(D),olasumadeloscuadradosenelcasodeDeq(M)),deloselementoscircularesyverticalesquecomponenlasección.
Como ya se ha indicado hay elementos que no son verticales, pero se realiza unatransformación,multiplicando,enelcasodeloselementoshorizontales,eldiámetrodelelemento por la longitud horizontal, y, en el caso de los elementos diagonales, eldiámetrodeloselementosporlainclinación(LD/Z).
Se obtienen por lo tanto las siguientes ecuaciones para obtener los diámetrosequivalentes:
∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ (10)
∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ ∙ (11)
Donde,Nserefierealnúmerodeelementos,DaldiámetrodelelementoyLalalongituddel elemento. Los subíndices T,V,H,D,P, se refieren a los términos torre, elementosverticales,elementoshorizontales,elementosdiagonalesypilotes,respectivamente.
El cálculo de los diámetros equivalentes se completará posteriormente, ya que losdiámetrosdeloselementossevenafectadosporelcrecimientomarinoquesecalcularáencapítulosposteriores.
4.1.2 Obtención de los parámetros
Se obtendrán a continuación los parámetros necesarios para la resolución de laecuacióndeMorison.Algunosparámetrosdependendeldiámetrodelelementosobreelquesecalculanlascargasdeloleaje.Alhaberprocedidoaunasimplificacióndeloselementosdelajacketaunsoloelemento,paraaquellosparámetrosquedependendeldiámetrosehaprocedidoausarelparámetrodeldiámetrodelasecciónqueaportemayorescargasdeoleaje.
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‐46‐
4.1.2.1 Corriente
4.1.2.1.1 Perfil de velocidad
Lascorrientesgeneradassecaracterizanporunadistribuciónpotencialdelavelocidad,reduciéndoselavelocidaddelasuperficie,dondeesmáxima,hastaunavelocidadde0m/senel fondomarino.Seutilizaun factordeverticalidad,conelqueseobtiene lasiguienteecuación:
∙ (12)
Donde,
eslavelocidaddelacorrientealacotaz.
zeslocotatomadadesdeelniveldelmardediseño(valornegativo).
eslavelocidaddelacorrienteenlasuperficie.
heselniveldelmardediseño.
αeslaexponentedeladistribución,paraesteestudio1/7.
Paratenerencuentaloscambiosenelniveldelmardebidoaloleaje,sehadeadaptaresta fórmulademodoque lavelocidaden lasuperficiecontinúesiendo lavelocidadmáximade2,05m/sobtenidoenlascondicionesambientalesiniciales.Paraelloenlaecuación(12)sesustituyeelvalordezporunvariable,denominadaz’,queotorgaunvalorficticiodezparacumplirlascondicionesdecontornodevelocidadenlasuperficiede2,05m/sydevelocidadenellechomarinode0m/salcambiarelniveldelmar.
Esteparámetroz’sedefinedelasiguientemanera:
∙ (13)
Donde,
eselincrementoenlaalturadelniveldeaguaqueocasionaeloleajedediseñodependiendodelafaseenlaqueseencuentre.
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‐47‐
Figura35‐Perfildecorrientesenfuncióndelafasedeloleaje
Elmétodoempleadoseconsideraválidosiemprequenoseproduzcaunareducciónrápidadelavelocidaddelacorriente,enprofundidadescercanasalasuperficielibredelagua.Estasituaciónespocoprobableyaqueelexponentedeladistribuciónes1/7yladistribuciónesmuyverticalparaz’cercanasa0.
4.1.2.1.2 Factor de bloqueo
Lavelocidaddelascorrientesenzonascercanasalaestructurapuedeversereducidarespectoalavelocidaddelacorrientecuandoestálibredeobstáculos.Unapartedelflujoincidentegiraentornoalaestructuraynoatravésdeella,porloquelavelocidadincidentedelacorrientesobrelaestructurasereduce.
Elfactordebloqueo,fBF,sepuedecalculardelasiguientemanera:
1∙
4 ∙ Ā
(14)
‐40
‐35
‐30
‐25
‐20
‐15
‐10
‐5
0
5
10
1.00 1.20 1.40 1.60 1.80 2.00
z (m
)
u (m/s)
ϕ = 0 ϕ = π/8 ϕ = π/4 ϕ = 3π/8 ϕ = π/2
ϕ = 5π/8 ϕ = 3π/4 ϕ = 7π/8 ϕ = π
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‐48‐
Donde,
∑ ∙ eslasumadetodaslasáreasdearrastredelosmiembrosqueformanlaestructuraqueseoponenalflujo.
Āeseláreaproyectadanormalalacorrientealacorrienteincluidadentrodelperímetrodelaestructura.
Figura36‐Bloqueodelflujodebidoaunaestructura
Enelpresenteestudio,sehadecididoutilizarunfactordebloqueoparalascorrientessobreel jacketde0,9deacuerdoconloespecificadoenlanormaAPI2A‐LRFDparajacketsde3patas.
4.1.2.2 Oleaje
4.1.2.2.1 Periodo de ola aparente
Unacorrientequesepropagaenlamismadirecciónqueeloleajetiendeaalargarlalongituddeonda,mientrasqueunacorrienteenladirecciónopuestatiendeaacortarse.
Paraelestudiodelascargasdeoleaje,comosehamencionadoconanterioridadsevaasuponerquelascorrientes,eloleajeyelvientotienenlamismadirección.
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‐49‐
Para el cálculo del periodo aparente se empleará la Figura 37, donde primero esnecesariodefinirlosvaloresded/gT²y /gT,dedóndeseconocentodoslosdatos.
Figura37‐RelaciónentreTappyT
Entrandoenlatablaconlosdatosinicialesdeperiododediseñoenelintervaloentre13,4 s y 18 s, profundidaddediseño igual a 40my velocidadde la corriente en lasuperficiede2,05m,obtenemosunlímiteinferiordelperiodoaparentede15,01syunlímitesuperiorde19,80s.
4.1.2.2.2 Longitud de onda
Conocidoelperiododeolaaparentequesevaaemplearparaeldiseño,calculadoenelapartadoanterior,seprocedeadeterminarlalongituddeonda.
Elmétodomásexactoparacalcular la longituddeolaesmediante laecuaciónde ladispersióncuyaformulaciónes:
∙ ∙ tanh ∙ (15)
Donde,
∙ y ∙
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‐50‐
Sin embargo, debido a que se está empleando una hoja de Excel para realizar loscálculos, sedecideutilizaruna formulaciónaproximada recomendadaque relacionadirectamente el periodo con la longitud de onda para una profundidad dada de lasiguientemanera:
∙ ∙ ∙1 ∙
(16)
Donde,
1 ∑ ∙
4 ∙ ∙ / ∙
0,666
0,445
0,105
0,272
Paraelcálculodelaslongitudesdeonda,conocidalaprofundidaddediseñode40myunos periodos aparentes de 15,01 s para el límite inferior y 19,80 s para el límitesuperior,seobtienenunaslongitudesdeolade261,7my365,4m,respectivamente.
Figura38‐Longituddeondarespectoalperiododeolaadistintasprofundidades
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‐51‐
4.1.2.2.3 Perfil de velocidades
Elperfildevelocidadesdelaspartículasdebidoaloleajesevaacalcularatravésdelateoría linealo teoríadeondasdeAiryoStokesdeprimerorden.Conesta teoría sepueden obtener las expresiones analíticas de la velocidad y aceleración de laspartículas,loscaminosdelasmismasolapresión.
Estateoríasolamenteesválidaenelcasodeolasquenoseanrompientesydepequeñaamplitudcomparadoconlalongituddeondaylaprofundidad.
Elperfildevelocidadessedefinedelasiguientemanera:
∙∙coshsinh ∙
∙ cos (17)
Estaecuaciónesválidaúnicamenteparavaloresdezentre‐hy0,luegoseprocederádenuevoaintercambiarzporz’parapodertenerencuentalasvariacionesdelniveldeaguaempleandolaecuación(13).
Figura39‐PerfildevelocidadesparaTminyTmaxy =0
‐40
‐35
‐30
‐25
‐20
‐15
‐10
‐5
0
5
10
2.00 2.50 3.00 3.50 4.00 4.50
z (m
)
u (m/s)
T mínimo T máximo
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‐52‐
Como se puede observar en la Figura 39, se han representado los dos perfiles develocidaddeloslímitesdelperiodoaparente.ConayudadelahojaExcelsecalcularánlascargasdeoleajedeestosdoscasosyaquesonloscasosmásextremos.
Enelcasodellímiteinferiorpodemosverquelasvelocidadessonmenoresenelfondodelmarymayoresenlasuperficiedelaolaqueenelcasodelmayorperiodoaparente.
CabedestacarqueenExceltambiénseanalizarálasposiblescargasdeoleajequesegenerenenfuncióndelafasedelaola.LasdiferenciasdevelocidaddebidoalcambiodefaseserepresentanenlaFigura40,siendomáximaspara iguala0yπ.
Figura40‐PerfildevelocidadesparaTminenfuncióndelafasedelaola
4.1.2.2.4 Perfil de aceleraciones
Deigualmaneraquesehacalculadoelperfildevelocidades,seprocederáacalcularelperfildevelocidadesconlateoríadeondasdeAiry,yaquelascondicionesparapoderrealizar el análisis del perfil de aceleraciones es el mismo que el del perfil develocidades.
‐40
‐35
‐30
‐25
‐20
‐15
‐10
‐5
0
5
10
‐5.00 ‐4.00 ‐3.00 ‐2.00 ‐1.00 0.00 1.00 2.00 3.00 4.00 5.00
z (m
)
u (m/s)
ϕ = 0 ϕ = π/8 ϕ = π/4 ϕ = 3π/8 ϕ = π/2
ϕ = 5π/8 ϕ = 3π/4 ϕ = 7π/8 ϕ = π
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‐53‐
Laecuaciónquedefineenestecasoelperfildeaceleracioneses:
∙ ∙∙coshcosh ∙
∙ sin (18)
Enestecaso,análogamentealorealizadoanteriormenteenelperfildevelocidadylacorriente, z se adaptará para permitir variaciones del nivel de agua mediante laecuación(13).
Figura41‐PerfildeaceleracionesparaTminyTmaxyφ=π/2
Enelcasodelasaceleraciones,losmayoresvaloresseobtienenparaunafaseigualaπ/2, siendo nulos paraφ igual π y 0. En este caso se aprecia que las aceleraciones
‐40
‐35
‐30
‐25
‐20
‐15
‐10
‐5
0
5
10
0.75 0.95 1.15 1.35 1.55 1.75 1.95
z (m
)
a (m/s2)
T mínimo T máximo
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‐54‐
obtenidasenelperfilparaelcasodellímiteinferiordelperiodosonsiempremayoresalascorrientesqueseproducenparaelmayorperiododeolaaestudiar.
4.1.2.2.5 Factor cinemático
Al igual que pasara con las corrientes y el factor de bloqueo, las fuerzas del oleajetambiéncuentanconunfactorreductor.
Enloscálculosrealizadosparaobtenerlascargasdeoleajesesuponeunmarconolaslargasquesepropaganenlamismadirección,situaciónquenuncasedaencondicionesreales.Dehecho,eloleajetieneuncaráctercaótico,formándoseconolasdedistintasalturasquesepropaganendistintasdirecciones.Estapropagacióndireccionalprovocaquelospicosdefuerzadeloleajeseandemenorvalorqueloscalculadosparaunmarunidireccional.
Inclusoencasosdepocadispersióndeloleaje,haypruebasdequelasteoríasdeoleajetiendenasobrestimarlasvelocidadesyaceleracionesdelfluido.
Lasmedidas tomadashasta la fechaconsideranvaloresparael factorcinemáticodeentre0,85a0,95paratormentastropicales,yde0,95a1paratormentastropicalesextraordinarias.
Paraquedardelladodelaseguridadenelcálculodelasfuerzasextremasdeoleaje,sehaoptadoporutilizarunaFc=0,99paraesteestudio.
4.1.2.3 Crecimiento marino duro
Elcrecimientomarinosobreloselementosdelaestructuraesunfenómenoquedebeserconsideradoenesteestudio,yaquemodificanotablementelascargasdeloleaje.
Los elementos de la estructura jacket sumergidos o parcialmente sumergidos venaumentadosudiámetrodebidoalcrecimientodeorganismos“duros”enlasuperficiedel elemento. Del mismo modo, el crecimiento marino duro también afecta a larugosidad relativa del elemento, modificando el coeficiente de arrastre para flujoestacionario,queasuvezeslabasedelcálculodeloscoeficientesdeinerciayarrastre.
El diámetro “efectivo” que alcanzarán los elementos expuestos se define con lasiguienteexpresión:
2 (19)
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‐55‐
Donde,
Dc es el diámetro inicial del elemento expuesto y t es el espesor medio delcrecimientomarinoduro.
Larugosidadrelativasedefinecomo:
(20)
Donde,
k es la altura media medida entre el crecimiento marino duro máximo y elcrecimientomarinoduromínimotalycómoseexpresaenlaFigura42.
D es el diámetro que se ha calculado previamente teniendo en cuenta elcrecimientomarinoduro.
Figura42‐Crecimientomarinoenunelementocircular
Enelpresenteestudio,elcrecimientomarinoduroseestableceen100mmdeespesoryunakde50mmparalospilotesyloselementostubularesdeljacket,mientrasque
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‐56‐
paralatorreseutilizaraunakde0,3mm.EstosvaloressehanobtenidodeacuerdoconlosvaloresrecomendadosparaproyectosrealizadosenlazonasurdelMardelNorte.
Se representarán los datos obtenidos para tanto el diámetro “efectivo”, como larugosidadrelativadecadaseccióndelaestructuraenloscapítulosposteriores,dondesehablarádelaobtencióndeloscoeficientesnecesariospararesolverlaecuacióndeMorison.
4.1.2.4 Número de Keulegan‐Carpenter
Estavariabletienegranimportanciayaqueloscoeficientesdearrastreeinerciasevanacalcularenfuncióndeestefactor.
Esteparámetrodefinelaestacionalidaddelcomportamientodelflujo.Esunparámetrodependientedeladistanciaquerecurreunapartículadelfluidoendirecciónnormalalejedelelementoestructuralenunamitaddelciclodeolaynormalizadaporeldiámetroefectivodelmiembro.
En una estructura offshore tipo jacket, es normal encontrarse con valores de KCmayores de 40 en condiciones de diseño, significando que las fuerzas de arrastrepredominansobrelasdeinercia,comosepuedeverenlaFigura43,yaquealaumentarelnúmerodeKeulegan‐Carpenter(KC)disminuyeelcoeficientedeinercia(CM).
Figura43‐CoeficientedeinerciaenfuncióndeKC
TFGDanielBoladoFernández
‐57‐
LaecuaciónquedefineelnúmerodeKeulegan‐Carpenteres:
2 ∙ ∙ (21)
Donde,
Umeslamáximavelocidaddelaspartículasdebidoaloleajeylascorrientes.
T2esladuracióndemediociclodeola
Deseldiámetro“efectivo”delelemento
4.1.2.5 Coeficiente de arrastre para flujo estacionario (CDS)
El coeficiente de arrastre para flujo estacionario puede usarse para base para laobtencióndeloscoeficientesdeinerciaydearrastre.
Elvalordeesteparámetrodepende,comoyasehamencionadoanteriormente,engranmedidadelarugosidadrelativadelelementodelasiguientemanera:
0,65 10
29 4 ∙ log ⁄
2010 10
1,05 10
(22)
Donde,
Deseldiámetro“efectivodelelemento.
keslaalturamediamedidaentreelcrecimientomarinomáximoyelcrecimientomarinomínimo.
4.1.2.6 Coeficiente de arrastre (CD)
ElcoeficientedearrastredependedelcoeficientedearrastreparaflujoestacionarioydelnúmerodeKeulegan‐Carpentermediantelasiguienteecuación:
TFGDanielBoladoFernández
‐58‐
∙ , (23)
Endonde eselfactordeamplificaciónporlaestela,representadoenlaFigura44.Enellaserepresentaelcomportamientodeuncilindrorugoso,conunalíneapunteada,yconunalínearellenaalcilindroliso.SedemuestraquelarugosidadrelativacarecedeimportanciaapartirdeKC/CDSmayoresde12.
Medianteesafigura,esposibleobtenervaloresajustadosdeCDconocidoslosotrosdosparámetros.KCyCDS.
Figura44–Factordeamplificaciónporlaestela
LasexpresionesquedefinenelcoeficientedearrastredependiendodelvalordeKCson:
,
1 2 ∙ 0,75 0,75 1 0,75 20,10 ∙ 12 2 12
1 ∙12
48 12 60
1 60
(24)
TFGDanielBoladoFernández
‐59‐
Donde,
1,50 0,024 ∙12
(25)
Enelpresenteestudiosehanobtenidolosvaloresdeloscoeficientesdearrastreparaloselementosanteriormentemencionados.Secalculaunvalorparael límiteinferiordel periodo aparente de 15,01 s (T1) y un límite superior de 19,80 s (T2). SerepresentanlosvaloresdeCDSparaT1enlaTabla4yparat2enlaTabla5.
Propiedades T1
Elemento Def k e Cds c(pi) Kc Fb KC fi(KC) Cd
Principal 1.5 0.05 0.03333 1.05 1.47 0.99 0.9 59.08 1.036 1.09
Diagonal 0.9 0.05 0.05556 1.05 1.47 0.99 0.9 98.46 1.000 1.05
Horizontal 0.9 0.05 0.05556 1.05 1.47 0.99 0.9 98.46 1.000 1.05
Torre 6 0.0003 0.00005 0.65 1.30 0.99 0.9 14.77 1.231 0.80
Pilote 2.7 0.05 0.01852 1.05 1.47 0.99 0.9 32.82 1.279 1.34
Tabla4:ValoresdeCDSparaloselementosdeljacketparaTmin
Propiedades T2
Elemento Def k e Cds c(pi) Kc Fb KC fi(KC) Cd
Principal 1.5 0.05 0.03333 1.05 1.47 0.99 0.9 77.94 1.000 1.05Diagonal 0.9 0.05 0.05556 1.05 1.47 0.99 0.9 129.90 1.000 1.05Horizontal 0.9 0.05 0.05556 1.05 1.47 0.99 0.9 129.90 1.000 1.05Torre 6 0.0003 0.00005 0.65 1.30 0.99 0.9 19.48 1.186 0.77Pilote 2.7 0.05 0.01852 1.05 1.47 0.99 0.9 43.30 1.182 1.24
Tabla5:ValoresdeCDSparaloselementosdeljacketparaTmin
4.1.2.6 Coeficiente de inercia (CM)
ElcoeficientedeinerciaserelacionaconKCyCDS,comosepuedeapreciargráficamenteenlaFigura45ylaFigura46.
TFGDanielBoladoFernández
‐60‐
Figura45–CoeficientedeinerciaenfuncióndeKC
Figura46–CoeficientedeinerciaenfuncióndeKC/CDS
Laexpresiónquerelacionalosparámetrosmencionadoseslasiguiente:
2 32 0,44 ∙ 3 ; 1,6 0,65 3
(26)
Análogamentea lametodologíaempleadaparacalcularelcoeficientedearrastre,sehanobtenidolosvaloresdeloscoeficientesdearrastreparaloselementosdelajacket.
TFGDanielBoladoFernández
‐61‐
Secalculaunvalorparael límite inferiordelperiodoaparentede15,01s (T1)yunlímitesuperiorde19,80s(T2).SerepresentanlosvaloresdeCDSparaT1yT2enlaTabla6
Propiedades T1 T2
Elemento Def k e Cds c(pi) Kc Fb KC Cm KC Cm
Principal 1.5 0.05 0.03333 1.05 1.47 0.99 0.9 59.08 1.2 77.94 1.2
Diagonal 0.9 0.05 0.05556 1.05 1.47 0.99 0.9 98.46 1.2 129.90 1.2
Horizontal 0.9 0.05 0.05556 1.05 1.47 0.99 0.9 98.46 1.2 129.90 1.2
Torre 6 0.0003 0.00005 0.65 1.30 0.99 0.9 14.77 1.6 19.48 1.6
Pilote 2.7 0.05 0.01852 1.05 1.47 0.99 0.9 32.82 1.2 43.30 1.2
Tabla6:ValoresdeCMparaloselementosdeljacketparaTminyTmax
4.1.3 Resultados
UnavezobtenidoslosparámetrosquedefinenlaecuacióndeMorison,seprocederáasuresolución.
Comoyasehaexplicado,sehanobtenido losesfuerzosdeoleajeporcadametrodealturadelaestructura,definiendolosparámetrosparacadaunadelassecciones.SeutilizanlosmayoresvaloresdeCMyCDdeloselementoscontenidosencadasección,paracalcularlascargasdeoleajemáscríticas.LosdiámetrosaincluirenlaecuacióndeMorisonseránlosdiámetrosequivalentescalculadosenelapartado“4.1.1Adaptacióndelageometría”.
Seobtienen lascargasdeloleajepara todas las fasesdeloleajeyel límite inferiorysuperiordelperiodoaparente.
En la figura 47 se representan los valoresmáximos de cargas de oleaje que se hanconseguidoparaellímitedelperiodosuperior,ydelinferior,representadosporcadametrodeprofundidad,quesecorrespondenenlosdoscasosconlafaseφ=0deloleaje.
Sepuedeobservarcomolasmayoresvelocidadesycorrientesenlasuperficie,suponenmayorescargasdeoleaje,comoeraesperable.Tambiénsecumplequeparaellímiteinferiordelperiodoaparentelascargassonmayoresensuperficiequeenelcasodellímitesuperiordelperiodo,yenelfondoesalrevés,asícomoloeranlasvelocidadesdebidoaloleaje,representadoenlaFigura41.
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‐62‐
Figura47‐Cargasdeoleajemáximasparacadalímitedelperiodo
Como se puede comprobar, se producen saltos en el valor de las fuerzas del oleajecoincidiendo con los cambios de sección, correspondiéndose mayores cargas conmayoresdiámetrosequivalentesdelasección.Elgransaltoqueseproduceenelgráficocoincideconlacotaenqueseencuentranloselementoshorizontalesaumentandoengranmedidalascargas.
LaFigura48representalosmomentosocasionadosporlasfuerzasmáximasdeoleaje.
Figura48‐Momentosdebidosalascargasdeoleajemáximas
‐50
‐40
‐30
‐20
‐10
0
10
0 100 200 300 400 500 600 700 800
z (m
)
F (KN)
Cargas Oleaje Tmin Cargas Oleaje Tmax
‐50
‐40
‐30
‐20
‐10
0
10
0 5000 10000 15000 20000 25000 30000
z (m
)
M (KN∙m)
Momento Tmin Momento Tmax
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‐63‐
Porúltimo,enlaTabla7seprocederáaincluirlacargayelmomentototalessobrelaestructura en el peor caso, que se corresponde con el caso de las cargas de oleajemáximasparael límite inferiordelperiodoaparente.Esta informaciónsenecesitarámásadelantepararealizarundiseñobásicodelospilotes.
Cargasdeoleajemáximas
Alturadeoladediseño(m) 14,80
Periodo(s) 15,01
Fuerzatotal(KN) 8.322
Momento(KN∙m) 217.955
Tabla7–Cargasdeoleajemáximas
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‐64‐
5. Otras cargas de diseño
Lascargasdeoleajesonvitalesparaelanálisisestructuralde lapiezadetransición,pero tambiénesnecesariocalcularotrascargasqueactúansobre laestructurapararealizaruncálculopreciso.Además,estascargasseutilizarántambiénparaeldiseñobásicodelospilotes.
Estascargassedividenencargasasociadasaljacket,queincluyensupesoyelempujehidrostáticoalqueestásometido;ylascargasasociadasalgenerador,queincluyenelpesodelaerogeneradorylascargasdelvientosobreelaerogenerador.
5.1 Cargas asociadas al jacket
5.1.1 Peso
ParaobtenerlascargasasociadasaljacketsehaprocedidoarealizaruncálculoenExcelqueluegosehaverificadointroduciendolageometríadeljacketenMIDAS,obteniendolasreaccionesquerepresentanelpeso.
PararealizarelcálculoconExcelsehadefinidoelnúmerodeelementostotalesdecadasección en la estructura y su longitud. Sabiendo que, los elementos tubularesprincipalescuentanconundiámetrode1.300mmyunespesorde40mm,mientrasqueloselementossecundariostienen700mmdediámetroy30mmdeespesor.Porúltimo,seconsideraquelospilotessobresalen5mdelfondoycuentanconundiámetrode2,5myunespesorde50mm.Seobtieneunvolumentotaldejacketde58,65m³.
AsumiendoqueelmaterialquesevaaemplearparalaconstruccióndeljacketesaceroestructuralS235conunadensidadde7.850kg/m³,seobtieneunpesode4515,02KN.
Elmodelo deMIDAS define los elementos de la jacket como elementos tipo BEAM,dondeserespetalosdiámetrosyespesoresdeloselementos.ElmodeloserepresentaenlaFigura49,yvalidaelpesoanteriormenteobtenido,yaqueseobtieneunareacciónde4517KN,unvalormuypróximoalvalorde4515KN,obtenidoenelcálculoconlahojadeExcel.
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‐65‐
Figura49–ModeloMIDASdeljacketparaverificarpeso
5.1.2 Empuje hidrostático
ElprincipiodeArquímedesesunprincipiofísicoqueafirmaqueuncuerposumergidoenunfluidoexperimentaunempujeverticalyhaciaarribaigualalpesodelamasadelvolumendelfluidoquedesaloja.Lafórmulaqueseutilizaes:
∙ ∙ (27)
Donde,
esladensidaddelfluido
geslaaceleracióndelagravedad
Vdeselvolumendefluidodesplazado.
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‐66‐
Elvalordelempujevaríaconlavariacióndelniveldelmar,aunqueseentiendequenodeunamanerasignificativa.Elempujeconsideradoenelproyectoeselqueseproduceenelcasodediseño,esdecir,cuandoelniveldelmaresde40mylaoladediseñode14,8mseencuentraenlafaseφ=0,casoparaelquesehanobtenidolascargasdeoleajemáximas.Eltotaldelaprofundidadconsideradaseráde47,4m.
Paraelcálculodelempujesehaobtenidoqueelementosseencuentransumergidospordebajodelos47,4m.Estoselementossehanconsideradosólidos,envezdehuecos,enestecaso,parasaberelvolumendeaguadesplazadoporlaestructura.
Sehandesplazado392,12m³quesuponen3945,33KNdeempujehidrostáticosobreeljacket,sabiendoqueladensidaddelaguasegúnlascondicionesmedioambientalesdelproyectoesde1026kg/m³ygestomadocomo9,806m/s².
Se ha realizado el modelado deMIDAS, de forma análoga al cálculo del peso, peroutilizandoelementossólidos,obteniendo3941KN.
5.2 Cargas asociadas al aerogenerador
5.2.1 Peso
Comoyaseharecogidoen laTabla2,enelcapítulo“3.4Descripciónde la turbina”,segúnlosestudiosrealizadossobrela“NRELoffshore5‐MWbaselinewindturbine”,lamasadelrotores110.00kg,ladelagóndola240.000kg,yladelatorre347.460kg,paraunamasatotalde697.460kg.
Estamasasecorrespondeconunpesototalde6.838KN.
5.2.2 Viento
Las cargas extremasdeviento sobre la torredel aerogenerador sehanobtenidodenuevodeestudiosrealizadossobrela“NRELoffshore5‐MWbaselinewindturbine”.
En laTabla8, se recogen losdatosmáximosde velocidaddel viento, asociada a lasmayores fuerzas que se ejercen sobre el aerogenerador tanto verticales comoverticales.Tambiénseañadeelmomentomáximoasociadoconestasfuerzasenlabasedelatorredelaerogenerador,yaquesenecesitaráestevalortantoparaeldiseñobásicodelospilotes,comoparaanalizarelcomportamientodelaestructuraconlapiezadetransiciónenelmodelodeMIDAS.
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‐67‐
Cargasasociadasalviento
Velocidadmáximadelviento(m/s) 38,40
Fuerzahorizontalmáxima(KN) 1.810
Fuerzaverticalmáxima(KN) 3.662
Momentomáximoenlabasedelatorre(KN∙m) 153.000
Momentomáximoenlabasedeljacket(KN∙m) 245.310
Tabla8–Cargasasociadasalviento
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‐68‐
6. Diseño básico de los pilotes
En este estudio se ha decidido que la estructura jacket se colocará sobre unacimentaciónprofundadepilotes.Sehadecididooptarporunasolucióndepilotesyaque se considera que los suelos cerca de la superficiales tienen poca resistencia.También cabe recalcar que el pilotaje, es la opciónmás utilizada en las estructurasoffshoredebidoalasaltascargasalasquesesometenestasestructuras.
Sevaaprocederacalcularlasdimensionesbásicasdelospilotes,empleandounahojaExcel, de una manera sencilla para tener una idea de las cimentaciones que seríanecesarioinstalarparalaestructurajacket.
Altratarsedeundiseñobásicodelospilotes,sehaconsideradosuficienteanalizarlosestadoslimiteúltimosquepropone“PuertosdelEstado”quesecorrespondenconlascargas verticales que se ejercen sobre los pilotes, que son los más probables deproducirse.Losmodosde falloqueseestudiarán,entonces, sonelhundimientoy laroturaporarranque.
Figura50‐Formasderoturadelterrenobajounpilote
Paraeldiseñodelascimentacionesseutilizaránunosfactoresdeseguridaddecargaymaterialparaasegurarelbuenfuncionamientodelospilotesquesediscutiránenlosapartadossiguientes.
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‐69‐
6.1 Factores de carga
Según el “Offshore Standard DNV”, se utilizarán factores de carga para mayorar ominorarlascargasqueseejercensobrelascimentacionesenelestadolímiteúltimo.
Estosvaloresrecomendadosvaríanenfuncióndesisetratadeunacargapermanente,variable,medioambientalodedeformación,ysi lacargatieneunvalorfavorable,esdecir,reducelasdimensionesdelospilotes,ounvalordesfavorable.
EnlaTabla9,sepresentandosposiblescombinacionesdefactoresdecarga(ayb)quesehandechequearparalascondicionesdecargadelcuantil98%enladistribucióndelasmáximascargasanuales,oloqueeslomismounperiododeretornode50años.
Factoresdecarga(γf)
Casodecarga/Tipodecarga
CargaFavorable/CargaDesfavorable
Permanente Variable Medioambiental Deformación
(a) 1.25 1.25 0.7 1.0
(b) 0.9/1.0 0.9/1.0 1.35 1.0
Tabla9:Factoresdecarga
Normalmenteelcaso(b)esmáscríticoparaeldiseñodelasestructurasprincipales,comoeselcasodeesteestudio,sinembargo,lanormaexigecomprobarlosdoscasosdecargaencualquiercaso,eligiendoelquereportepilotesdemayoresdimensiones.
Enesteestudio,tambiénsecompruebaqueelcasodecarga(b)esmáscríticoqueelcaso(a)
6.2 Factores de material
Paraelanálisisdeesfuerzosefectivosquesevaarealizarsobreelestratosuperiordelsuelo,quesetratadeunaarenadensa,esnecesarioreducirlatangentedelángulodefriccióncaracterísticoporundenominadofactordecarga,γm.Paraelestudioquesevaarealizarsobreelestadolímiteúltimo,estefactortomaelvalordeγmiguala1,25,deacuerdoconlosvaloresrecomendadosporel“OffshoreStandardDNV”.
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‐70‐
De igualmanera,paradeterminar laresistenciadelpilotedediseño, frenteacargasaxiales en un caso de estado límite último, se dividirán los valores de resistenciacaracterísticosdelapila,resistenciaporpuntayporfuste,porunfactordematerialdeγmiguala1,25
6.3 Modos de fallo
6.3.1 Hundimiento
Elhundimientoeselestadoderoturamásclásicode roturade lospilotes.Lacargaverticaldecompresiónqueseejercesobrelacabezadelpilotesuperalaresistenciadelterrenoyseproducenasientosdesproporcionados.
Lacargadehundimiento(Qh)representalaresistenciadelpilotequesecomparaconlascargasverticalesatravésdeunfactordeseguridad.Qhsepuedecalcularcomounasumadelascargasdelhundimientodelapunta(Qp)ydelfuste(Qf).
6.3.1.1 Resistencia por punta
SepartedelaexpresióngeneraldeBrinch‐Hansenqueseparticularizaparaeltipodesuelodondeseapoyeelpilote.Enestecaso, lospilotesdescansaránsobreun lechorocoso,yaqueseesperaqueelpiloteatravieselosdosprimerosestratosparareposarsobreelestratomásduro,parael cual laexpresiónpara la resistenciaporpuntaseexpresaenfuncióndesuresistenciaacompresiónsimple:
∙ (28)
Donde,
queslaresistenciaacompresiónsimple,mientrasque sedefinecomo:
∙ 0,56 ∙
1 (29)
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‐71‐
Donde,
eseldiámetrodelpilote.
Deslalongituddelpilote.
esunparámetroquedependedeltipoderocayenelcasodeesteestudiotomaelvalorde0,8paraareniscascompactas.
Enesteestudiolaresistenciaporpuntaserámuypequeñacomparadaconladefricción,debidoaquelospilotessonprofundos,perodeundiámetroreducido,relativamente.
6.3.1.2 Resistencia por fuste
Lacargadefustesecalculaenfuncióndelapresióndehundimientoporfustemediantelaexpresión:
∙ ∙ ∙ (30)
La condiciónderoturaqueseplanteaes ladeMohr‐Coulomb,quepara la interfasepilote‐terreno,sedefinecomo:
′ ∙ (31)
Donde,
aeslaadherencia.
eselánguloderozamiento.
′ es la tension efectiva horizontal que se puede obtener multiplicando latensiónverticalporelcoeficienteK,llamadocoeficientedeempuje.
Alemplearestacondiciónderotura,sepuedeobservarquelacargadefusteaumentalinealmenteconlaprofundidad,sinembargo,estonoesmuyrealistayaquelosvalores
TFGDanielBoladoFernández
‐72‐
observadosenlosmejoressuelossoloalcanzanpfde1kp/cm².Asípues,seestablecerácomolímite1kp/cm²paraelcálculodelaresistenciadefuste.
La resistencia por fuste también dispone de una formulación más simplificadadependiendodelsueloquerodeeelpilote.
Enelcasodeafectaraarenas,comoenelprimerestratodelsuelodediseño,sepuedesimplificar la ecuación 31, eliminando el término a, ya que la cohesión en suelosgranularespuededespreciarse.
Elángulo puedesimplificarsecomounterciodelánguloderozamientointerno,yaqueseemplearáunpilotemetálicomuyliso.
Elcoeficientedeempuje,K,estámuy influidopor la formaen laqueseejecutan lospilotes,paraelproyectosetomaráelvalordeKiguala1,0,quesecorrespondeconuncasoenelquehayarenasueltaysehincaelpiloteenvezdeperforar.
Enelcasodefusteenrocas,comosonlosdossiguientesestratosdelsuelo,seprocedeaconsiderarunacargaporfusteiguala:
120
∙ (32)
6.3.2 Arranque
Elarranqueeselotroestadoderoturaaconsiderar.Enestecaso,lacargaverticalqueseejercesobre lacabezadelpiloteesdetracciónycuandosupera laresistenciadelterrenoseproduceellevantamientodelpilote.
Laresistenciadearranquedeunpiloteindividualesigualalaresistenciaporsufustesincontarlaresistenciaporpunta.Según“PuertosdelEstado”,laresistenciaporfusteenarranque,deacuerdoconlasexperiencias,esmenorquelaresistenciaporfusteacompresión.
Afaltadeensayosoexperienciasquedemuestrenlocontrario,ovaloresmásprecisos,se tomará como resistencia por fuste a arranque, la mitad del valor obtenido paracargasdecompresión.
TFGDanielBoladoFernández
‐73‐
6.4 Dimensiones del pilote
Enelestadoactualdelaestructura,sesuponelapiezadetransiciónnotienemasaparaeldiseñobásicode lospilotes, yaqueelpesode lapieza se resolveráenapartadosposteriores.
LascargasconsideradasporpiloteenlapeorcondiciónserecogenenlaTabla10,dondeseespecifica,asímismolosfactoresdecargasquesevanaemplear.
Elpesodelaestructuraenglobalasumadelpesodeljacket,yelaerogenerador,ademásdelapartedelospilotesquesobresalendellechomarino,delamismaforma,elempujedel jacket, comoseha indicaencapítulosanteriores, también incluyeelpesode lospilotesporencimadelfondodelmar.Estevalorsemultiplicaporuntercioparaobtenersuvalorporpilote.Lafuerzadevuelcorepresentalafuerzaverticalquesustituyeelmomentoejercidoenlabasedelaestructuracuandoeljacketvuelcasobreunpiloteenel casodel hundimiento, y sobredospilotesen el casodel arranque.Esta fuerza seobtienesumandolosmomentosqueocasionaeloleajeylascargasdevientoenlabasedeljacket,yluegosedivideporlaalturadeltriánguloimaginarioqueformanlastrespatasdelaestructura.
Lamaneradeobtenerelvalordelafuerzadelvientoeselexplicadoenelcapítulo“5.2.2Viento”expresadoporfuerzaverticalmáxima,queigualquelospesosyelempuje,sedivideentretresparaobtenerelvalorporpilote.
Casodecarga/Cargas(KN)Peso
EstructuraEmpujeJacket
Fuerzavuelco
Fuerzaviento
3.784 1.315 21.397 1.221
(a)Favorable 1.25 1.25 0.7 0.7
Desfavorable 1.25 1.25 0.7 0.7
(b)Favorable 0.9 0.9 1.35 1.35
Desfavorable 1.0 1.0 1.35 1.35
Tabla10:Cargasporpiloteyfactoresdecarga
Enelcasodelaroturaporhundimiento,lascargasdelpesodelaestructura,lafuerzadevuelcoylafuerzadelviento,sonfuerzasdesfavorables,mientrasqueelempujedeljacketeslaúnicafuerzafavorable.
TFGDanielBoladoFernández
‐74‐
En el caso de fallo por arranque, el empuje del jacket y la fuerza de vuelco sonfavorables,mientrasquelafuerzadevientoyelpesodelaestructurasonlascargasdesfavorables.
Eldiámetroque sevaautilizaresde2,5m,yaqueesel valormás comúnpara lassolucionesadoptadasparaelperforadoderoca.Porlotanto,laúnicavariabledelascimentacioneseslaprofundidadquealcanzalacimentación.
EnlaFigura51,serepresentaelfactordeseguridaddelascimentacionesenfuncióndelalongituddelospilotes,enlosmodosdefallodehundimientoyarranque.Estefactorde seguridad se define como el cociente de las fuerzas verticales sobre el pilote,mayoradas por los factores de carga, γf, y las cargas de hundimiento o arranque,dependiendo delmodo de fallo a estudiar, que han sido reducidas por el factor dematerial,γm.
Este factor de seguridad será aceptable tomarlo como 1 para asegurar el correctofuncionamiento de las cimentaciones, ya que ya se han aplicado anteriormente losfactoressobrelascargasylaresistenciadelpiloteparacertificarlaintegridaddelascimentaciones.
Figura51–Factordeseguridadparalosmodosdefallo,casodecarga(a)y(b)
EnlaFigura51,sepuedeobservarqueelcasodecarga(b)esmáscríticoqueelcaso(a),comoeradeesperar,yaquelasmayorescargassobrelospilotesestánasociadas
0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
3.5
15 25 35 45 55 65 75 85 95 105
Factor de segu
ridad
Longitud del pilote (m)
Hundimiento caso de carga (a) Hundimiento caso de carga (b)
Arranque caso de carga (a) Arranque caso de carga (b)
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‐75‐
concargasmedioambientales,yenelcasodecarga(b),estascargasseaumentanun35%mientrasqueenelcaso(a)lascargasmedioambientalessereducenun30%.
Destacar que el fallo por arranque es más restrictivo para estas condicionesmedioambientales,yaquelaresistenciaporfustesevereducidaalamitadenelcasoquelasfuerzasaxialessobreelpiloteseanfuerzasdetensión.
Lapropuestafinaldelalongituddelpiloteesde95m,contandolos5mquesobresalendel lechomarino,parasatisfacerelmodode fallomáscríticoqueenestecasoesalarranqueenelcasodecarga(b).
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‐76‐
7. Diseño de la pieza de transición
Comosehamencionadoenestadodelarte,lapiezadetransiciónesunelementocuyodiseñodependerádelaestructurainferior,yqueseencargadetransmitirlosesfuerzosqueaparecenenlabasedelatorre.Enlaactualidad,seutilizanpiezasdetransiciónmetálicasqueencarecenlaconstruccióndeestructurasoffshore,ylimitan,enalgunoscasos,laviabilidadeconómicadelosproyectos.
Sepretendeestudiarelimpactoenlaestructurajacketdesustituirestacomplejapiezametálicaporunapiezadehormigónmássencillaybarata.
Paraelanálisisestructuralsepartirádeunageometríapropuestadepiezadetransiciónyseestudiaráqueimpactosuponevariarlamasadelelemento.
Elanálisisestructuralquesevaarealizarsobreelimpactodelapiezadetransiciónenlaestructurajacket,sevaadividirprincipalmenteenunanálisisdelavariacióndelosesfuerzos axiales sobre los elementos de la estructura, un análisis dinámico paraverificarsilaestructurapudieraentrarenresonancia,yunanálisissobrelavariación,enestecaso,enlascimentacionesquepodríaocasionarimplementarestapieza.
Se va a utilizar el softwareMIDAS para realizar estas comprobaciones, volviendo autilizarademáslahojaExcelparaverlosimpactossobrelascimentaciones.
Yaqueexceptoelprimerestratodelsuelo,elsueloesrocoso,seconsideraqueempotrarlaestructuraesunabuenaaproximacióndelcomportamientorealdelsuelo.
7.1 Definición del modelo en MIDAS
Enestecapítulo,sevaaexponercomosehadefinidoelmodelodeMIDAS,incluyendolaestructuraylascargasquevanaactuarsobreeljacket.
7.1.2 Geometría Jacket
ParamodelarloselementostubularesdelaestructurasehanutilizadoelementostipoBEAM, respetando los diámetros y los espesores especificados en este estudio y elmaterialdeloselementos,aceroestructuralS235.Lasunionesentreloselementosse
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han supuestonodos,para simplificar elmodelo, conociendoqueel comportamientorealnodistademasiadodeestaaproximación.
Sehacalculadoelpeso,obteniendolasreaccionessobrelosapoyos.ParaasegurarsedelaexactituddelmodelosehacomprobadoelpesoconelpesoobtenidoempleandolahojadeExcel.
7.1.3 Empuje hidrostático
Elempujehidrostáticodelaestructurasehaconsideradocomounafuerzalinealmentedistribuidaalolargodeloselementossumergidoscondistintosvaloresdependiendodelelementoafectado.LosvaloresutilizadossehanobtenidoconlahojaExcel,siendoigualesalpesodelamasadelvolumendelfluidoquesedesplazapormetrolineal.
Losvaloresobtenidosparamodelizarelempujeson13,02KN/mparaloselementosprincipales,3,77KN/menloselementossecundariosy48,13KN/menelcasode lapartedelospilotesqueemergedellechomarino.
Figura52‐RepresentacióndelempujeenMIDAS
7.1.4 Cargas de oleaje
Sehadecididoporotroladodefinirlascargasdeloleaje,anteriormenteobtenidasenelcapítulo“4.Cálculodelascargasdeoleaje”,mediantecargasnodalessobrelosnodosde loselementosdiscretizadosyaquesecorrespondecon la formaen laquesehanobtenidolascargasmediantelaecuacióndeMorison,porunidaddeestructura.
Las cargasobtenidasporunidaddeestructuraen lahojaExcel simplemente sehandivididoporloselementosporunidaddeestructura,sinimportareltipodeelementoafectado.
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7.1.5 Carga de viento
LascargasdevientoempleadasenMIDASsonlasobtenidasenlaTabla8,enelcapítulo“5.2.2Viento”:1.810KNlafuerzahorizontalmáxima,yunmomentomáximoenlabasedelaturbinade153.000KN∙m.
Sehadecididoquelascargasdevientoseapliquencomounacarganodalyunmomentoenlapartesuperiordelapiezadetransición,querepresentalauniónidealizadaentrelatorredelaerogeneradorylapiezadetransición.
7.1.6 Aerogenerador
Elaerogeneradorsedivideenlamodelizacióndelatorre,elrotorylagóndola.Esteapartadosuponeunaampliacióndeloexpuestoenelcapítulo“3.4Descripciónbásicadelaturbina”.
Enelestudiode losesfuerzosaxialesbastarácon incluirelpesodelaerogenerador,comounafuerzapuntualsobrelapartesuperiordelapiezadetransición,sinembargo,paraelcálculodinámicoesnecesariorealizarunmejormodeladodelaerogenerador,paradescribirladistribucióndelasmasas.
Latorresehamodelizadoconlosdatosdelatorreterrestredela“NREL5‐MWbaselinewindturbine”,quesehanempleadoenelestudio“DOWEC”,quetieneundiámetroenlabasede6m,yundiámetrosuperiorde3,87m.
Elespesordelatorredereferenciaesvariable,partiendodelos27mmenlabasehastalos19mmen lapartesuperior.Esteespesorsehadecididoaumentarun30%paraaumentarlaresistenciadelatorre,yaqueenelaerogeneradoroffshoretieneunacargamayorsobrelatorrequeenelcasodelaturbinadel“DOWEC”.Finalmenteseobtieneunespesorvariabledesdelos35mmhastalos25mm.
Latorrecuentaconunaalturatotalde87,6m,situándoseelcentrodemasasa38,23mdelabasedelatorre.
ElmaterialempleadotieneunmódulodeYoungde210GPa,unmódulodecizallade80,8GPa,yunadensidadefectivade8.500kg/m,queincluyeladensidaddelacerode7.850kg/m,máselpesode lapintura, tornillos, soldaduras,pinturasybridasde latorre.
LamodelizacióndelatorreserealizaráempleandounavigacónicaenMIDAS.
Elrotorylagóndolasesustituyeporunelementoqueenglobelamasadelosdospartesdel aerogenerador, y que permita colocar el centro de gravedad de este elemento
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coincidenteconel centrodemasasdel rotor,y lagóndola.El centrodegravedadseestablece1,5mporencimadelapartesuperiordelatorre.
7.2 Pieza propuesta
Paraestudiarlaviabilidadestructuraldeinstalarunapiezadetransicióndehormigón,sedecideplantearunapiezabásicadehormigónquepermitalaunióndelatorreconlaestructurajacket.
Laslimitacionesdeestapiezasonlasdeintentarconseguirlapiezademenorvolumenposible,dejandoholgurasdeunmetroalrededordelaunióndelapiezaconlaspatasdeljacketydosmetrosalrededordelabasedelatorre,paraevitarexcesivosesfuerzosenlazona.
Tambiénseconsideranecesariodisponerde1,5mdealturaenlapiezadetransiciónenlaunióndeloselementosparaasegurarsuficientesuperficieparalacorrectafricciónentreelhormigónyelacero.Enelcasodelauniónconlatorresenecesitan2,5mparalajauladepernosdelatorre,dejando0,5mdeseguridad.
Sehadecididoplantearunpesoespecíficodelhormigóndelapiezade25KN/m³,quees un valor normalmente empleado en piezas de hormigón armado en estructurasoffshore.
Conestoscondicionantes,seplanteandosalternativassimilaresdepiezadetransiciónquesehanmodeladoenAutoCADyserepresentanenlaFigura53.
Figura53‐Alternativasdepiezadetransición
Enesteestudiosehadecididoelegir laalternativa1,yaqueescapazdecumplir lascondicionesinicialesconmayoreficiencia,esdecir,conunmenorvolumen.
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Figura54–Vistasdelapiezadetransiciónescogida,cotasenm
Figura55–ModeladodelapiezadetransiciónMIDAS
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Además,sepuedeapreciarqueelcambiovariabledecantorealizaunaunióncon lapartedemayoralturaenunplanodemayoráreaenlaalternativa1queenelcasodelaalternativa2,reduciendolaposibilidaddegrandesesfuerzospuntuales.
Porúltimo,sugeometríamássencillapodríafacilitarsuconstrucción.
ElmodeloenMIDAShasidorealizadoconelementostipoPLATE,Figura55.
7.3 Cálculo de esfuerzos axiales
En el cálculo de los esfuerzos axiales se va a estudiar el impacto que supone lainstalacióndeunapiezadetransicióndegranpeso,sobrelaestructurajacket.Sevaaanalizarelpeorcasodecargaposible,paraanalizarsilaestructuraescapazderesistirlosnuevosesfuerzosaxiales.Enestecaso,lascargasdeloleajeylascargasdevientoestán alineadas y direccionadas de modo que actúan en el jacket haciendo que laestructuratiendaavolcarsobreunapataquesoportagrandesesfuerzosacompresión,representación,Figura56.Esteeselpeorcasoparaelanálisis,yaquelamayordemandaaxil va a ser a compresión, y el peso de la pieza de transición incrementará lacompresiónsobrelaspatas.
Figura56‐Casodecargaextremo
Cargasdeviento
Cargasdeoleaje
Momentoviento
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Comoyasehamencionadoanteriormenteenestecaso,paraelestudiodelosesfuerzosaxilessehadecididoquelaturbinasesustituyaporunafuerzapuntual.
Sevaa analizareneste casoextremo la variaciónde los esfuerzos en funciónde lavariación de la masa de la pieza de transición. Se considera la masa de la piezapropuestadereferencia,850toneladas,yseanalizaelcasodeunapiezadesdeel50%delamasadereferenciahastael150%.Parasimularestecambiodepesos,seprocederáarealizaruncambiode“densidadequivalente”delapiezaparavariarlamasa.Tambiénseverálosesfuerzosalosqueestaríansometidaslaspatasdeljacketenelcasodequenosecolocaráestapieza.
Figura57‐Máximoesfuerzoaxilenlaspatasdeljacketsegúnmasa
ComosepuedeapreciarenlaFigura57,seproduceunaumentodelosesfuerzosaxilesdesdeun6,7%aun20,4%,respectoalastensionessinpiezadetransición.Encualquiercaso,sepuedeapreciarqueinclusoparaelcasodeunapiezadetransiciónconun150%delamasadelapropuestalastensionessemantienenmuylejosdellímiteelásticodelacero estructural, que se supone de 235N/mm². En el peor de los casos, lamayortensiónesun68,08%del límiteelástico, suponiendoun factordeseguridadparaelcomportamientoelásticode1,47.
0.5
0.55
0.6
0.65
0.7
0.75
50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150
σ/σ
e
% de la masa de la pieza propuesta
Max esfuerzo axil Max esfuerzo axil sin pieza transición
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7.4 Comprobación dinámica
Otroanálisisquesevaarealizarsobrelaestructurajacketenrelaciónconelimpactodelapiezadetransicióneslacomprobacióndelcorrectofuncionamientodinámicodelaestructura.
Sevaacomprobarquelafrecuencianaturaldelaestructuranoentraenresonanciaconlascargasdeloleaje,niconlarotacióndelaspalasdelaerogenerador,loqueprovocaríaunaamplificacióndelascargas.Sevaaestudiarelcambioenlafrecuencianaturaldelaestructuradebidoalamasadelapiezadetransiciónintroducidaenelsistema.
Lafrecuencianaturalofrecuenciapropiadeunaestructuraeslafrecuenciaasociadaalmovimientoarmónicodelaestructuraaldesplazarlamismarespectosuposicióndeequilibrioestáticoencadaunodesusgradosdelibertad.Acadagradodelibertad,lecorrespondeunmodonaturaldevibración.
Figura58‐Modosnaturalesdevibración
Enesteestudio,seestudiaráelimpactodelmodo1yelmodo2,quesonlosmodosmásdominantesenlasestructuraseólicas.
ParaellosevaautilizarunmodeloenMIDAS,delqueseobtienendirectamenteestosmodos.Elcoeficientedeamortiguamientodelapiezadetransiciónsetomacomoun5%parahormigónarmado,un1%paralatorremetálica,yun2%paralagóndolaylaspalas.
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Comoenelcasodelosesfuerzosaxiles,seestudiaelefectodevariarlamasadelapiezapropuestadeun50%aun150%.Tambiénseestudiaelcasoenelqueelpesodelapiezaesdespreciableyenelquelatorreestedirectamenteempotrada,paracomprobarlavalidezdeloscálculosobtenidos.
Lafrecuencianaturalobtenidaparalaturbinaesde0,328Hzenelmodo1,y2,874Hzparaelmodo2,queequivalenaperiodosde3,048sy0,348s,respectivamente.
Figura59‐Obtencióndelafrecuencianaturaldelaturbina
De manera análoga al cálculo de los esfuerzos axiles, se va a incluir una figura acontinuación que analiza la variación de la frecuencia natural de la estructura enfuncióndelavariacióndelamasadelapiezadelaestructurajacket.
Figura60‐Frecuencianaturaldelaturbinasegúnmasa
0.0000
0.5000
1.0000
1.5000
2.0000
2.5000
50 70 90 110 130 150
Frecuen
cia natural (Hz)
% de la masa de la pieza propuesta
Modo 1 jacket Modo 2 jacket
Modo 1 sin pieza de transición Modo 2 sin pieza de transición
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Comosepuedeapreciarenlafigura, lafrecuencianaturaldelaestructurasereducecuandoseaumentalamasa.Estoimplicaquelaestructuratieneuncomportamientomásrígido.Lafrecuencianaturaldelaestructuraoscilade0,278Hza0,277Hzenelmodonaturaldevibración1,yde1,745Hza1,287Hzparaelmodo2.
Unavezobtenidaslasfrecuenciasnaturalesdelaestructura,seprocedeacomprobarsila inclusiónde lapiezade transiciónpuedeprovocarque la estructura se someta aresonanciaconlascargasdeloleajeolaturbina.
Lasfrecuenciasdeloleajemáspeligrosasyquepuedensuponerunproblemasientranenresonanciasonlasolasdediseño.Enesteestudio,sehadecididoserconservadoreincluirlosperiodosdelasolasderetornodesde1a50años.Losperiodospicoparaesosoleajesvandesdelos10,8shastalos18s,segúnlainformaciónmeteoceánicadequesedispone.Estosperiodosestánasociadosconunrangodefrecuenciasdesdelos0,093Hza los0,056Hz,queenningún caso se asemejaa los valoresde frecuenciaobtenidosparalaestructura,luegonoseproduciráresonanciaconlosgrandesoleajesdelalocalizacióndelestudio.
Elotroaspectoaanalizareslaposibleresonanciaconelgirodelrotor.Seconoceporestudiosanterioresrealizadosenlaturbina,quelasvelocidadesalasquegiralaturbinaoscilan entre 6,9 rpm, velocidad nominal mínima, y 12,1 rpm, velocidad nominalmáxima.
Para analizar una posible resonancia con la turbina es importante analizar tresfrecuenciasdistintasqueson1P,3Py6P.Sielperiodonaturaldenuestraestructuraseacercademasiadoacualquieradeestasfrecuencias,laintegridaddeloscomponentesdelaturbinapuedeverseafectada.
Figura61‐Frecuenciasrelevantesdelaturbina
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Lafrecuencia1P,defineelnúmerodevecesqueunapaladaunavueltacompletaporsegundo.Lafrecuencia3Peslainversadeltiempoquetardaunapalaenrotarhastalaposiciónanteriordelapalasiguiente.Lafrecuencia6Peslamitadde3P.
Acontinuación,amododeresumenseexponenlosrangosquepuedenalcanzarestasfrecuenciasconocidalavelocidadangularquedesarrollanlaspalas.
Figura62‐Frecuencias1P,2Py3P
Paraestecaso,losvaloresdefrecuenciaenlazonaoperativasonpara1Pde0,115Hza0,202Hz,para3Pde0,346Hza0,606Hzypara6Pde0,692a1,212Hz.Igualqueenelcasodel oleaje, las frecuenciasnaturalesdevibraciónde la estructura tantoparaelmodo1comoparaelmodo2,seencuentranfueradeesosrangos.
Sinembargo,cabedestacarqueelmodonaturaldevibración2,síqueseacercaalvalorderesonanciadelafrecuencia6Palaumentarlamasadelapiezadetransición.
7.5 Efecto sobre las cimentaciones
Sequierecomprobarfinalmentequevariacionespuedeproducirlaincorporacióndelapiezadetransiciónenlasdimensionesdelospilotes,paraelcasoespecíficodesueloestudiado.Enestecasosevolveráaprocederarealizarunestudiodelavariacióndelamasadelapiezadesdeel50%hastael150%.
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
0 2 4 6 8 10 12
Frecuen
cia (Hz)
Velocidad del rotor (rpm)
1P 3P 6P Zona operativa
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Se volverá a realizar un cálculo básico de los pilotes necesarios para la estructurausandolamismametodologíaqueenelcapítulo“6.Diseñobásicodelospilotes”.Enestecasosecalcularácomovaríanlasdimensionesdelpilote,manteniendoconstanteelfactordeseguridadiguala1paraelcasodecargayfallomásrestrictivoy2,5mdediámetrodelospilotes.
Secompruebaquedenuevoelcasodecargamásdesfavorableesel(b)yelmododefalloesdebidoalarranquedelpilote.
Figura63‐Longituddelpilotesegúnmasadelapiezadetransición
Comosepuedeapreciarenlafigura,enestecasoenelqueelmododefallodelospiloteses de arranque, la longitudnecesaria de los pilotes se reducehasta enun15%. Sinembargo,enelcasodequeelmododefallofueraporhundimiento,lasdimensionesdelpilotepasaríandeserde62mdelongituda70menelcasodelapiezadetransiciónmáspesada,un11,4%devariación.Porlotanto,esimportantedefinirbienlasfuerzasqueafectanalascimentaciones,parasabersielpesodelapiezadetransiciónperjudicaobeneficiaelcomportamientodeloscimientosdelaestructuraencadacaso.
7.6 Conclusiones
Despuésdeanalizarelefectodeinstalarunapiezadetransicióndehormigónsobreunaestructura jacket,seconcluye,quepara lascondicionesmetaoceánicasygeotécnicas
76
78
80
82
84
86
88
90
92
50 70 90 110 130 150
Longitud del pilo
te (m)
% de la masa de la pieza propuesta
Longitud del pilote Longitud del pilote sin pieza
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dadas, la estructura jacket de diseño puede resistir las cargas de oleaje demaneraelástica,ynoentraráenresonancianiconeloleajeniconelrotordelaturbina.
Encuantoalefectosobrelascimentaciones,cabedestacarqueelpesodelapiezadetransiciónaumentaráoreducirá lasdimensionesde lacimentacióndependiendodelmododefallo,yaqueelpesodelaestructuraesunacargafavorableenelarranqueydesfavorableenelhundimiento.
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Anexo 3 – Hoja de Excel
3.1 ‐ Cálculo de inercias
Jacket 4 patas Jacket 3 patas
Elementos principales ‐ ‐
Diametro 1.1 1.3
Espesor 0.04 0.04
Distancia al centro de masas 0.53 0.63
Volumen (dz=1) 0.1332 0.1583
Inercia sobre el eje 0.0298 0.0446
Nº elementos 4 3
Separacion en base 12 12
Separacion superior 23 25
Elementos secundarios ‐ ‐
Diametro 0.5 0.7
Espesor 0.03 0.03
Distancia al centro demasas 0.235 0.335
Volumen (dz=1) 0.0443 0.0631
Inercia sobre el eje 0.0049 0.0088
Inercia elementos principales 19229 16714
Inercia elementos diagonales 16685 17243
Inercia elementos horizontales 7453 8017
Inercia total 43367 41974
CÁLCULO AUTOCAD
Nombre Elementos Dext (mm) Espesor (mm) Dint (m)
Jacket 4 patas Principales 1100 40 1020
Secundarios 500 30 440
Jacket 3 patas Principales 1300 40 1220
Secundarios 700 30 640
TFGDanielBoladoFernández
‐97‐
DefinicióndelNombre Principales DiagonalesB‐p‐(p) p 0C‐p‐2p p 2pD‐p p 0
E‐p‐(p) p 0F‐p‐2p p 2pG‐p‐2p p 2p
Longituddelelemento
Direccion elemento Jacket4patas Jacket3patas
TIPO1
Dir eje x 12.11956522 12.14130435Direjey 12.11956522 12.14130435Oblicuo 12.11956522 12.14130435
TIPO2
Direjex 15.22826087 15.81521739Direjey 15.22826087 15.81521739Oblicuo 15.22826087 15.81521739
Longitud elemento
Elemento Jacket4 patas Jacket3patas1 0.951766304 0.9884510872 0.951766304 0.9884510873 0.951766304 0.9884510874 0.951766304 0.9884510875 0.951766304 0.9884510876 0.951766304 0.9884510877 0.951766304 0.9884510878 0.951766304 0.988451087
Longitudelemento
Elemento TIPO1 TIPO21 0.758831522 0.9884510872 0.758831522 0.9884510873 0.758831522 0.9884510874 0.758831522 0.9884510875 0.758831522 0.9884510876 0.758831522 0.9884510877 0.758831522 0.9884510878 0.758831522 0.9884510879 0.758831522 0.98845108710 0.758831522 0.98845108711 0.758831522 0.98845108712 0.758831522 0.98845108713 0.758831522 0.98845108714 0.758831522 0.98845108715 0.758831522 0.98845108716 0.758831522 0.988451087
Spatas Inercia (m^5)
23 43363
25 42204
Longitud elemento
Elemento Jacket 4 patas Jacket 3 patas
1 0.757472826 0.758831522
2 0.757472826 0.758831522
3 0.757472826 0.758831522
4 0.757472826 0.758831522
5 0.757472826 0.758831522
6 0.757472826 0.758831522
7 0.757472826 0.758831522
8 0.757472826 0.758831522
TFGDanielBoladoFernández
‐98‐
as secciones
Horizontales Numero secciones L/z
p 1 0.00
0 8 1.93
0 4 0.00
p 1 0.00
0 15 1.57
0 17 1.66
Elementos horizontales
Volumen por unidad longitud Altura del elemento Numero de elementos
Jacket 4 patas Jacket 3 patas Jacket 4 patas Jacket 3 patas Jacket 4 patas Jacket 3 patas
0.0443 0.0631 45.5 45.5 2 1
0.0443 0.0631 45.5 45.5 2 0
0.0443 0.0631 45.5 45.5 0 2
0.0443 0.0631 32.5 32.5 2 1
0.0443 0.0631 32.5 32.5 2 0
0.0443 0.0631 32.5 32.5 0 2
Cálculo del momento de inercia elemento horizontal dir eje x TIPO 1
Distancia c. gravedad Distancia al eje Inercia por elemento
Jacket 4 patas Jacket 3 patas Jacket 4 patas Jacket 3 patas Jacket 4 patas Jacket 3 patas
0.378736413 0.379415761 45.50157625 45.50158191 69.47238328 99.21413132
1.136209239 1.138247283 45.51418429 45.51423521 69.51088677 99.26931517
1.893682065 1.897078804 45.53938989 45.53953127 69.58789376 99.37968288
2.651154891 2.655910326 45.57717216 45.57744903 69.70340425 99.54523444
3.408627717 3.414741848 45.62749985 45.62795702 69.85741823 99.76596984
4.166100543 4.17357337 45.69033151 45.6910135 70.0499357 100.0418891
4.92357337 4.932404891 45.76561564 45.7665666 70.28095667 100.3729922
5.681046196 5.691236413 45.85329089 45.85455454 70.55048114 100.7592792
Cálculo del momento de inercia elemento horizontal dir eje x TIPO 2
Distancia c. gravedad Distancia al eje Inercia por elemento
Jacket 4 patas Jacket 3 patas Jacket 4 patas Jacket 3 patas Jacket 4 patas Jacket 3 patas
0.475883152 0.494225543 32.50348389 32.50375761 44.54559275 65.95163601
1.427649457 1.48267663 32.53134155 32.53380288 44.62197457 66.07360277
2.379415761 2.471127717 32.58698543 32.59381034 44.77473819 66.31753628
3.331182065 3.459578804 32.67027355 32.68361494 45.00388363 66.68343655
4.28294837 4.448029891 32.78099521 32.80297197 45.30941087 67.17130358
5.234714674 5.436480978 32.91887358 32.95156029 45.69131993 67.78113736
6.186480978 6.424932065 33.08356914 33.12898658 46.14961081 68.5129379
7.138247283 7.413383152 33.27468368 33.33479038 46.68428349 69.3667052
Cálculo del momento de inercia elemento horizontal oblicuo Jacket 3 patas
Distancia c. gravedad Distancia al eje Inercia por elemento
TIPO 1 TIPO 2 TIPO 1 TIPO 2 TIPO 1 TIPO 2
0.379415761 0.494225543 45.50039548 32.50093944 99.20765349 65.93850259
1.138247283 1.48267663 45.50355922 32.50845402 99.22144945 65.96899428
1.897078804 2.471127717 45.50988604 32.52347795 99.24904138 66.02997766
2.655910326 3.459578804 45.51937461 32.54600085 99.29042927 66.12145273
3.414741848 4.448029891 45.53202297 32.57600716 99.34561312 66.24341948
4.17357337 5.436480978 45.54782847 32.61347622 99.41459294 66.39587793
4.932404891 6.424932065 45.56678784 32.65838235 99.49736871 66.57882807
5.691236413 7.413383152 45.58889715 32.71069492 99.59394046 66.79226989
6.450067935 8.401834239 45.6141518 32.77037846 99.70430816 67.0362034
7.208899457 9.390285326 45.64254657 32.83739278 99.82847183 67.31062861
7.967730978 10.37873641 45.67407563 32.9116931 99.96643146 67.6155455
8.7265625 11.3671875 45.70873246 32.99323018 100.1181871 67.95095408
9.485394022 12.35563859 45.74650998 33.08195054 100.2837386 68.31685435
10.24422554 13.34408967 45.78740044 33.17779653 100.4630861 68.71324631
11.00305707 14.33254076 45.83139553 33.28070659 100.6562296 69.14012996
11.76188859 15.32099185 45.87848631 33.39061542 100.8631691 69.5975053
Inercia en el eje Inerciaelementohorizontal
Jacket 4 patas Jacket 3 patas Jacket 4 patas Jacket 3 patas
TFGDanielBoladoFernández
‐99‐
zm Seccion e. principal
0.5 G ‐ p‐2p 4
1.5 G ‐ p‐2p 4
2.5 G ‐ p‐2p 4
3.5 G ‐ p‐2p 4
4.5 G ‐ p‐2p 4
5.5 G ‐ p‐2p 4
6.5 G ‐ p‐2p 4
7.5 G ‐ p‐2p 4
8.5 G ‐ p‐2p 4
9.5 G ‐ p‐2p 4
10.5 G ‐ p‐2p 4
11.5 G ‐ p‐2p 4
12.5 G ‐ p‐2p 4
13.5 G ‐ p‐2p 4
14.5 G ‐ p‐2p 4
15.5 G ‐ p‐2p 4
16.5 G ‐ p‐2p 4
17.5 F ‐ p‐2p 4
18.5 F ‐ p‐2p 4
19.5 F ‐ p‐2p 4
20.5 F ‐ p‐2p 4
21.5 F ‐ p‐2p 4
22.5 F ‐ p‐2p 4
23.5 F ‐ p‐2p 4
24.5 F ‐ p‐2p 4
25.5 F ‐ p‐2p 4
26.5 F ‐ p‐2p 4
27.5 F ‐ p‐2p 4
28.5 F ‐ p‐2p 4
29.5 F ‐ p‐2p 4
30.5 F ‐ p‐2p 4
31.5 F ‐ p‐2p 4
32.5 E ‐ p‐(p) 4
33.5 D ‐ p 4
34.5 D ‐ p 4
35.5 D ‐ p 4
36.5 D ‐ p 4
37.5 C ‐ p‐2p 4
38.5 C ‐ p‐2p 4
39.5 C ‐ p‐2p 4
40.5 C ‐ p‐2p 4
41.5 C ‐ p‐2p 4
42.5 C ‐ p‐2p 4
43.5 C ‐ p‐2p 4
44.5 C ‐ p‐2p 4
45.5 B ‐ p‐(p) 4
0.0049 0.0088 1118.02672 1596.696988
0.002446272 0.007086561 1131.165001 0
0.002446272 0.007086561 0 1596.703711
0.0049 0.0088 725.5616285 1075.716591
0.002446272 0.007086561 751.6466213 0
0.002446272 0.007086561 0 1075.75039
TFGDanielBoladoFernández
‐100‐
Jacket 4 patas
separacion distancia I. principal e. diagonal dx. diagonal d. diagonal I. diagonal e. principal separacion distancia
22.88043478 11.45113854 69.98638988 8 11.44021739 11.4511385 77.4214176 3 24.85869565 12.4394006
22.64130435 11.41959569 69.60201335 8 10.12975543 10.2402 69.4609645 3 24.57608696 12.37925735
22.40217391 11.4766872 70.29849909 8 8.819293478 9.1668 63.7018777 3 24.29347826 12.40134152
22.16304348 11.62110683 72.07584712 8 7.508831522 8.2845 60.1441571 3 24.01086957 12.50521748
21.92391304 11.84966205 74.93405743 8 6.198369565 7.6596 58.7878029 3 23.72826087 12.68887666
21.68478261 12.1576087 78.87313001 8 4.887907609 7.3581 59.632815 3 23.44565217 12.94892472
21.44565217 12.53909882 83.89306488 8 3.577445652 7.4194 62.6791933 3 23.16304348 13.28087519
21.20652174 12.98765341 89.99386203 8 2.266983696 7.8351 67.926938 3 22.88043478 13.67949465
20.9673913 13.49658751 97.17552145 8 0.956521739 8.5537 75.376049 3 22.59782609 14.13914552
20.72826087 14.05934563 105.4380432 8 0.353940217 9.50659107 85.0265262 3 22.31521739 14.65408584
20.48913043 14.66973471 114.7814271 8 1.664402174 10.6310975 96.8783698 3 22.0326087 15.21870433
20.25 15.32206334 125.2056734 8 2.97486413 11.8785444 110.93158 3 21.75 15.8276854
20.01086957 16.01120624 136.710782 8 4.285326087 13.2141598 127.186156 3 21.4673913 16.47611066
19.77173913 16.73261537 149.2967528 8 5.595788043 14.6137895 145.642098 3 21.18478261 17.15950913
19.5326087 17.48229678 162.9635859 8 6.90625 16.0607 166.299407 3 20.90217391 17.87386971
19.29347826 18.25676795 177.7112813 8 8.216711957 17.5432 189.158082 3 20.61956522 18.61562831
19.05434783 19.05300613 193.5398389 8 9.527173913 19.0530 214.218123 3 20.33695652 19.38163951
18.81521739 19.86839453 210.4492589 8 9.407608696 19.8684 219.2215 3 20.05434783 20.16914021
18.57608696 20.70067032 228.4395411 8 8.183229814 20.2291 232.6088 3 19.77173913 20.97571017
18.33695652 21.54787678 247.5106856 8 6.958850932 20.7045 247.9468 3 19.48913043 21.79923281
18.09782609 22.40832049 267.6626924 8 5.73447205 21.2869 265.2352 3 19.20652174 22.6378581
17.85869565 23.28053377 288.8955615 8 4.510093168 21.9680 284.4743 3 18.92391304 23.48996852
17.61956522 24.16324212 311.2092928 8 3.285714286 22.7386 305.6639 3 18.64130435 24.35414866
17.38043478 25.05533632 334.6038865 8 2.061335404 23.5902 328.8042 3 18.35869565 25.22915826
17.14130435 25.95584864 359.0793424 8 0.836956522 24.5143 353.8950 3 18.07608696 26.11390874
16.90217391 26.86393253 384.6356606 8 0.38742236 25.5029 380.9363 3 17.79347826 27.00744281
16.66304348 27.77884545 411.272841 8 1.611801242 26.5490 409.9283 3 17.51086957 27.90891682
16.42391304 28.69993432 438.9908838 8 2.836180124 27.6459 440.8708 3 17.22826087 28.81758566
16.18478261 29.62662311 467.7897888 8 4.060559006 28.7878 473.7639 3 16.94565217 29.73278968
15.94565217 30.55840238 497.6695561 8 5.284937888 29.9697 508.6076 3 16.66304348 30.65394354
15.70652174 31.49482031 528.6301857 8 6.50931677 31.1869 545.4018 3 16.38043478 31.58052661
15.4673913 32.43547515 560.6716776 8 7.733695652 32.4355 584.1467 3 16.09782609 32.5120747
15.22826087 33.38000872 593.7940317 0 0 0.0000 0.0000 3 15.81521739 33.44817297
14.98913043 34.32810085 627.9972481 0 0 0.0000 0.0000 3 15.5326087 34.38844985
14.75 35.27946464 663.2813268 0 0 0.0000 0.0000 3 15.25 35.33257173
14.51086957 36.23384238 699.6462678 0 0 0.0000 0.0000 3 14.9673913 36.28023843
14.27173913 37.19100206 737.0920711 0 0 0.0000 0.0000 3 14.68478261 37.23117927
14.0326087 38.15073429 775.6187366 8 7.016304348 38.1507 992.9528 3 14.40217391 38.18514964
13.79347826 39.11284969 815.2262645 8 5.13121118 38.8404 1036.4195 3 14.11956522 39.14192804
13.55434783 40.07717663 855.9146546 8 3.246118012 39.6332 1083.6843 3 13.83695652 40.10131346
13.31521739 41.04355922 897.683907 8 1.361024845 40.5229 1134.7474 3 13.55434783 41.06312319
13.07608696 42.01185562 940.5340216 8 0.524068323 41.5033 1189.6087 3 13.27173913 42.02719078
12.83695652 42.98193648 984.4649986 8 2.409161491 42.5682 1248.2682 3 12.98913043 42.99336434
12.59782609 43.95368364 1029.476838 8 4.294254658 43.7114 1310.7259 3 12.70652174 43.96150502
12.35869565 44.92698899 1075.569539 8 6.179347826 44.9270 1376.9818 3 12.42391304 44.93148566
12.11956522 45.9017534 1122.743103 0 0 0.0000 0.0000 3 12.14130435 45.90318963
TFGDanielBoladoFernández
‐101‐
Jacket 3 patas
I. principal e. diagonal dx. diagonal1 d. diagonal1 dx. diagonal2 d. diagonal2 dx. diagonal3 d. diagonal3 I. diagonal
49.17492672 6 12.42934783 12.4394006 0 0.5 12.42934783 12.4394006 65.2047481
49.01891012 6 11.0169837 11.11862985 0.635529891 1.629078955 11.65251359 11.7486626 55.6560101
49.82555709 6 9.604619565 9.924651983 1.271059783 2.80456645 10.87567935 11.15931903 48.6310417
51.59486763 6 8.192255435 8.908594115 1.906589674 3.985609638 10.09884511 10.68815571 44.129843
54.32684174 6 6.779891304 8.137378331 2.542119565 5.168401289 9.32201087 10.35132294 42.1524139
58.02147941 6 5.367527174 7.685073062 3.177649457 6.351964741 8.54517663 10.16218695 42.6987544
62.67878065 6 3.955163043 7.608765649 3.813179348 7.535936354 7.768342391 10.12902481 45.7688645
68.29874546 6 2.542798913 7.919332441 4.448709239 8.720149878 6.991508152 10.25335 51.3627443
74.88137384 6 1.130434783 8.574840103 5.08423913 9.904518541 6.214673913 10.52958555 59.4803937
82.42666579 6 ‐0.281929348 9.504182456 5.719769022 11.08899264 5.437839674 10.94623681 70.1218127
90.9346213 6 ‐1.694293478 10.63581828 6.355298913 12.27354164 4.661005435 11.48803602 83.2870014
100.4052404 6 ‐3.106657609 11.91223411 6.990828804 13.45814576 3.884171196 12.13823652 98.9759597
110.838523 6 ‐4.519021739 13.29178534 7.626358696 14.64279164 3.107336957 12.88043256 117.188688
122.2344693 6 ‐5.93138587 14.74555317 8.261888587 15.82746989 2.330502717 13.69968039 137.925185
134.593079 6 ‐7.34375 16.25363541 8.897418478 17.01217375 1.553668478 14.58299989 161.185452
147.9143524 6 ‐8.75611413 17.80223398 9.53294837 18.19689821 0.776834239 15.51945461 186.969489
162.1982893 6 ‐10.16847826 19.38163951 10.16847826 19.38163951 0 16.5 215.277296
177.4448898 6 10.02717391 20.16914021 0 17.5 10.02717391 20.16914021 221.65121
193.6541539 6 8.736024845 20.45893766 0.57492236 18.50893124 9.310947205 20.71095695 235.551485
210.8260815 6 7.444875776 20.87285738 1.14984472 19.53387168 8.594720497 21.31007321 251.632381
228.9606727 6 6.153726708 21.4036995 1.724767081 20.57242867 7.878493789 21.96180012 269.893896
248.0579275 6 4.86257764 22.04301843 2.299689441 21.62264025 7.162267081 22.66159901 290.336032
268.1178458 6 3.571428571 22.78168348 2.874611801 22.68288767 6.446040373 23.40515833 312.958788
289.1404277 6 2.280279503 23.61037218 3.449534161 23.751827 5.729813665 24.18844279 337.762164
311.1256732 6 0.989130435 24.51995879 4.024456522 24.82833563 5.013586957 25.00771989 364.74616
334.0735822 6 ‐0.302018634 25.50178847 4.599378882 25.91147016 4.297360248 25.85956893 393.910777
357.9841548 6 ‐1.593167702 26.54784706 5.174301242 27.00043321 3.58113354 26.74087727 425.256013
382.857391 6 ‐2.88431677 27.65084598 5.749223602 28.09454702 2.864906832 27.64882803 458.78187
408.6932907 6 ‐4.175465839 28.80424474 6.324145963 29.19323247 2.148680124 28.58088218 494.488346
435.491854 6 ‐5.466614907 30.00223123 6.899068323 30.29599221 1.432453416 29.53475788 532.375443
463.2530809 6 ‐6.757763975 31.23967628 7.473990683 31.40239699 0.716226708 30.50840836 572.44316
491.9769714 6 ‐8.048913043 32.5120747 8.048913043 32.5120747 0 31.5 614.691498
521.6635254 0 0 32.5 0 32.5 0 32.5 0
552.312743 0 0 33.5 0 33.5 0 33.5 0
583.9246241 0 0 34.5 0 34.5 0 34.5 0
616.4991688 0 0 35.5 0 35.5 0 35.5 0
650.0363771 0 0 36.5 0 36.5 0 36.5 0
684.536249 6 7.201086957 38.18514964 0 37.5 7.201086957 38.18514964 1050.94455
719.9987844 6 5.284937888 38.86104178 0.88742236 38.51022615 6.172360248 38.99164053 1097.40445
756.4239834 6 3.36878882 39.64339463 1.77484472 39.53985425 5.14363354 39.83349051 1148.00573
793.8118459 6 1.452639752 40.52604301 2.662267081 40.58740773 4.114906832 40.70850597 1202.74839
832.1623721 6 ‐0.463509317 41.50258836 3.549689441 41.65153413 3.086180124 41.61459489 1261.63243
871.4755618 6 ‐2.379658385 42.56656874 4.437111801 42.73099532 2.057453416 42.5497722 1324.65785
911.751415 6 ‐4.295807453 43.71159985 5.324534161 43.82465817 1.028726708 43.51216242 1391.82464
952.9899319 6 ‐6.211956522 44.93148566 6.211956522 44.93148566 0 44.5 1463.13281
995.1911123 0 0 45.5 0 45.5 0 45.5 0
TFGDanielBoladoFernández
‐102‐
3.2 – Cálculo de volumen y empuje
Cota de cálculo de empuje 7.4
g (m/s²) 9.806
Volumen elementos principales
Dext 1.3
Dint 1.22
t 0.04
Area real 0.158
Area flot 1.327
Densidad Material (kg/m³) 7850
Densidad Agua (kg/m³) 1000
Peso del material (kgf/m) 1242.9
Empuje del agua (kgf/m) 1327.3
Densidad Sumergido (kg/m³) ‐532.937
Densidad Sumergido (kN/m³) ‐5.226
w sumergido (MIDAS) (kN/m) 13.016
Volumenelementossecundarios
Dext 0.7
Dint 0.64
t 0.03
Area real 0.063
Area flot 0.385
Densidad Material (kg/m³) 7850
Densidad Agua (kg/m³) 1000
Peso del material (kgf/m) 495.7
Empuje del agua (kgf/m) 384.8
Densidad Sumergido (kg/m³) 1755.473
Densidad Sumergido (kg/m³) 17.214
w sumergido (MIDAS) (kN/m) 3.774
Elementos principales
Numero de elementos 3
Cota superior (m) 11
Cota inferior (m) ‐35
Inclinacion (L/z) 1.013217391
Volumen sumergido (m³) 20.41
Volumen emergido (m³) 1.71
Peso + Empuje (KN) ‐24.99
Elementos secundarios
Elementos diagonal
Numelementos tipo 1 6
Cota superior (m) 11
Cota inferior (m) 3
Inclinacion(L/z) 1.93
Volumensumergido (m³) 3.21
Volumen emergido (m³) 2.63
Peso + Empuje (KN) ‐257.35
Numelementos tipo 2 6
Cota superior (m) ‐3
Cota inferior (m) ‐18
Inclinacion(L/z) 1.57
Volumensumergido (m³) 8.90
Volumenemergido (m³) 0.00
Peso + Empuje (KN) ‐153.27
Numelementos tipo 3 6
Cota superior (m) ‐18
Cota inferior (m) ‐35
Inclinacion(L/z) 1.66
Volumensumergido (m³) 10.72
Volumenemergido (m³) 0.00
Peso + Empuje (KN) ‐184.57
Elementos horizontales
Numelementos tipo 1 3
Cota (m) 11
Longitud (m) 12
Volumensumergido (m³) 0
Volumenemergido (m³) 2.273256444
Peso + Empuje (KN) ‐174.99
Numelementos tipo 2 3
Cota (m) ‐3
Longitud (m) 16
Volumen sumergido (m³) 3.031008592
Volumenemergido (m³) 0
Peso + Empuje (KN) ‐52.18
TFGDanielBoladoFernández
‐103‐
VOLUMEN TOTAL (m³) 58.65
PESO TOTAL (KN) ‐4515.016527
EMPUJE TOTAL (KN) 3945.33
PESO + EMPUJE (KN) ‐569.69
Volumen pilotes
Dext 2.5
Dint 2.4
t 0.05
Area real 0.385
Area flot 4.909
Densidad Material (kg/m³) 7850
Densidad Agua (kg/m³) 1000
Peso del material (kgf/m) 3021.0
Empuje del agua (kgf/m) 4908.7
Densidad Sumergido (kg/m³) ‐4905.102
Densidad Sumergido (kN/m³) ‐48.099
w sumergido (MIDAS) (kN/m) 48.135
Pilotado
Numero de elementos 3
Cota superior (m) ‐35
Cota inferior (m) ‐40
Inclinacion (L/z) 1
Volumen sumergido (m³) 5.77
Volumen emergido (m³) 0.00
Peso + Empuje (KN) 277.66
TFGDanielBoladoFernández
‐104‐
3.3 Cálculo de cargas de oleaje
Variable Valor Comentario
U0 (m/s) 2.05 Velocidad de la corriente en superficie
Tp1 (s) 13.4 Límite inferior del periodo de pico
Tp2 (s) 18 Límite superior del periodo de pico
H0 (m) 14.8 Altura de ola de diseño
d (m) 40 Profundidad
Kc 0.99 Factor cinemático del oleaje
α 1/7 Perfil de la corriente
g (m/s2) 9.81 Aceleración de la gravedad en la tierra
ρ (kg/m3) 1026 Densidad del agua
t (m) 0.1 Crecimiento marino duro
TFGDanielBoladoFernández
‐105‐
Tp1
d/gT^2 0.0227
U0/gT 0.0156
Tapp/T 1.12
Variable Valor
Tap1 (s) 15.01
Tap2 (s) 19.80
L1 (m) 261.7
L2 (m) 365.4
alpha 1 alpha 3 w1
0.666 ‐0.105 0.715
alpha 2 alpha 4 w2
0.445 0.272 0.411
TFGDanielBoladoFernández
‐106‐
Tp2
0.0126
0.0116
1.1
Comentario
Límite inferior del periodo aparente de pico
Límite superior del periodo aparente de pico
Longitud de onda para Tap1
Longitud de onda para Tap2
f1(w) L1
1.736 261.7
f2(w) L2
1.349 365.4
TFGDanielBoladoFernández
‐107‐
H (m) 14.8 L1 (m) 261.7 T1 (s) 15.01
H/2 (m) 7.4 L2 (m) 365.4 T2 (s) 19.80
d (m) 40
Fase 0 1 2 3 4 5 6 7 8 0 1 2 3 4 5 6 7 8
Fase 0.0000 0.3927 0.7854 1.1781 1.5708 1.9635 2.3562 2.7489 3.1416 0.0000 0.3927 0.7854 1.1781 1.5708 1.9635 2.3562 2.7489 3.1416 Fase
η (m) 7.4000 6.8367 5.2326 2.8319 0.0000 ‐2.8319 ‐5.2326 ‐6.8367 ‐7.4000 7.4000 6.8367 5.2326 2.8319 0.0000 ‐2.8319 ‐5.2326 ‐6.8367 ‐7.4000 Fase
zm (m) z' (m) z' (m) z' (m) z' (m) z' (m) z' (m) z' (m) z' (m) z' (m) U (m/s) U (m/s) U (m/s) U (m/s) U (m/s) U (m/s) U (m/s) U (m/s) U (m/s) η (m)
34.5 22.9 23.6 25.9 29.6 34.5 40.2 45.7 49.9 51.4 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00
33.5 22.0 22.8 25.0 28.6 33.5 39.1 44.6 48.7 50.2 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00
32.5 21.2 21.9 24.1 27.7 32.5 38.0 43.4 47.4 49.0 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00
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Corrientes
TFGDanielBoladoFernández
‐108‐
Oleaje, Velocidades (m/s)
T1 T2 T1
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2.79 2.57 1.97 1.07 0.00 ‐1.07 ‐1.97 ‐2.58 ‐2.79 3.16 2.92 2.24 1.21 0.00 ‐1.21 ‐2.24 ‐2.93 ‐3.17 0.00 0.45 0.83 1.08 1.17 1.08
2.78 2.57 1.97 1.06 0.00 ‐1.07 ‐1.97 ‐2.57 ‐2.79 3.16 2.92 2.24 1.21 0.00 ‐1.21 ‐2.24 ‐2.92 ‐3.16 0.00 0.45 0.82 1.08 1.17 1.08
2.78 2.57 1.97 1.06 0.00 ‐1.06 ‐1.97 ‐2.57 ‐2.78 3.16 2.92 2.23 1.21 0.00 ‐1.21 ‐2.24 ‐2.92 ‐3.16 0.00 0.45 0.82 1.08 1.16 1.08
2.78 2.57 1.96 1.06 0.00 ‐1.06 ‐1.96 ‐2.57 ‐2.78 3.16 2.92 2.23 1.21 0.00 ‐1.21 ‐2.23 ‐2.92 ‐3.16 0.00 0.45 0.82 1.08 1.16 1.08
TFGDanielBoladoFernández
‐109‐
Oleaje, Aceleraciones (m/s2)
T2
6 7 8 0 1 2 3 4 5 6 7 8
2.3562 2.7489 3.1416 0.0000 0.3927 0.7854 1.1781 1.5708 1.9635 2.3562 2.7489 3.1416
‐5.2326 ‐6.8367 ‐7.4000 7.4000 6.8367 5.2326 2.8319 0.0000 ‐2.8319 ‐5.2326 ‐6.8367 ‐7.4000
0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.000.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00
0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00
0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00
0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00
0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00
0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00
0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00
0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00
0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00
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0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00
0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00
0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00
0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00
0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00
0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00
0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00
0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00
0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00
0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00
0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00
0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00
0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00
0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00
0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00
0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00
0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00
0.00 0.00 0.00 0.00 0.48 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00
0.00 0.00 0.00 0.00 0.47 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00
0.00 0.00 0.00 0.00 0.47 0.88 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00
0.00 0.00 0.00 0.00 0.46 0.87 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00
0.00 0.00 0.00 0.00 0.46 0.86 1.15 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00
0.00 0.00 0.00 0.00 0.46 0.85 1.14 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00
0.00 0.00 0.00 0.00 0.45 0.85 1.13 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00
0.00 0.00 0.00 0.00 0.45 0.84 1.12 1.24 0.00 0.00 0.00 0.00
0.00 0.00 0.00 0.00 0.45 0.83 1.11 1.23 0.00 0.00 0.00 0.00
0.00 0.00 0.00 0.00 0.44 0.83 1.10 1.22 0.00 0.00 0.00 0.00
0.00 0.00 0.00 0.00 0.44 0.82 1.09 1.21 1.14 0.00 0.00 0.00
0.00 0.00 0.00 0.00 0.44 0.81 1.08 1.19 1.13 0.00 0.00 0.00
1.23 0.00 0.00 0.00 0.43 0.81 1.07 1.18 1.12 0.88 0.00 0.00
1.20 0.00 0.00 0.00 0.43 0.80 1.06 1.17 1.11 0.87 0.00 0.00
1.18 0.66 0.00 0.00 0.43 0.80 1.05 1.16 1.10 0.86 0.47 0.00
1.15 0.64 0.00 0.00 0.43 0.79 1.05 1.15 1.09 0.85 0.47 0.00
1.13 0.63 0.00 0.00 0.42 0.79 1.04 1.14 1.08 0.84 0.46 0.00
1.11 0.62 0.00 0.00 0.42 0.78 1.03 1.13 1.07 0.83 0.46 0.00
1.09 0.61 0.00 0.00 0.42 0.78 1.02 1.12 1.06 0.82 0.45 0.00
1.07 0.59 0.00 0.00 0.42 0.77 1.02 1.12 1.05 0.82 0.45 0.00
1.05 0.58 0.00 0.00 0.41 0.77 1.01 1.11 1.04 0.81 0.44 0.00
1.04 0.57 0.00 0.00 0.41 0.76 1.00 1.10 1.03 0.80 0.44 0.00
1.02 0.56 0.00 0.00 0.41 0.76 1.00 1.09 1.02 0.79 0.43 0.00
1.00 0.55 0.00 0.00 0.41 0.75 0.99 1.08 1.01 0.79 0.43 0.00
0.99 0.54 0.00 0.00 0.40 0.75 0.99 1.08 1.01 0.78 0.43 0.00
0.97 0.53 0.00 0.00 0.40 0.75 0.98 1.07 1.00 0.77 0.42 0.00
0.96 0.53 0.00 0.00 0.40 0.74 0.98 1.06 0.99 0.77 0.42 0.00
0.95 0.52 0.00 0.00 0.40 0.74 0.97 1.06 0.99 0.76 0.42 0.00
0.93 0.51 0.00 0.00 0.40 0.74 0.97 1.05 0.98 0.76 0.41 0.00
0.92 0.50 0.00 0.00 0.40 0.73 0.96 1.05 0.97 0.75 0.41 0.00
0.91 0.50 0.00 0.00 0.39 0.73 0.96 1.04 0.97 0.75 0.41 0.00
0.90 0.49 0.00 0.00 0.39 0.73 0.95 1.04 0.96 0.74 0.40 0.00
0.89 0.49 0.00 0.00 0.39 0.73 0.95 1.03 0.96 0.74 0.40 0.00
0.88 0.48 0.00 0.00 0.39 0.72 0.95 1.03 0.95 0.73 0.40 0.00
0.87 0.47 0.00 0.00 0.39 0.72 0.94 1.02 0.95 0.73 0.40 0.00
0.86 0.47 0.00 0.00 0.39 0.72 0.94 1.02 0.95 0.73 0.39 0.00
0.86 0.47 0.00 0.00 0.39 0.72 0.94 1.02 0.94 0.72 0.39 0.00
0.85 0.46 0.00 0.00 0.39 0.72 0.94 1.02 0.94 0.72 0.39 0.00
0.85 0.46 0.00 0.00 0.39 0.71 0.93 1.01 0.94 0.72 0.39 0.00
0.84 0.46 0.00 0.00 0.39 0.71 0.93 1.01 0.93 0.72 0.39 0.00
0.84 0.45 0.00 0.00 0.39 0.71 0.93 1.01 0.93 0.71 0.39 0.00
0.83 0.45 0.00 0.00 0.38 0.71 0.93 1.01 0.93 0.71 0.39 0.00
0.83 0.45 0.00 0.00 0.38 0.71 0.93 1.00 0.93 0.71 0.39 0.00
0.83 0.45 0.00 0.00 0.38 0.71 0.93 1.00 0.93 0.71 0.38 0.00
0.82 0.45 0.00 0.00 0.38 0.71 0.93 1.00 0.93 0.71 0.38 0.00
0.82 0.45 0.00 0.00 0.38 0.71 0.93 1.00 0.93 0.71 0.38 0.00
0.82 0.45 0.00 0.00 0.38 0.71 0.93 1.00 0.93 0.71 0.38 0.00
TFGDanielBoladoFernández
‐110‐
Total (m) Cotasuperior D.Max Cota superior Sección T
24 75 0 A ‐ Torre 1
1 51 24 B ‐ 3‐(3) 0
8 50 25 C ‐ 3‐6 0
4 42 33 D ‐ 3 0
1 38 37 E ‐ 3‐(3) 0
15 37 38 F ‐ 3‐6 0
17 22 53 G ‐ 3‐6 0
5 5 70 H ‐ Pilotes 0
75
Elemento D nominal
Elementos verticales 1.3
Elementos diagonales 0.7
Elementos horizontales 0.7
Torre 6
Pilotes 2.5
TFGDanielBoladoFernández
‐111‐
DefiniciónSecciones
Deq
Pilotes E. Verticales E. Horizontales E.diagonales L.Horizontales L diag z diag L/z diag Arrastre Inercia
0 0 0 0 0 6.00 36.00
0 3 3 0 12 36.90 35.91
0 3 0 6 0 15.4 8 1.93 14.90 16.11
0 3 0 0 0 4.50 6.75
0 3 3 0 16 47.70 45.63
0 3 0 6 0 23.5 15 1.57 12.96 14.36
0 3 0 6 0 28.3 17 1.66 13.49 14.84
3 0 0 0 0 8.10 21.87
Definición Elementos
T1
D efectivo k e Cds c(pi) Kc Fb KC fi (KC) Cd
1.5 0.05 0.03333 1.05 1.47 0.99 0.9 59.08 1.036 1.09
0.9 0.05 0.05556 1.05 1.47 0.99 0.9 98.46 1.000 1.05
0.9 0.05 0.05556 1.05 1.47 0.99 0.9 98.46 1.000 1.05
6 0.0003 0.00005 0.65 1.30 0.99 0.9 14.77 1.231 0.80
2.7 0.05 0.01852 1.05 1.47 0.99 0.9 32.82 1.279 1.34
TFGDanielBoladoFernández
‐112‐
T1 T2
Cd Cm Cd Cm
0.80 1.6 0.77 1.6
1.05 1.2 1.05 1.2
1.09 1.2 1.05 1.2
1.09 1.2 1.05 1.2
1.05 1.2 1.05 1.2
1.09 1.2 1.05 1.2
1.09 1.2 1.05 1.2
1.34 1.2 1.24 1.2
T2
Cm KC fi (KC) Cd Cm
1.2 77.94 1.000 1.05 1.2
1.2 129.90 1.000 1.05 1.2
1.2 129.90 1.000 1.05 1.2
1.6 19.48 1.186 0.77 1.6
1.2 43.30 1.182 1.24 1.2
TFGDanielBoladoFernández
‐113‐
Distribucióndesecciones
Cota (m) Sección Kc Fb Deq T1 T2
z(m) Arrastre Inercia Cd Cm Cd Cm
74.5 A ‐ Torre 0.99 0.9 6.00 36.00 0.80 1.60 0.77 1.60 34.5
73.5 A ‐ Torre 0.99 0.9 6.00 36.00 0.80 1.60 0.77 1.60 33.5
72.5 A ‐ Torre 0.99 0.9 6.00 36.00 0.80 1.60 0.77 1.60 32.5
71.5 A ‐ Torre 0.99 0.9 6.00 36.00 0.80 1.60 0.77 1.60 31.5
70.5 A ‐ Torre 0.99 0.9 6.00 36.00 0.80 1.60 0.77 1.60 30.5
69.5 A ‐ Torre 0.99 0.9 6.00 36.00 0.80 1.60 0.77 1.60 29.5
68.5 A ‐ Torre 0.99 0.9 6.00 36.00 0.80 1.60 0.77 1.60 28.5
67.5 A ‐ Torre 0.99 0.9 6.00 36.00 0.80 1.60 0.77 1.60 27.5
66.5 A ‐ Torre 0.99 0.9 6.00 36.00 0.80 1.60 0.77 1.60 26.5
65.5 A ‐ Torre 0.99 0.9 6.00 36.00 0.80 1.60 0.77 1.60 25.5
64.5 A ‐ Torre 0.99 0.9 6.00 36.00 0.80 1.60 0.77 1.60 24.5
63.5 A ‐ Torre 0.99 0.9 6.00 36.00 0.80 1.60 0.77 1.60 23.5
62.5 A ‐ Torre 0.99 0.9 6.00 36.00 0.80 1.60 0.77 1.60 22.5
61.5 A ‐ Torre 0.99 0.9 6.00 36.00 0.80 1.60 0.77 1.60 21.5
60.5 A ‐ Torre 0.99 0.9 6.00 36.00 0.80 1.60 0.77 1.60 20.5
59.5 A ‐ Torre 0.99 0.9 6.00 36.00 0.80 1.60 0.77 1.60 19.5
58.5 A ‐ Torre 0.99 0.9 6.00 36.00 0.80 1.60 0.77 1.60 18.5
57.5 A ‐ Torre 0.99 0.9 6.00 36.00 0.80 1.60 0.77 1.60 17.5
56.5 A ‐ Torre 0.99 0.9 6.00 36.00 0.80 1.60 0.77 1.60 16.5
55.5 A ‐ Torre 0.99 0.9 6.00 36.00 0.80 1.60 0.77 1.60 15.5
54.5 A ‐ Torre 0.99 0.9 6.00 36.00 0.80 1.60 0.77 1.60 14.5
53.5 A ‐ Torre 0.99 0.9 6.00 36.00 0.80 1.60 0.77 1.60 13.5
52.5 A ‐ Torre 0.99 0.9 6.00 36.00 0.80 1.60 0.77 1.60 12.5
51.5 A ‐ Torre 0.99 0.9 6.00 36.00 0.80 1.60 0.77 1.60 11.5
50.5 B ‐ 3‐(3) 0.99 0.9 36.90 35.91 1.05 1.20 1.05 1.20 10.5
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0.5 H ‐ Pilotes 0.99 0.9 8.10 21.87 1.34 1.20 1.24 1.20 ‐39.5
TFGDanielBoladoFernández
‐114‐
Oleaje y Corrientes Cargas Viento Aerogenerador
FUERZAS
T1 T2
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83931 84518 70171 49436 31814 22598 13943 ‐958 ‐13663 93381 91329 72589 47629 27851 19379
76952 77908 64624 45497 29798 22495 12315 ‐3705 ‐16797 86309 84647 67023 43752 25993 19171
Total (kN) 8048.678 7660.532 5599.476 3324.511 1616.082 727.7605 387.3429 ‐175.1038 ‐609.7557 8322 7807 5605 3196 1428 581
Fase 0 1 2 3 4 5 6 7 8 0 1 2 3 4 5
Estructura
F Horiz Max (KN) 8322
M Base Max (KNm) 217955
F Horizontal (KN) 1810
M base Torre (KNm) 153000
F Vertical min (KN) ‐6838
F Vertical max (KN) ‐10500
Altura del Jack
Altura pilote
Separación pa
Peso del Jack
Empuje del Jac
M base Jacket 245310 Peso del genera
TFGDanielBoladoFernández
‐115‐
et 46s 5tas 25et ‐4515ket 3945dor ‐6838
6 7 8
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6392 0 0
6550 0 0
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6814 ‐13669 ‐28156
6921 ‐12975 ‐27105
7013 ‐12332 ‐26126
7090 ‐11739 ‐25216
7154 ‐11193 ‐24372
7205 ‐10693 ‐23592
7244 ‐10237 ‐22873
7272 ‐9823 ‐22213
7288 ‐9451 ‐21611
7294 ‐9118 ‐21065
7506 ‐9229 ‐21413
7491 ‐8962 ‐20956
7465 ‐8735 ‐20554
7429 ‐8546 ‐20205
7382 ‐8396 ‐19911
7323 ‐8285 ‐19670
7253 ‐8214 ‐19483
7169 ‐8185 ‐19353
7072 ‐8198 ‐19280
6958 ‐8257 ‐19267
6826 ‐8364 ‐19318
6673 ‐8525 ‐19439
6495 ‐8746 ‐19635
6287 ‐9035 ‐19918
6042 ‐9404 ‐20300
5748 ‐9871 ‐20800
5390 ‐10461 ‐21449
11225 ‐3782 ‐15823
10799 ‐4493 ‐16618
10216 ‐5471 ‐17724
9310 ‐6974 ‐19430
7338 ‐10136 ‐23009
256 ‐306 ‐705
6 7 8
MOMENTOS EN LA BASE
T1
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12897285 12183666 0 0 0 0 0 0 0 11731299
12338938 11659207 9079970 0 0 0 0 0 0 11321788
11802133 11154801 8692096 0 0 0 0 0 0 10922765
11285925 10669574 8318612 5160184 0 0 0 0 0 10533881
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3115322 2991042 2383556 1545638 0 0 0 0 0 2956252
2976440 2858660 2279411 1480916 777485 0 0 0 0 2847354
2842754 2731167 2179004 1418298 747903 0 0 0 0 2741129
27762181 26190503 20375939 12645420 5952639 0 0 0 0 27957358
7459358 7069034 5535625 3483015 1698739 819240 0 0 0 7304656
7115358 6744562 5283840 3330244 1632150 785580 0 0 0 7020289
6783827 6431733 5040851 3182289 1566999 753089 304151 0 0 6742624
6464207 6130029 4806273 3038954 1503245 721677 309170 0 0 6471430
6155959 5838951 4579737 2900053 1440850 691260 311511 ‐566274 ‐1207812 6206482
5858570 5558021 4360889 2765406 1379775 661765 311506 ‐494726 ‐1089452 5947563
5571547 5286782 4149390 2634843 1319985 633121 309457 ‐431152 ‐982533 5694463
5294415 5024795 3944913 2508196 1261444 605267 305635 ‐374792 ‐886020 5446979
5026723 4771638 3747147 2385306 1204118 578146 300285 ‐324947 ‐798965 5204911
4768035 4526907 3555791 2266022 1147976 551706 293629 ‐280979 ‐720496 4968070
4517934 4290216 3370559 2150196 1092986 525901 285864 ‐242304 ‐649811 4736269
4276020 4061191 3191175 2037688 1039117 500689 277167 ‐208389 ‐586178 4509330
4041911 3839478 3017375 1928362 986342 476032 267694 ‐178746 ‐528924 4287079
3815238 3624735 2848906 1822090 934632 451897 257586 ‐152932 ‐477433 4069350
3595651 3416634 2685526 1718747 883963 428254 246964 ‐130544 ‐431142 3855981
3520999 3345078 2628163 1681589 865389 418798 243368 ‐116969 ‐405448 3795789
3306155 3141401 2468101 1579911 814911 395302 231698 ‐99609 ‐366529 3582304
3097679 2943700 2312640 1480926 765439 372241 219782 ‐84770 ‐331547 3372894
2895264 2751690 2161571 1384527 716953 349599 207694 ‐72168 ‐300094 3167417
2698620 2565100 2014693 1290614 669433 327359 195493 ‐61542 ‐271795 2965740
2507469 2383672 1871816 1199091 622864 305511 183232 ‐52656 ‐246307 2767737
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1303081 1239485 970140 618822 322645 162969 98468 ‐23329 ‐123125 1475974
1147773 1091823 853849 543869 283429 144072 86751 ‐21976 ‐110609 1304062
996234 947724 740434 470819 245171 125552 75176 ‐20923 ‐98744 1135240
848413 807143 629877 399693 207908 107417 63760 ‐20035 ‐87326 969568
704314 670088 522207 330542 171697 89678 52530 ‐19162 ‐76138 807162
417978 418636 348128 245860 156068 104315 69614 7601 ‐48122 460100
317018 317912 264261 186503 118722 80424 52955 3917 ‐39592 350004
219408 220391 183103 129119 82526 56950 36669 781 ‐30539 243052
125897 126778 105257 74153 47721 33898 20915 ‐1437 ‐20494 140072
38476 38954 32312 22749 14899 11247 6157 ‐1852 ‐8399 43155
Total (kN*m) 217955 206672.588 142458.181 79049.3542 35487.1033 13664.15 6467.915 ‐4171.9546 ‐11987.092 217918
Fase 0 1 2 3 4 5 6 7 8 0
TFGDanielBoladoFernández
‐116‐
T2
1 2 3 4 5 6 7 8
0 0 0 0 0 0 0 0
0 0 0 0 0 0 0 0
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5330710 4081616 2483165 1149983 485843 211095 ‐395723 ‐826704
5099230 3904074 2375845 1102363 466589 206880 ‐363785 ‐770709
4872783 3730327 2270634 1055401 447594 202073 ‐334549 ‐718643
4651191 3560245 2167469 1009089 428848 196741 ‐307807 ‐670220
4434284 3393706 2066291 963419 410341 190942 ‐283366 ‐625175
4221898 3230591 1967043 918385 392067 184732 ‐261045 ‐583255
4013873 3070785 1869671 873980 374020 178161 ‐240675 ‐544225
3810054 2914176 1774121 830199 356193 171276 ‐222094 ‐507862
3610295 2760659 1680344 787038 338584 164117 ‐205155 ‐473956
3553017 2715060 1650947 772473 332038 161370 ‐198425 ‐460380
3353154 2561479 1557000 728954 314270 153561 ‐183728 ‐429602
3157089 2410812 1464757 686069 296718 145574 ‐170327 ‐400800
2964693 2262965 1374177 643817 279380 137439 ‐158099 ‐373799
2775842 2117853 1285224 602200 262256 129186 ‐146929 ‐348435
2590421 1975396 1197864 561219 245347 120838 ‐136705 ‐324549
2408322 1835519 1112067 520879 228653 112420 ‐127322 ‐301990
2229445 1698155 1027809 481186 212177 103955 ‐118678 ‐280612
2053702 1563245 945068 442148 195922 95465 ‐110673 ‐260274
1881013 1430739 863833 403777 179890 86972 ‐103209 ‐240835
1711312 1300595 784095 366087 164085 78498 ‐96189 ‐222158
1544547 1172787 705856 329098 148511 70068 ‐89516 ‐204105
1380685 1047301 629129 292834 133174 61706 ‐83088 ‐186535
1219715 924144 553940 257325 118078 53442 ‐76799 ‐169301
1061656 803346 480330 222612 103231 45313 ‐70533 ‐152247
906567 684973 408367 188746 88638 37361 ‐64162 ‐135201
754562 569134 338150 155796 74307 29644 ‐57535 ‐117969
448775 358343 236836 136980 88117 50514 ‐17019 ‐71203
341600 272458 179745 104172 68207 37798 ‐15724 ‐58162
237412 189084 124455 72357 48534 25540 ‐13677 ‐44309
136994 108883 71444 41776 29069 13966 ‐10461 ‐29145
42323 33511 21876 12997 9585 3669 ‐5068 ‐11505
203932 138904 74672 31127 10656 4332 ‐5567 ‐12383
1 2 3 4 5 6 7 8
TFGDanielBoladoFernández
‐119‐
Hundimiento (a) Vd (KN) 18919.04001
Qf+Qp (KN) 51066.64
SF 2.699
Arranque (a)
Vd (KN) 11037.2
Qf (KN) 25512
SF 2.311
Hundimiento (b) Vd (KN) 33135.05683
Qf+Qp (KN) 51066.64
SF 1.541
Arranque (b)
Vd (KN) 25147.6
Qf (KN) 25512
SF 1.014