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CAPTULO IIPrevisin y desarrollo de

plataformas de aceropara apoyar la explotacinpetrolera en aguas hasta

200 m

Nstor Prez RamosIngeniero civil, UNAM.Exgerente de Ingeniera y Construccin, Pemex Exploraciny Produccin, con actividad en el ramo durante 37 aos.

Previsin y desarrollo de plataformas de acero para apoyar

la explotacin petrolera en aguas hasta 200 m

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INTRODUCCIN

Cuando en el ao de 1977 se tom la decisin de realizar estudios profun-dos con objeto de comercializar la produccin petrolera del Golfo de Cam-peche, la ingeniera mexicana acept el reto para que, con la experienciay apoyo internacional, se trabajara en forma conjunta a fin de obtenerproduccin en el corto plazo.

Actualmente es comn mencionar que en el desarrollo de un campose instalar un PECH, abreviatura de plataformas para la Produccin,Enlace, Compresin y Habitacional. La tecnologa de que se dispone esvlida para profundidades que se encuentran localizadas entre los 12 y los80 m y puede asegurarse que la ingeniera, fabricacin e instalacin sondirigidas en su totalidad por ingenieros mexicanos.

El reto segua vigente para soluciones en aguas someras, menos de 12m de profundidad, as como en aguas con tirantes superiores a los 80 m.

Para el desarrollo de los recursos petroleros costa afuera, las decisio-nes estn basadas en mtodos de evaluacin de inversiones similares a losempleados en otras industrias. Sin embargo, no se requiere un mtodo deevaluacin especial puesto que ste debe adaptarse a las caractersticasnicas de la industria petrolera, es decir, a la oferta y la demanda. Conbase en lo anterior, debe verificarse la rentabilidad del proyecto utilizandoal mximo los recursos nacionales.

La solucin estructural para aguas someras dada su importancia esmotivo de un anlisis especfico. Por lo que respecta a la solucin en aguasde hasta 200 m se consider en principio la tecnologa disponible, con elfin de confirmar la posibilidad de extrapolar las condiciones y parmetrosde la tecnologa dominada en aguas de tirante intermedio de 12 a 80 m,concluyndose la necesidad de requerir an asesora externa.

En virtud de la situacin econmica actual que vive el pas, y de lavariacin de los precios internacionales del petrleo crudo, resulta muyimportante disponer de estudios de previsin que sean oportunos y que ala vez contemplen en su solucin la atencin de toda una gama de factoresque permitan sustituir las importaciones, con la participacin de todos lossectores productivos del pas. Se puede asegurar que la solucin obtenidapara el proyecto, fabricacin, transporte e instalacin de una estructura

Curso de Ingeniera Civil Costa Afuera. Apuntes de Clase

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capaz de recibir un equipo de perforacin para el desarrollo de campos enaguas de hasta 200 m de profundidad es una realidad, y el proyecto, desdela ingeniera hasta la instalacin, se encuentra en este momento disponi-ble. Dicho proyecto se realiz para la localizacin especfica de ZAZIL-HA con 150 m de profundidad; sin embargo, la tecnologa generada puedeaplicarse desde los 80 hasta los 200 m, y su mbito de aplicacin en elGolfo de Mxico se muestra en la figura 1.

Entre un nmero considerable de soluciones, que no tienen por obje-to compararse entre s en este trabajo, sino solamente mencionarse, seencuentran las plataformas de concreto, las torres guiadas, los sistemasde produccin submarinos, las plataformas TLP (plataformas de piernastensionadas verticalmente), y las plataformas de uso mltiple tanto deacero como de concreto.

Las soluciones antes mencionadas, probadas en otras partes del mundo,presentan un reto adicional para su anlisis y evaluacin respecto a lasolucin conocida con el nombre de jacket. Petrleos Mexicanos ha inver-tido cuantiosas sumas en el acondicionamiento de los patios de fabrica-cin, en la capacitacin del personal y en la certificacin de diseo y cons-truccin de plataformas. La solucin estructural para aguas profundas enacero, que es tambin del tipo jacket, es factible de llevarse a la prcticaen Mxico debido a las siguientes razones:

Porque se dispone de tecnologa conocida y probada. Por economa, pues se cuenta con la infraestructura de materia-

les nacionales y patios de construccin. Por posibilidades de fabricacin e instalacin con los recursos

humanos y fsicos disponibles. Por la seguridad que representa contar con cerca de 100 estruc-

turas de este tipo cuyo proyecto, construccin e instalacin serealiz con recursos nacionales.

ANTECEDENTES

Con objeto de disponer, a travs del Instituto Mexicano del Petrleo, de latecnologa para desarrollar la ingeniera de una estructura de acero de has-



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ta 200 m en el mnimo tiempo, se requiri revisar todos los parmetros queregan el diseo, tales como: oceanogrficos, geofsicos, geotcnicos, ssmicos,econmicos y financieros, as como tambin el mbito de aplicacin.

Con los datos validados se desarroll el proyecto, que comprendaentre sus anlisis estructurales ms relevantes los producidos por los ele-mentos ambientales y los correspondientes a cada una de las etapas deconstruccin.

Fijados los alcances del proyecto, se visualiz la conveniencia de queel desarrollo de ste fuera asesorado por una compaa de prestigio inter-nacional en los aspectos de anlisis, diseo, fabricacin, transporte e insta-lacin. Se acept la seleccin de una compaa que brindara a Pemex-IMPla mejor opcin en la solucin del problema y en la inmediata transferenciade la tecnologa requerida, para que con la aplicacin de recursos naciona-les, Mxico pudiera solucionar en el corto plazo el diseo, fabricacin einstalacin de plataformas de acero en aguas profundas.

SOLUCIN ESTRUCTURAL PARA AGUAS PROFUNDAS

Premisas de anlisis

El propsito fundamental del diseo estructural de plataformas marinas paraaguas profundas es lograr una estructura econmica y segura que cumplacon una serie de requisitos funcionales. Para este fin se ha requerido desa-rrollar un nuevo tipo de configuracin estructural, en la que se tiene comopremisa el conocimiento de los materiales, sobre todo de aquellos fabricadosen Mxico, de la mecnica del comportamiento y del anlisis estructural.

Tambin dentro de este propsito se estableci la filosofa de quecada uno de los elementos estructurales que componen la plataforma de-beran ser capaces de:

Soportar todas las cargas y deformaciones que se presenten du-rante la construccin, transporte e instalacin, con la mxima se-guridad.

Tener la durabilidad de diseo durante toda la vida til de la estruc-tura, a fin de soportar el equipo para perforacin y/o produccin.


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Soportar con seguridad todas las cargas accidentales y perma-nentes que se presenten por la accin de sismos de mxima in-tensidad en la zona, oleajes, corrientes y vientos.

Descripcin de las caractersticas generales de una plataformamarina para aguas profundas

Una plataforma marina para aguas profundas se compone de las siguien-tes partes (ver figura 2).

Superestructura. Es la parte de la estructura ubicada arriba del nivelmedio del mar, que se apoya sobre la subestructura. Sus elementos estructu-rales principales son: vigas armadas, perfiles laminados y tubos (ver figura 3).

Subestructura. Es aquella que da apoyo a la superestructura y se ex-tiende desde el nivel medio del mar hasta el fondo. Se compone principal-mente de elementos tubulares (ver figura 2).

Cimentacin. Son todos aquellos elementos tubulares embebidos enel suelo marino, que se prolongan a partir de l, a lo largo de la parte inte-rior de las piernas de la estructura, hasta hacer contacto con la superes-tructura (pilotes principales), o bien, a todo lo largo de la parte interna delas faldas de la subestructura (pilotes faldn).

Es de entenderse, sin embargo, que el nmero de pilotes principales,faldn, plantas, dimensiones de elementos estructurales, etc., dependerde la profundidad del fondo marino, el tipo de suelo, y las condicionesambientales del sitio particular en el cual se requiera instalar la estructu-ra, as como la funcin de sta.

Procedimiento de diseo

El procedimiento que sigue el diseo de una estructura para las profundi-dades referidas, consiste en cuatro pasos principales:

a) Seleccin de la configuracin estructural.b) Determinacin de las cargas que actan sobre ella.c) Clculo de las fuerzas y momentos internos de los componentes

estructurales.



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d) Seleccin del material y dimensionamiento de los miembros yconexiones que integran la estructura.

Los pasos b, c y d se ejecutan para las seis etapas que se presentan alo largo de la vida til de la estructura: fabricacin, carga a la barcaza,transportacin, instalacin, operacin normal y condiciones extremas. Esteprocedimiento se aprecia esquemticamente en la figura 4.

Condiciones de diseo

Durante el diseo de una estructura de esta naturaleza deben considerar-se todos los tipos de carga probable, as como sus combinaciones msdesfavorables. Podra pensarse que las cargas que se presentan en la con-dicin de olaje de tormenta rigen por s solas el diseo global de la estruc-tura, o aquellas presentes en la condicin de transportacin. Sin embargo,no es as, puesto que el diseo global de la estructura es regido por lascargas que se habrn de presentar en todas y cada una de las condicionespor las que pasar la estructura a lo largo de su vida.

Por lo tanto, todas las fases de la vida de la estructura que debenconsiderarse se pueden clasificar en las siguientes condiciones de diseo.

Fase de operacin normal. Es aquella que se define cuando laestructura queda instalada. Sus condiciones principales son:durabilidad (vida por fatiga) y supervivencia (tormenta y sismoextremos).

Fases temporales. Son aquellas condiciones que se presentan deuna manera temporal en la estructura, fabricacin (elevacin demarcos principales), carga a la barcaza de la subestructura, trans-portacin de sub y superestructuras, lanzamiento de subestruc-tura, izaje de sub y superestructura y pilotaje e inyeccin de con-creto para pilotes faldn y principales.

La importancia de las diferentes condiciones de diseo depende delas dimensiones de la estructura, del equipo disponible para su fabrica-


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cin e instalacin, de los parmetros ambientales y de las condiciones delsuelo marino.

Parmetros ambientales de diseo

Para realizar el diseo adecuado y seguro de una plataforma con aguas profun-das, es de gran importancia contar con datos ambientales confiables y realistas.

El primer paso al iniciar un diseo debe ser el examen riguroso de lainformacin ambiental disponible y requerida, es decir, las caractersti-cas generales, riesgos y condiciones metereolgicas, oceanogrficas yssmicas del sitio de instalacin.

Todas las cargas que se ejercen en la estructura y que provienen delmedio ambiente, se basan en la suposicin de que actuarn en dicha es-tructura, una vez en 1 ao, una vez en 10 aos o una vez en 100 aos; esdecir, sus periodos de retorno varan de 1 a 100 aos. Sin embargo, laestructura en s se disea para una vida til de entre 20 y 30 aos. Estaaparente desproporcin se debe a que no se dispone de la informacinambiental suficiente. A manera de ejemplo, podra decirse que si se su-pieran las condiciones ambientales exactas que habran de ocurrir en de-terminada localizacin en los prximos 30 aos, entonces se podra dise-ar alguna plataforma para satisfacer dichas condiciones y la vida til deellas sera de 30 aos.

Las condiciones ambientales que se habrn de presentar cada 100aos son las condiciones extremas, y hay 2 tipos de ellas: los oleajes yvientos, y los sismos. Las condiciones ambientales para la estructura enoperacin son los oleajes y vientos mximos con los que la estructura pue-de operar; y las que se relacionan con la estructura durante su instalacin,son los oleajes y vientos mximos que se presentan en la poca del ao enque se habr de instalar la estructura.

En todos los casos anteriores, las condiciones ambientales de oleaje,vientos y sismo, requieren un periodo de medicin mnimo de 5 aos paraque representen una base de datos confiable en la prediccin de condicio-nes extremas.

Hasta ahora, las principales fuentes de informacin de las condicio-nes oceanogrficas para la Sonda de Campeche han sido mediciones va



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satlite, observaciones visuales de barcos mercantes y, en forma muy ais-lada, con sistemas instrumentados de registro. Esto implica que al nodisponer de una base de datos realista, las predicciones de oleajes y vien-tos de 100 aos resulten muy conservadoras, lo que conduce a diseosestructurales ms "pesados" y por lo consiguiente costosos.

Lo mismo que para las condiciones oceanogrficas puede decirse delas ssmicas, en donde la fuente de informacin es prcticamente nula.

La Sonda de Campeche se considera una zona assmica (no genera-dora de sismos), sin embargo, susceptible de captar movimientos de sismoslejanos. De esta forma, por no contar con registros de mediciones ssmicasen la Sonda de Campeche, caemos en el terreno de las probabilidades:Cunta probabilidad hay de que un movimiento ssmico distante se pro-pague hasta la Sonda de Campeche y ah amplifique su efecto? La res-puesta a esta interrogante est en las leyes de propagacin y atenuacin deondas ssmicas con epicentros distantes, pero cabe advertir que el resul-tado de una prediccin de este tipo podra conducir a espectros ssmicosmuy severos y al consiguiente diseo estructural "sobrado".

Los parmetros ambientales de mayor importancia en el diseo sonlos relacionados con la profundidad, oleaje, corriente, viento y rfaga,marea, temperatura, crecimiento de fauna marina y sismicidad del sitiode instalacin.

Parmetros geotcnicos de diseo

Los pilotes de la cimentacin se caracterizan por ser elementos esbeltos,que se instalan en el interior de las piernas o de las faldas de la estructura,y llegan hasta ciertas penetraciones especificadas abajo del lecho marino.

Los parmetros geotcnicos de mayor importancia en el diseo de lospilotes de cimentacin son los relacionados con la capacidad de cargaaxial (o a lo largo del fuste), y con la capacidad de carga lateral del pilote.

La capacidad de carga axial del pilote la componen la resistenciafriccionante y la resistencia en la punta del suelo, mientras que la capacidadde carga lateral del pilote se relaciona con la resistencia al cortante del sue-lo. Debe notarse, por las experiencias anteriores en este tipo de estructuras,que las fallas en los pilotes debidas a cargas laterales que exceden su capa-


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cidad flexionante se presentan en un punto ubicado bajo la lnea de lodos auna distancia de entre 10 y 15 veces el dimetro del pilote; por lo tanto, es enesta regin donde los estudios geotcnicos deben ser ms refinados.

APLICACIN PARA EL DISEO DE UNA PLATAFORMA DEPERFORACIN EN LA LOCALIZACIN ZAZIL-HA

Como resultado concreto de los trabajos y los desarrollos tecnolgicos lle-vados a cabo por Pemex-IMP, en relacin con la solucin estructural paraaguas profundas, se dispone ya del diseo completo de la plataforma deperforacin para ZAZIL-HA, en una profundidad de 150 m, cuyas basesde diseo se establecen a continuacin.

Caractersticas generales de la plataforma

Se desarroll un nuevo tipo de configuracin estructural, tal como puedeapreciarse en la figura 2; la subestructura de la plataforma ZAZIL-HAtiene 8 piernas con espesores y materiales variables a lo largo de su longi-tud, pero con un dimetro interior constante de 52 pulgadas; tiene 8 plan-tas de arriostramiento horizontal espaciadas aproximadamente cada 22m, compuestas de elementos tubulares cuyos dimetros van de 14 a 42pulgadas; est estructurada verticalmente de acuerdo con el criteriossmico del reglamento norteamericano API (American Petroleum Insti-tute); tiene 8 pilotes principales con dimetros exteriores constantes de48 pulgadas y 4 pilotes faldn con 72 pulgadas; asimismo, tiene 4 faldas de74 pulgadas de dimetro interior.

La superestructura de esta plataforma conserva prcticamente lasmismas caractersticas de las empleadas en aguas medias; esto se previas con el objeto de poder emplear el mismo equipo de perforacin que seutiliza en aguas medias. La figura 3 muestra la forma y dimensiones ge-nerales de la superestructura. Se pueden apreciar bsicamente 2 diferen-cias importantes entre sta y la de aguas medias.

a) La separacin entre los ejes 2 y 3 es de 13.716 m (45 pies) contra12.192 m (40 pies) que se emplea en aguas medias. La razn de



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esto es por conexin con la subestructura que tiene tambin estaseparacin entre ejes interiores para mejorar su estabilidad du-rante la transportacin.

b) La cubierta est reforzada con diagonales verticales para resistirlas fuerzas ssmicas.

Validacin de informacin ambiental

Con la informacin disponible, se definieron los factores de seguridad ylos esfuerzos permisibles que deberan aplicarse a la estructura en cadauno de los diversos tipos de anlisis referidos anteriormente. Asimismo,se definieron los parmetros ambientales del sitio de ZAZIL-HA, los cua-les se indican en forma grfica en las figuras 5 a 8.

Adems, tambin se establecieron los datos geotcnicos del suelo enla localizacin ZAZIL-HA, relacionados con los anlisis de oleaje de ope-racin y de fatiga, de oleaje de tormenta y de sismo, capacidad ltimapara pilotes y capacidad de carga de placas apoyadas en el suelo marino.Los resultados se presentan en las figuras 9 a 15.

Datos generales del proyecto

Se establecieron los pesos de los equipos y accesorios requeridos por elproceso de plataforma, que de manera desglosada se enlistan en la si-guiente tabla.

Equipo Cdigo Con equipo de Sin equipo deperforacin perforacin

Vaco Operacin Vaco Operacin

Cubierta de produccinSeparador de pruebas FA-1101 57.1 126.2 57.1 126.2Tanque colector de drenaje FA-1601 3.0 6.0 3.0 6.0Sumidero FE-1602 18.0 32.0 18.0 32.0Tanque de almacenamientode gas para instrumentos FA-1501 0.2 0.2Bomba de refuerzo para agua marina GA-1302 5.0 10.0


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Tabla 1. Pesos del equipo en una plataforma de perforacin actual en toneladas.

Equipo Cdigo Con equipo de Sin equipo deperforacin perforacin

Vaco Operacin Vaco Operacin

Bomba de drenaje GA-1601/R 0.2 0.2Bomba de drenaje aceitoso GA-1602/R 1.2 1.2Corredor de diablos HR-1001 50.1 54.1 50.1 54.1Paquete de inyeccin PA-1250 2.0 4.0Sistema de gas inerte PA-1650 1.0 1.0Pedestal de gra 70.0 144.0 70.0 107.0Bomba diesel antifuego GA-1001/A 10.0 12.0 10.0 12.0Bomba elctrica antifuego GA-1001/B 10.0 12.0 10.0 12.0Bombas varias (2) GA-1002/R 0.4 0.4 0.4 0.4Panel de control de pozos 4.0 4.0 4.0 4.0Panel de suspensin 2.4 2.4 2.4 2.4Bomba de agua fresca (2) GA-1351/R 1.1 1.1Tanque de almacenamientode agua fresca FB-1351 22.0 196.3 22.0 109.3Tanque de agua fresca (2) FB-1352/3 30.0 210.2Cpsula de salvamento (2) SC-1001/2 16.0 38.0 8.0 19.0Panel de gas 2.4 2.4 2.4 2.4Celdas solares 1.0 1.0 1.0 1.0

SUMA 307.1 858.7 258.4 487.8

Cubierta de perforacinMdulo de lodos 202.7 1 011.7Mdulo de lquidos 150.4 751.2Mdulo de bombas 667.7 667.7Mdulo de almacenamiento 151.4 756.8Mdulo de mquinas 828.3 828.3Mdulo habitacional y helipuerto 533.9 889.7Tubera en patio 1 266.1Tubera preparada 454.0Base de la gra 991.2Gra 94.5Quemador (2) CV-1751 2.0 3.0 2.0 3.0

SUMA 2 536.4 7 714.2 2.0 3.0

TOTAL 2 843.5 8 572.9 260.4 490.8



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Asimismo, se definieron todas las cargas muertas y vivas a usarse enlas diversas reas de trabajo de las cubiertas de la superestructura, ascomo la geometra global de sta. Se identific tambin que las piernas dela subestructura deberan abrirse en 1:8 en la direccin longitudinal, y1:12 en la transversal.

Se identific que algunos accesorios de la estructura requeran undiseo detallado, tales como: tubera de sumidero, placas de apoyo, guaspara conductores, orejas de izaje, correderas de lanzamiento, placas decierre en los extremos de las piernas, tubera de inyeccin de agua, lecha-da y venteo, etctera.

Finalmente, se estableci el nmero y tipo de dibujos estructuralesrequeridos para la etapa de fabricacin de la estructura.

Consideraciones generales de diseo

Se estableci que todos los elementos estructurales tubulares de la plata-forma deberan disearse de acuerdo con el reglamento norteamericanoAPI-RP-2A, ltima edicin; y las trabas armadas con el reglamento AISCdel Instituto Norteamericano de Construcciones de Acero.

La estructura se dise para todas las condiciones de carga presentesen cada uno de los siguientes anlisis:

1) Oleaje de operacin y tormenta.2) Dinmico de oleaje.3) Ssmico de resistencia.4) De fatiga.5) Cargado a la barcaza.6) Transportacin.7) Esfuerzos durante el lanzamiento.8) Giro a la posicin vertical e izaje.9) Estabilidad de apoyo en el fondo.

En prrafos subsecuentes se da una descripcin de la importancia decada uno de ellos.


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Anlisis de oleaje de operacin y tormenta

Para ejecutar este anlisis se simul numricamente una estructuracinque estaba cerca de la mostrada en las figuras 2 y 3. El objetivo funda-mental de este anlisis fue verificar que todos aquellos elementos estruc-turales del arreglo original resistieran los esfuerzos internos generadospor el peso del equipo descrito en la seccin anterior, as como las cargasdel oleaje y el viento. Para este anlisis se supusieron las condicionesgeotcnicas dadas en las figuras 10, 11, 12 y 13 para operacin y tormenta,as como las dadas en las figuras 5 y 6 para las alturas y periodos de ola, yvelocidad de viento y rfaga respectivamente. La figura 16 muestra grfi-camente las caractersticas de este anlisis.

Despus de finalizar el anlisis se identific que la estructura requera8 pilotes principales de 48 pulgadas, 4 pilotes faldn de 60 pulgadas, y lascubiertas no requeran refuerzos verticales tipo "pata de gallo". Adems,en general, los espesores y los materiales requeridos para estas condicio-nes de carga fueron inferiores a los mostrados en las figuras 2 y 3.

Anlisis dinmico de oleaje de tormenta

Debido a la altura de la estructura, y a sus caractersticas de rigidez ymasa, se puede considerar a sta como un "pndulo invertido", es decir, lamayor parte de su masa se conserva en la parte superior, de ah que sucomportamiento dinmico muestre tendencias a "cabecear" cuando se lesomete a las cargas de oleaje. En otras palabras, cuando el oleaje incidesobre la estructura, sta tiende a deformarse en la misma direccin deloleaje, y adems a modificar esta deformacin debido al "cabeceo". Lasfuerzas que originan este ltimo son las fuerzas de inercia debidas a lamasa de la plataforma. La figura 17 muestra grficamente las caracters-ticas de este anlisis.

Se calcularon estas fuerzas de inercia considerando el espectro deoleaje de tormenta dado en la figura 7. Una vez determinada su magnitudy distribucin, se agregaron al anlisis de oleaje de tormenta descrito en laseccin anterior.



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Anlisis ssmico de resistencia

Con la estructura definida segn los dos anlisis anteriores, se procedi aejecutar un anlisis ssmico en el dominio de la frecuencia empleando elespectro de resistencia dado en la figura 9; algunas caractersticas de esteanlisis se muestran en la figura 18.

El anlisis procedi como sigue: se distribuyeron las masas de lacubierta en los puntos nodales y se determinaron sus formas y periodosnaturales de vibracin, y los coeficientes de participacin. Como era deesperarse, la participacin mayor corresponda con el primer modo, esdecir, la estructura vibra predominantemente como pndulo. El periodofundamental de la estructura fue de 2.56 segundos. Al finalizar este an-lisis se identific que la estructura requera incrementos notables en losespesores de los pilotes principales, cambiar el dimetro de 60 a 72 pulga-das en los pilotes faldn, as como incrementos de espesores en una granparte de los elementos estructurales. Tambin se requiri reforzar lascubiertas de la estructura tanto en forma horizontal (diagonales interio-res formando secciones tipo diamante y cruz), como vertical (diagonalesexteriores tipo pata de gallo).

Cabe mencionar que los espectros mostrados en la figura 9 tienenuna forma muy poco usual (dos mesetas) y que la primer frecuencia na-tural de la estructura se ubica prcticamente en el mximo de la segundameseta del espectro; por lo tanto, se requiri evaluar cuidadosamente laalternativa de validar dicho espectro, con el objeto de que en futuros pro-yectos para aguas profundas se establezca definitivamente la importanciade los efectos ssmicos y, logsticamente, su influencia en el tipo de es-tructuras que se pueden esperar. Para esta validacin, se estableci con-tacto con el Instituto de Ingeniera de la Universidad Nacional Autnomade Mxico (UNAM).

Anlisis probabilstico de vida por fatiga

Debido a la naturaleza dinmica (cclica) de las olas de mar, los esfuerzosen los miembros estructurales y en sus uniones tendrn un carcteroscilatorio de aumentar y disminuir siguiendo una secuencia intermina-


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ble de ciclos de carga y descarga. Si a esto agregamos las caractersticasgeomtricas de la estructura, particularmente de las juntas en donde haygrandes concentraciones de esfuerzo, terminaremos aceptando la posibi-lidad de que, de manera inesperada, uno de los puntos de alguna junta dela estructura pueda fatigarse y mostrarlo fsicamente con el crecimientode una pequea grieta, tal como se advierte en la figura 19.

As entonces, fue necesario ejecutar este tipo de anlisis para verifi-car la vida por fatiga de varios puntos crticos en todas las juntas de lasubestructura, tomando como criterio fundamental que la vida por fatigadebera ser por lo menos 2 veces la vida til de la estructura, es decir, 60aos.

Debe mencionarse que este anlisis se ejecut empleando los espec-tros de oleaje definidos en la figura 7 y los datos geotcnicos de las figuras10 y 11. Tambin cabe aclarar que ste se realiz despus del anlisisssmico. De entre los resultados ms interesantes, destaca el hecho deque la vida por fatiga ms pequea fue de 400 aos: esto se debe princi-palmente a que la estructura est muy reforzada para resistir al sismo y lafatiga no representa ningn problema. Como dato adicional, vale la penamencionar que el reglamento API-RP-2A establece que para estructurasmarinas cuyo periodo fundamental sea menor de 3 segundos, no es nece-sario el anlisis por fatiga, y como se mencion anteriormente, el periodofundamental de la plataforma para ZAZIL-HA fue de 2.56 segundos.

Anlisis de carga a la barcaza

El procedimiento empleado para cargar la subestructura (jacket) a labarcaza de transportacin consiste simplemente en arrastrar el jacketsobre las vigas de deslizamiento del patio de fabricacin, para poco a pocoir abordando las vigas de deslizamiento que estn sobre la barcaza. Estaoperacin se inicia cuando se "acodera" la barcaza al muelle de carga delpatio, y termina cuando la estructura queda instalada a bordo de la barca-za. En la figura 20 se puede apreciar ms objetivamente esta maniobra.

Esta operacin, aparentemente simple, tiene el riesgo de que en al-gn momento, al ir abordando el jacket, la barcaza se sumerja demasiadopor un mal destraslado, y la estructura pierda soporte en la barcaza, o



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bien, debido a un pequeo oleaje del ro la barcaza tienda a subir de sunivel normal y trate de cargarse a toda la estructura. En ambos casos seforma un pequeo "escaln" (hacia arriba o hacia abajo), por el cual debepasar el jacket. Fue entonces necesario identificar la magnitud recomen-dable de este escaln para todas las posiciones por las que pasa la estruc-tura durante su carga a la barcaza. El lmite de este desnivel, para laestructura definitiva, empleando la barcaza denominada BAR 398, fue de2.54 cm (1 pulgada).

Anlisis de transportacin

Despus de que la subestructura queda instalada sobre la barcaza en elro, se inicia una nueva etapa: la transportacin de la estructura al sitio deinstalacin.

Durante su viaje, la estructura estar sujeta a movimientos de balanceo(giros alrededor del eje longitudinal de la barcaza), de cabeceo (giros alre-dedor del eje transversal de la barcaza), y de sustentacin (oscilacionesverticales). Estos movimientos, a su vez, sern mayores o menores depen-diendo de las condiciones del mar. De cualquier manera, es evidente que sistos son grandes, originarn grandes fuerzas de inercia debidas a la masade la estructura en movimiento. Esta maniobra se muestra en la figura 21.

Con la estructuracin definida en el anlisis ssmico, y con la barcazaBAR 398, se realiz un anlisis de movimientos para identificar, segn elespectro de oleaje para las condiciones de invierno (altura de ola signifi-cante = 7.62 m), las aceleraciones mximas. Con ellas se determinaron lasfuerzas de inercia en la estructura y se complet el anlisis estructural.

Slo unos cuantos miembros de la estructura fueron rediseados paraesta condicin, a pesar de que la estructura sobresala libremente de labarcaza poco ms de 30 m.

Anlisis de esfuerzos durante el lanzamiento

Cuando la estructura arriba a su destino final, es necesario "bajarla" de labarcaza de transportacin. Esta operacin se conoce como lanzamiento, yse lleva a cabo de la siguiente manera:


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se inunda la barcaza por popa, de tal forma que se genera unngulo inicial de lanzamiento (se calcul en 2.34 grados);

se tira de las orejas de botadura del jacket, por medio de un parde malacates colocados en la proa de la barcaza;

cuando la estructura rompe la resistencia de friccin esttica en-tre sus correderas y vigas de deslizamiento, inicia su movimientohacia el agua (se calcul el tiempo de lanzamiento y recupera-cin a la flotacin libre de 50 segundos).

Esto implica una operacin bastante crtica para la estructura, que esel momento en que su centro de gravedad pasa sobre los pernos de giro delas vigas/balancn; stas son un par de vigas mviles colocadas en la popa dela barcaza, que tienen por objetivo suavizar la entrada del jacket al agua.Cuando llega este instante, la estructura est a punto de girar y abandonarla barcaza, y cuando esto pase, prcticamente todo su peso estar soporta-do slo sobre las dos vigas/balancn, cuya longitud es de 15.138 m. Es deimaginarse que para esta condicin se requiere reforzar la zona de la es-tructura que est en contacto con los balancines en el instante de giro. Estaoperacin se aprecia grficamente en la figura 22.

Despus de analizar las tres posiciones ms crticas durante el lanza-miento, se reforzaron los marcos interiores de la estructura con diagona-les verticales y canutos, en una regin comprendida principalmente entrela 5a., 6a. y penltima plantas, que es donde se localiza el centro de grave-dad de la estructura.

Anlisis de giro a la posicin vertical

El siguiente paso despus de que la estructura flote libremente, es el giroque sta habr de experimentar desde su posicin horizontal hasta la ver-tical. Esta operacin se aprecia grficamente en la figura 23.

Con el objeto de que la estructura no salga mucho del agua, para nodemandar tanta carga a la gra, se ha diseado un sistema de inundacincontrolada, para que mediante la inyeccin de ciertas cantidades de aguaen cada una de las piernas de la estructura, y con el tiro vertical del gan-cho de la gra, aqulla pueda ir cobrando poco a poco la posicin vertical.



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En el caso de nuestra estructura para ZAZIL-HA se limit la cargaen la gra a 400 toneladas, y la altura mxima que la estructura sale delagua es de 25 m, lo cual puede ser perfectamente factible de operar con elequipo marino disponible.

Anlisis de estabilidad de apoyo en el fondo

Cuando la estructura est muy cerca de posarse en el fondo marino segnse ve en la figura 24, en su localizacin definitiva, estarn totalmente inun-dadas sus piernas, y la gra estar a punto de soltarla. Surgen aqu dosinterrogantes principales:

Las dimensiones de las placas de apoyo de la estructura son sufi-cientes para soportar todo el peso de la misma, ms el oleaje y la corrientedurante el lapso de carga al fondo marino?

Con qu oleaje mximo es posible instalar la estructura dentro deun adecuado margen de seguridad?

La respuesta a estos planteamientos se obtuvo mediante el anlisis deestabilidad, en funcin de los datos del suelo dados en la figura 15. Losrequerimientos del anlisis resultaron:

Un rea total de apoyo de 1 147 m2. Altura de ola mxima para proceder con la instalacin de 4.6 m.

CONCLUSIONES

La solucin estructural presentada en este trabajo confirma la necesidadde realizar estudios de previsin que sean oportunos. Para este caso parti-cular, se dispone, a travs del Instituto Mexicano del Petrleo, de la tecno-loga estructural para el diseo de plataformas marinas metlicas en ti-rantes de agua hasta 200 m.

A partir de este trabajo se desarrollaron algunos programas de interfasepara el diseo estructural, se capacit al personal tcnico especialista delIMP y se optimizaron criterios empleados en diseo, fabricacin e insta-lacin de plataformas marinas a partir del intercambio tcnico en la ma-teria con las diferentes compaas e instituciones.


164

Se capitaliz la experiencia de la ingeniera reconocida y probada enel nivel mundial para aplicarse a las soluciones de las necesidades de Pemexcon recursos nacionales. Se ha reducido al mnimo la dependencia detecnologa extranjera para el diseo estructural de plataformas de acerolocalizadas en tirantes de agua hasta 200 m.

Sin embargo, es importante reconocer nuestra dependencia extran-jera respecto al diseo y fabricacin de equipos e instrumentacin paraejecutar estudios geofsicos y geotcnicos, indispensables para el diseode la cimentacin de una estructura, aun cuando dichos estudios se reali-zan con ingeniera y mano de obra nacionales.

Con relacin al espectro ssmico utilizado en el diseo, se identificque para aguas profundas era mandatorio dicho fenmeno, por lo que sedecidi efectuar su validacin en el Instituto de Ingeniera de la UNAM.Resultados que se disponen en este momento ratifican que el espectrossmico corresponde a los utilizados antes del ao 1979 por el API. Estarevisin, en principio, implica una disminucin del 20% del peso total dela estructura.

Por lo que se refiere al anlisis del medio ambiente, seguimos depen-diendo de los datos oceanogrficos y meteorolgicos de una empresaextranjera que haga predicciones, por lo que se proponen campaas per-manentes para la obtencin de datos de esta naturaleza, cuya operaciny mantenimiento est a cargo de Petrleos Mexicanos, bajo la asesora odireccin de alguna institucin de prestigio. Lo anterior permitir, conel tiempo, acumular datos reales que trascendern en el diseo de lasestructuras y que, probablemente, como sucede con el espectro ssmico,podra tenerse en este momento un sobrediseo por el fenmeno deoleaje.

Por lo anterior, la conclusin principal de este trabajo puede resumirseen dos puntos:

1) Se dispone de la tecnologa para desarrollar la ingeniera de pro-yecto, de los patios para fabricacin y equipos de montaje, de los materia-les tubulares y recursos nacionales para fabricar, transportar e instalaruna estructura de acero con funciones de perforacin y/o produccin enaguas profundas con tirantes de hasta 200 m.



165

2) Se requiere impulsar el desarrollo tecnolgico para que se dispon-ga de programas de computadora de edicin nacional, as como la promo-cin y apoyo para realizar campaas permanentes encaminadas a la ob-tencin de datos oceanogrficos, meteorolgicos y ssmicos.

Figura 1. Localizacin de pozos en perforacin y campos productores.


166

Figura 2. Marco longitudinal. Plataforma de perforacin en 150 mde profundidad de agua.

FaldnPrincipales

Pilotes

Fondo marino,pilotes

Faldas

Peso estructural de subestructura=4 177 toneladasPesos no estructurales=976 toneladas.Peso estructural de pilotes=3 566 toneladas

Subestructura

Zona de variacinde mareas.

Nivel de bajamarmedia

Marea mxima= 1.60m.

Cubierta de produccinCubierta de perforacin

Superestructura



167

Figura 4. Procedimiento de diseo para las diversas etapasde la vida de la estructura.

Figura 3. Forma y dimensiones generales de la superestructura.

Cubierta deperforacinELEV. + 21.844

Cubierta deproduccinELEV. + 15.383

ELEV. + 6.096

Peso estructural = 850 toneladas

4 572 12 192 13 716

47 600

12 192 4 572

1 2 3 4

E T A P A

No.

1. Fabricacin

2. Cargado a la barcaza

3. Transportacin

4. Instalacin

5. Operacin

6. Condiciones extremas

Seleccin de la configuracinestructural

Determinacin de las cargas que actan en laestructura segn la etapa No. 1, 2, 3, 4, 5 o 6

Clculo de las fuerzas y momentosinternos de la estructura

Seleccin del material y (re) dimensionamientode miembros y conexiones

Configuracin estructural final


168

Figura 5. Altura de ola para el sitio de ZAZIL-HA.

Figura 6. Velocidades de viento para el sitio de ZAZIL-HA.

Periodo de retorno: 100 aos(To = 16 segundos)

Periodo de retorno: 1 ao(To = 12 segundos)

Nivel mediodel mar

0.00

13.71620.574

Altura de ola(metros)

Periodo deretorno

Viento sostenido(1 minuto)

Rfagainstantnea

100 aos1 ao

275.95 km/h124.08

336.36 km/h148.16 km/h



169

Figura 7. Espectros para el anlisis de oleaje de tormenta y de fatiga.

Espectro de oleajeempleado en el anlisispor fatiga

Espectro empleado en elanlisis dinmico de oleaje

Espectro de energa de oleaje asociado con la tormenta de 100 aos(direccin de aproximacin del oleaje : Norte). Campo ZAZIL-HA.Espectro de energa de oleaje asociado con la tormenta de 100 aos(direccin de aproximacin del oleaje : Oeste). Campo ZAZIL-HA.

Den

sida

d es

pect

ral f

(pies

cicl

o/s)

2

Frecuencia f (ciclos/s)0.2500.2000.1500.1000.0500.010

50

100

200

300

400

500

1000

1500

1800

1

2

2

1


170

Figura 8. Crecimiento de fauna y flora marina para el sitio de ZAZIL-HA.

Crecimientoduro

CrecimientosuaveNivel medio

del marEspesor: 1 a 3 cm Espesor: 5 a 10 cm

Espesor: 5 cm

Espesor: 2 a 3 cm

Lnea de

lodos

Espesor: 3 a 5 cm

Espesor: 2 cm

10 m

30 m

50 m



171

Figura 9. Espectros ssmicos de resistencia y supervivencia.

Figura 10. Curvas p-y para oleaje de operacin y fatiga = 48".

0.3

0.2

0.1

0.080.07

0.03 0.05 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.8 1 2 3 4 5 6 7 8 9

III

IV

I Espectro de ductilidad, campo Akal-R. Guzmn-1982II Espectro de diseo R. Guzmn-1982.

III Guerra y Esteva/1978 - I.I./UNAMIV Preliminar diciembre/86-Chvez - I.I./UNAM

I

II

Vida de diseo = 25 aos5% amortiguamiento

Fra

cci

n de

la a

cele

raci

n d

e la

gra

veda

d

Periodo (s)

SupervivenciaSupervivencia

ResistenciaResistencia

1000

4000

3000

2000

1000

00 10 20 30 40 50

y deflexin del pilote (pul)

p Re

siste

ncia

del

sue

lo (lb

/pul)


172

Figura 11. Curvas p-y para oleaje de operacin y fatiga = 72".

Figura 12. Curvas p-y para tormenta y sismo = 48".

4000

5000

2000

1000

00 10 20 30 40 50


p Re

siste

ncia

del

sue

lo (lb

/pul)



173

Figura 13. Curvas p-y para tormenta y sismo = 72".

5500

5000

4000

3000

1000

2000

00 10 20 30 40 50 60 70


p Re

siste

ncia

del

sue

lo (lb

/pul)


174

Figura 14. Curvas de capacidad ltima para pilotesde 48" y 72" de dimetro.

0

20

40

6080

100120140

160180200

220

240

260

280300320340

2500 5000 7500 10000 12500 15000

Capacidad de carga ltima (kilolibras)

Prof

undi

dad

(pies

)

ArcillalimosaArcillablanda

Arcilla pocofirme a

muy fuerte

Arcillamuy firme

Arcillacalcrea

poco firme

Arcillacalcrea

muy firmeArcilla

calcreaArcilla

calcreadura

(26')(41')

(165')(175')

(255')(275')(300')

(331')



175

Figura 15. Lneas de capacidad de carga de placasapoyadas al suelo marino.

Zapata

longitudunitaria

B

B = 20 pies B = 30 pies B = 43'-3'' pulgadasAsentamiento(Pulgadas)

Pies

01 2 3 4 5

2

4

6

8

1012

14

16

18

20

22

24

Q( )kilolibraspulgadas


176

Figura 16. Anlisis de oleaje de operacin y tormenta.

Figura 17. Anlisis dinmico del oleaje.

Objetivo:Verificar el nivel de esfuerzos de loselementos estructurales durantelas etapas de operacin y tormentade la estructura en sitio.

Procedimiento de anlisis:

Determinacin de los parmetrosambientales de operaciny tormenta

Determinacin de las cargasde equipos, vivas, muertas

Redimensionamiento de miembrosestructurales y pilotes

, etc. Anlisis estructural bajo las

conciciones anteriores

Las plataformas de aguas profundas sonmuy esbeltas, el periodo natural de estasestructuras se acerca al del oleaje y losefectos dinmicos se vuelven muysignificantes.

Procedimiento de anlisis dinmico poroleaje:1. Clculo de frecuencias y modos de

vibracin de la estructura.2. Clculo de las fuerzas de inercia a

partir del espectro de oleaje y delas frecuencias de la estructura.

3. Anlisis estructural



177

Figura 18. Anlisis ssmico de resistencia.

Figura 19. Anlisis por fatiga.

sismo

Fondomarino

pilotes

Modelo

Suelo

corriente

Espectrossmico

M2

M1

Combinacin de cargas enla estructura

Seleccin de la entradassmica

Seleccin del tipo de anlisisesttico o dinmico

Anlisis de esfuerzos enmiembros

Combinacin de respuestaestructural por diversascondiciones de carga

Modelo matemtico

Respuesta estructural

Revisin de cimentacin

I. Objetivos.1) Asegurar que todas las juntas

tengan una vida por fatigasuficientemente amplia, mayorque dos veces la vida til de laestructura.

2) Detectar juntas susceptibles adaos por fatiga para disede tal forma que se aumentesu vida.

II. Procedimiento de anlisis.1) Definicin de las condiciones

de oleaje en el sitio de instalacinde la estructura (nmero ycaractersticas de los estados delmar considerados), espectro deloleaje y curva S-N a utilizar.

2) Anlisis dinmico y evde los rangos de esfuerzospara cada junta de la subestructura.

3) Evaluacin de la vida por fatiga decada junta.

4) (Re) dimensionamiento de lasjuntas.

arlas

aluacin

Grietas

Oleaje


178

ANLISIS DE LASUBESTRUCTURA EN

TIERRA

ANLISIS DE DIFERENTESPOSICIONES DE LA

SUBESTRUCTURA DURANTELA CARGA A LA BARCAZA

DIQUE RIO

DETERMINACIN DE LMITES DEDESPLAZAMIENTO DE LA BARCAZAPARA EVITAR GRANDES FLEXIONES

A LA ESTRUCTURA

95.95 65.59

17.96

9.98

121.92 m39.62 m

c.g.

Figura 20. Anlisis de carga de la subestructura a la barcaza.

Figura 21. Anlisis de transportacin.

Se hace con dos objetivos:1) Escoger la barcaza ms econmica y suficientemente estable, para una

transportacin segura de la estructura.2) Garantizar que la estructura llegue ntegramente para que funcione de

manera adecuada durante su vida til.

Procedimiento de anlisis:1) Seleccin de las condiciones ambientales para transportacin, que

dependern de la poca del ao en que sta se lleva a cabo.2) Anlisis de movimientos.3) Clculo de fuerzas de inercia mximas probables.4) Anlisis estructural.



179

Figura 22. Anlisis de esfuerzos durante el lanzamiento.

Figura 23. Anlisis de posicionamiento vertical de la estructura.

Fuerzas inerciales

Peso propio

Fuerzas de flotacin

Fuerzas hidrodinmicas

400 ton

Piernas inundadas

Los objetivos del anlisis son: obtener una secuencia de inundaciy las fuerzas en el bloque de la gra, para mova la posicin vertical

n de la estructuraer la estructura de una forma segura


180

Referencias

API-RP-2A-1993. Suplemento, septiembre-1996, prcticas recomenda-das para la planeacin, diseo y construccin de plataformas fijas de acero.

AISC, ltima edicin. Instituto Norteamericano de Construcciones deAcero.

Det Norske Veritas. Reglas para el diseo, construccin e instalacinde estructuras costa afuera.

Instituto de Ingeniera UNAM, Mario Chvez. Anlisis de riesgo ssmicoen varios sitios de la Baha de Campeche,UNAM, Mxico.

Manual de Usuarios, Programa Plataformas-IMP.Manual de Usuarios, Programa DAMS-Brown & Root.Miguel ngel Castaeda y Roldn. Estudio del proyecto desarrollo de

plataformas de acero en aguas profundas, IMP-Pemex, Mxico.

Figura 24. Anlisis de estabilidad de la subestructura apoyada en el fondo.

Lnea de lodos

Tiene dos objetivos:1) Dimensionar las placas de apoyo

en la base de la estructura.2) Verificar las condiciones oceano-

geogrficas mximasla estructura con plena seguridad.

Procedimiento de anlisis:

Se establecen los parmetrosoceanogrficos y geotcnicos.

Se ejecuta el anlisis estructural. Se disean las placas de apoyo enel niv de la lnea de lodos.

, para instalar

el

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