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Plataformas costa afuera de México.

La ingeniería geotécnica costa afuera es un subcampo de la ingeniería geotécnica . Se ocupa del diseño, la construcción, el mantenimiento y el desmantelamiento de los cimientos de las estructuras creadas por el hombre en el mar . [1] Las plataformas petrolíferas , las islas artificiales y los oleoductos submarinos son ejemplos de tales estructuras. El fondo marino debe poder soportar el peso de estas estructuras y las cargas aplicadas. También se deben tener en cuenta los peligros geográficos . La necesidad de desarrollos en alta mar se debe a un agotamiento gradual de las reservas de hidrocarburos en la costa o cerca de las costas, ya que se están desarrollando nuevos campos a mayores distancias de la costa y en aguas más profundas [2].con la correspondiente adaptación de las investigaciones del sitio costa afuera. [3] En la actualidad, hay más de 7.000 plataformas marinas que operan a una profundidad de agua de hasta 2000 m y más. [2] Un desarrollo de campo típico se extiende sobre decenas de kilómetros cuadrados y puede comprender varias estructuras fijas, líneas de flujo dentro del campo con una tubería de exportación a la costa o conectada a una línea troncal regional. [4]

Diferencias entre la ingeniería geotécnica en tierra y en alta mar [ editar ]

Un entorno en alta mar tiene varias implicaciones para la ingeniería geotécnica. Estos incluyen los siguientes: [1] [4]

  • La mejora del suelo (en el lecho marino) y la investigación del sitio son costosas.
  • Las condiciones del suelo son inusuales ( por ejemplo, presencia de carbonatos, gas poco profundo).
  • Las estructuras costa afuera son altas, a menudo se extienden más de 100 metros (330 pies) por encima de su base.
  • Las estructuras costa afuera típicamente tienen que lidiar con cargas laterales significativas ( es decir, grandes momentos de carga en relación con el peso de la estructura).
  • La carga cíclica puede ser un problema de diseño importante.
  • Las estructuras costa afuera están expuestas a una gama más amplia de peligros geográficos .
  • Los códigos y normas técnicas son diferentes de los que se utilizan para los desarrollos en tierra.
  • El diseño se centra en el estado límite último en lugar de la deformación.
  • Las modificaciones de diseño durante la construcción son inviables o muy caras.
  • La vida útil de diseño de estas estructuras suele oscilar entre 25 y 50 años.
  • Los costos ambientales y financieros en caso de falla pueden ser mayores.

El entorno offshore [ editar ]

Las estructuras marinas están expuestas a diversas cargas ambientales: viento , olas , corrientes y, en océanos fríos, hielo marino e icebergs . [5] [6] Las cargas ambientales actúan principalmente en la dirección horizontal, pero también tienen un componente vertical. Algunas de estas cargas se transmiten a la base (el lecho marino). Los regímenes de viento, oleaje y corriente pueden estimarse a partir de datos meteorológicos y oceanográficos, que se denominan colectivamente datos metoceánicos . También pueden producirse cargas inducidas por terremotos , que proceden en la dirección opuesta: desde los cimientos hasta la estructura. Según la ubicación, otros peligros geográficostambién puede ser un problema. Todos estos fenómenos pueden afectar la integridad o la capacidad de servicio de la estructura y sus cimientos durante su vida útil operativa; deben tenerse en cuenta en el diseño en alta mar.

La naturaleza del suelo [ editar ]

A continuación se presentan algunas de las características que caracterizan el suelo en un entorno marino: [7]

  • El suelo está formado por sedimentos , que generalmente se supone que están en un estado saturado : el agua salina llena el espacio poroso.
  • Los sedimentos marinos están compuestos por material detrítico y restos de organismos marinos, estos últimos formando suelos calcáreos.
  • El espesor total de los sedimentos varía a escala regional; normalmente es más alto cerca de la costa que lejos de ella, donde también tiene un grano más fino.
  • En algunos lugares, el lecho marino puede carecer de sedimentos debido a las fuertes corrientes del fondo.
  • El estado de consolidación del suelo es normalmente consolidado (debido a la lenta deposición de sedimentos), sobreconsolidado (en algunos lugares, una reliquia de la glaciación) o subconsolidado (debido a la alta entrada de sedimentos).

Aspectos metoceánicos [ editar ]

Reproducir medios
Acción de las olas contra una estructura en alta mar.

Las fuerzas de las olas inducen el movimiento de las estructuras flotantes en los seis grados de libertad; son un criterio de diseño importante para las estructuras marinas. [8] [nota 1] Cuando el movimiento orbital de una onda alcanza el lecho marino, induce el transporte de sedimentos. Esto solo ocurre a una profundidad de agua de aproximadamente 200 metros (660 pies), que es el límite comúnmente adoptado entre aguas poco profundas y aguas profundas . La razón es que el movimiento orbital solo se extiende a una profundidad del agua que es la mitad de la longitud de onda, y el La longitud de onda máxima posible generalmente se considera de 400 metros (1300 pies). [6] En aguas poco profundas, las olas pueden generar una acumulación de presión de poro en el suelo, lo que puede provocar un deslizamiento del flujo, y el impacto repetido en una plataforma puede causarlicuefacción y pérdida de soporte. [6]

Las corrientes son una fuente de carga horizontal para las estructuras costa afuera. Debido al efecto Bernoulli , también pueden ejercer fuerzas hacia arriba o hacia abajo sobre las superficies estructurales y pueden inducir la vibración de líneas de cables y tuberías. [6] Las corrientes son responsables de remolinos en torno a una estructura, lo que causa fregado y la erosión del suelo. [6] Hay varios tipos de corrientes: corrientes oceánicas , geostróficas , de mareas , impulsadas por el viento y corrientes de densidad . [6]

Geopeligros [ editar ]

Distribución mundial de hidratos de gas, que son otro peligro potencial para los desarrollos costa afuera.
Un ejemplo de un sonar de barrido lateral, un dispositivo utilizado para inspeccionar el fondo marino.
Una imagen tridimensional del sistema del Cañón de Monterey, un ejemplo de lo que se puede obtener de ecosondas multihaz.

Los geopeligros están asociados con la actividad geológica, las características geotécnicas y las condiciones ambientales. Los geopeligros superficiales son los que ocurren a menos de 400 metros (1.300 pies) por debajo del lecho marino. [9] La información sobre los riesgos potenciales asociados con estos fenómenos se adquiere a través de estudios de la geomorfología, el entorno geológico y el marco tectónico en el área de interés, así como con estudios geofísicos y geotécnicos del fondo marino. Ejemplos de amenazas potenciales incluyen tsunamis , deslizamientos de tierra , fallas activas , diapiros de lodo y la naturaleza de las capas del suelo (presencia de karst , hidratos de gas , carbonatos). [9] [10] [11]En las regiones frías, los rastros de hielo son una amenaza para las instalaciones submarinas, como las tuberías. [12] [13] Los riesgos asociados con un tipo particular de geopeligro son una función de cuán expuesta está la estructura al evento, cuán grave es este evento y con qué frecuencia ocurre (para eventos episódicos). Cualquier amenaza debe ser monitoreada y mitigada o eliminada. [14] [15]

Investigación del sitio [ editar ]

Las investigaciones de sitios costa afuera no son diferentes a las que se llevan a cabo en tierra (ver Investigación geotécnica ). Pueden dividirse en tres fases: [16]

  • Un estudio documental , que incluye recopilación de datos.
  • Estudios geofísicos , ya sea de penetración superficial o profunda del lecho marino.
  • Estudios geotécnicos , que incluyen muestreo / perforación y pruebas in situ.

Estudio de escritorio [ editar ]

En esta fase, que puede tener lugar durante un período de varios meses (según el tamaño del proyecto), se recopila información de diversas fuentes, incluidos informes, literatura científica (artículos de revistas, actas de congresos) y bases de datos, con el fin de evaluar los riesgos. evaluar las opciones de diseño y planificar las fases posteriores. La batimetría , la geología regional, los posibles peligros geológicos, los obstáculos del fondo marino y los datos metoceánicos [16] [17] son algunos de los datos que se buscan durante esa fase.

Estudios geofísicos [ editar ]

Los levantamientos geofísicos se pueden utilizar para diversos fines. Se trata de estudiar la batimetría en el lugar de interés y producir una imagen del fondo marino (irregularidades, objetos en el fondo marino, variabilidad lateral, hendiduras de hielo , ...). Se pueden realizar estudios de refracción sísmica para obtener información sobre la estratigrafía de los fondos marinos poco profundos ; también se puede utilizar para localizar material como arena, depósitos de arena y grava para su uso en la construcción de islas artificiales . [18] Los estudios geofísicos se llevan a cabo desde un barco de investigación equipado con dispositivos de sonar y equipo relacionado, como ecosondas de haz único y multihaz ,sonares de barrido lateral , 'remolcadores' y vehículos operados a distancia (ROV) . [19] [20] Para la estratigrafía del subfondo, las herramientas utilizadas incluyen boomers, sparkers, pingers y chirp. [21] Normalmente se requieren estudios geofísicos antes de realizar los estudios geotécnicos; en proyectos más grandes, estas fases pueden estar entrelazadas. [21]

Estudios geotécnicos [ editar ]

Los estudios geotécnicos implican una combinación de muestreo, perforación, pruebas in situ y pruebas de suelo de laboratorio que se llevan a cabo en alta mar y, con muestras, en tierra. Sirven para fundamentar la verdad de los resultados de las investigaciones geofísicas; también proporcionan una descripción detallada de la estratigrafía del fondo marino y las propiedades de la ingeniería del suelo. [22] Dependiendo de la profundidad del agua y las condiciones metoceánicas, los reconocimientos geotécnicos pueden realizarse desde un buque de perforación geotécnico dedicado , un semisumergible , una plataforma autoelevadora , un aerodeslizador grande u otros medios. [23] Se realizan en una serie de ubicaciones específicas, mientras que la embarcación mantiene una posición constante. Posicionamiento dinámicoy para ello se utilizan amarres con sistemas de anclaje de cuatro puntos.

Los estudios geotécnicos de penetración superficial pueden incluir muestreo del suelo de la superficie del lecho marino o pruebas mecánicas in situ. Se utilizan para generar información sobre las propiedades físicas y mecánicas del fondo marino. [24] Se extienden hasta los primeros metros por debajo de la línea de tierra. Los levantamientos realizados a estas profundidades, que pueden realizarse al mismo tiempo que el levantamiento geofísico superficial, pueden ser suficientes si la estructura que se desplegará en ese lugar es relativamente liviana. Estas encuestas también son útiles para planificar rutas de oleoductos submarinos.

El propósito de los estudios geotécnicos de penetración profunda es recopilar información sobre la estratigrafía del lecho marino a profundidades que se extienden hasta unos 100 metros por debajo de la línea de lodo. [9] [25] Estos estudios se realizan cuando se planean estructuras más grandes en estos lugares. Los taladros profundos requieren unos días durante los cuales la unidad de perforación debe permanecer exactamente en la misma posición (ver posicionamiento dinámico ).

Muestreo y perforación [ editar ]

Descorazonador de cajas para la extracción de muestras de suelo del fondo marino.
Un muestreador de suelo impulsado por gravedad, que se utiliza para extraer muestras del lecho marino.
Dos tipos de sistemas de perforación: un semisumergible (izquierda) y un barco de perforación (derecha).

El muestreo de la superficie del lecho marino se puede realizar con un muestreador manual y con un descorazonador . [26] Este último proporciona muestras inalteradas, en las que se pueden realizar pruebas, por ejemplo, para determinar la densidad relativa del suelo , el contenido de agua y las propiedades mecánicas . El muestreo también se puede lograr con un descorazonador de tubos, ya sea impulsado por gravedad, o que se puede empujar hacia el fondo del mar mediante un pistón o mediante un sistema de vibración (un dispositivo llamado vibrocorer). [27]

La perforación es otro medio de muestreo del fondo marino. Se utiliza para obtener un registro de la estratigrafía del fondo marino o de las formaciones rocosas debajo de él. La configuración utilizada para muestrear los cimientos de una estructura en alta mar es similar a la utilizada por la industria petrolera para alcanzar y delimitar los yacimientos de hidrocarburos, con algunas diferencias en los tipos de pruebas. [28] La sarta de perforación consiste en una serie de segmentos de tubería de 5 pulgadas (13 cm) de diámetro atornillados de extremo a extremo, con un conjunto de broca en la parte inferior. [27] A medida que la broca (dientes que se extienden hacia abajo desde la broca) corta el suelo, se producen recortes de tierra. El lodo de perforación viscoso que fluye por la columna de perforación recoge estos recortes y los lleva fuera de la columna de perforación. Como es el caso deEn los estudios geotécnicos en tierra , se pueden utilizar diferentes herramientas para muestrear el suelo de un pozo de perforación, en particular "tubos Shelby", "muestreadores de pistón" y "muestreadores de cuchara partida".

Pruebas de suelo in situ [ editar ]

Diagrama que muestra el principio de un penetrómetro de cono para obtener el perfil de resistencia del suelo.
Diagrama que muestra el principio de una paleta de corte para medir la resistencia máxima y la resistencia residual del suelo.

La información sobre la resistencia mecánica del suelo se puede obtener in situ (del propio lecho marino en lugar de en un laboratorio a partir de una muestra de suelo). La ventaja de este enfoque es que los datos se obtienen de un suelo que no ha sufrido ninguna alteración como consecuencia de su reubicación. Dos de los instrumentos más comúnmente utilizados para ese propósito son el penetrómetro de cono (CPT) y la paleta de corte . [29] [30]

El CPT es una herramienta en forma de barra cuyo extremo tiene la forma de un cono con un ángulo de vértice conocido ( por ejemplo, 60 grados). [31] A medida que se empuja hacia el suelo, se mide la resistencia a la penetración, lo que proporciona una indicación de la resistencia del suelo. [32] Un manguito detrás del cono permite la determinación independiente de la resistencia a la fricción. Algunos conos también pueden medir la presión del agua de los poros . La prueba de paleta de corte se utiliza para determinar la resistencia al corte sin drenaje de suelos cohesivos de suaves a medios . [33] [34]Este instrumento generalmente consta de cuatro placas soldadas a 90 grados entre sí al final de una varilla. Luego se inserta la varilla en el suelo y se le aplica un par de torsión para lograr una tasa de rotación constante. Se mide la resistencia al par y luego se usa una ecuación para determinar la resistencia al corte sin drenaje (y la resistencia residual), que tiene en cuenta el tamaño y la geometría de la paleta. [34]

Estructuras costa afuera y consideraciones geotécnicas [ editar ]

Las estructuras costa afuera están representadas principalmente por plataformas , en particular plataformas autoelevadoras , estructuras de chaqueta de acero y estructuras basadas en la gravedad . [35] La naturaleza del lecho marino debe tenerse en cuenta al planificar estos desarrollos. Por ejemplo, una estructura basada en la gravedad suele tener una huella muy grande y es relativamente flotante (porque encierra un gran volumen abierto). [36]En estas circunstancias, la carga vertical de la cimentación puede no ser tan significativa como las cargas horizontales ejercidas por la acción de las olas y transferidas al lecho marino. En ese escenario, el deslizamiento podría ser el modo dominante de falla. Un ejemplo más específico es el de la estructura de chaqueta de acero Woodside "North Rankin A" en la costa de Australia. [37] La capacidad del eje para los pilotes que componen cada una de las patas de la estructura se estimó sobre la base de métodos de diseño convencionales, especialmente cuando se introducen en arenas silíceas. Pero el suelo en ese sitio era una arena calcárea de menor capacidad. Se requirieron costosas medidas de remediación para corregir este descuido.

También se requiere una caracterización adecuada del lecho marino para los sistemas de amarre . Por ejemplo, el diseño y la instalación de pilotes de succión deben tener en cuenta las propiedades del suelo, en particular su resistencia al corte sin drenaje. [38] Lo mismo ocurre con la instalación y evaluación de la capacidad de los anclajes de placa . [39]

Oleoductos submarinos [ editar ]

Artículo principal: oleoducto submarino

Las tuberías submarinas son otro tipo común de estructura hecha por el hombre en el entorno marino. [40] Estas estructuras descansan sobre el lecho marino o se colocan dentro de una zanja para protegerlas de los arrastreros de pesca , el arrastre de anclas o la fatiga debido a las oscilaciones inducidas por la corriente. [41] La excavación de zanjas también se utiliza para proteger las tuberías de la perforación de las quillas de hielo . [12] [13] En ambos casos, la planificación del oleoducto implica consideraciones geotécnicas. Las tuberías que descansan sobre el lecho marino requieren datos geotécnicos a lo largo de la ruta propuesta de la tubería para evaluar posibles problemas de estabilidad, como fallas pasivas del suelo debajo de él (la tubería cae) debido a insuficienciacapacidad de carga , o falla por deslizamiento (la tubería se desplaza hacia los lados), debido a la baja resistencia al deslizamiento. [42] [43] El proceso de excavación de zanjas, cuando sea necesario, debe tener en cuenta las propiedades del suelo y cómo afectarían la duración del arado. [44] El potencial de pandeo inducido por la respuesta axial y transversal de la tubería enterrada durante su vida útil debe evaluarse en la fase de planificación, y esto dependerá de la resistencia del suelo circundante. [43]

Anclas integradas en alta mar [ editar ]

Artículo principal: Anclas empotradas en alta mar

Los anclajes empotrados costa afuera son anclajes que derivan su capacidad de la resistencia a la fricción y / o al soporte del suelo que los rodea. Esto es inverso a los anclajes por gravedad que derivan su capacidad de su peso. A medida que los desarrollos marinos se mueven hacia aguas más profundas, las estructuras basadas en la gravedad se vuelven menos económicas debido al gran tamaño requerido y al costo de transporte. Esto resulta oportuno para el empleo de anclajes integrados.

Ver también [ editar ]

  • Ingeniería civil
  • Materiales terrestres
  • Aerogenerador flotante
  • Geohazard
  • Ingeniería geotécnica
  • Investigación geotécnica
  • Geotecnia
  • Oceano
  • Construcción costa afuera
  • Perforación mar adentro
  • Offshore (hidrocarburos)
  • Plataforma petrolera
  • Fondo del mar
  • Lecho marino perforado por hielo
  • Sedimento
  • Tierra
  • Mecánica de suelos
  • Oleoducto submarino
  • Submarino

Notas [ editar ]

  1. ^ Por ejemplo, una estructura determinada puede sufrir 2x10 8 ciclos de onda durante su vida útil de diseño.

Referencias [ editar ]

  1. ↑ a b Dean, pág. 1
  2. ↑ a b Randolph y Gourvenec, p. 1
  3. ^ Kolk y Wegerif, 2005
  4. ↑ a b Randolph y Gourvenec, p. 3
  5. ^ Randolph y Gourvenec, sección 2.4
  6. ↑ a b c d e f Gerwick, 2000
  7. ^ Randolph y Gourvenec, sección 2.3
  8. ^ Randolph y Gourvenec, p. 24
  9. ↑ a b c Peuchen y Raap, 2007.
  10. ↑ Randolph y Gourvenec, Fig. 3.14
  11. ^ Kolk y Wegerif, p. 151
  12. ↑ a b Palmer and Been, 2011
  13. ^ a b Pasador 2011
  14. ^ Hogan et al., 2008
  15. ^ Younes et al., 2005
  16. ↑ a b Randolph y Gourvenec, Cap. 3
  17. ↑ Dean, sección 1.4
  18. ↑ Dean, p. 33
  19. ↑ Dean, sección 2.2
  20. ^ Randolph y Gourvenec, p. 34
  21. ↑ a b Randolph y Gourvenec, p. 32
  22. ^ Randolph y Gourvenec, p. 31
  23. ↑ Dean, p. 47
  24. ↑ Dean, sección 2.3
  25. ↑ Dean, sección 2.4
  26. ↑ Dean, Fig. 2.5
  27. ↑ a b Dean, pág. 43
  28. ^ Randolph y Gourvenec, p. 44
  29. ↑ Dean, sección 2.3.4
  30. ^ Newson y col., 2004
  31. ↑ Dean, p. 45
  32. ^ Das, pág. 646
  33. ↑ Dean, p. 60
  34. ^ a b Das, pág. 406
  35. ↑ Dean, 2010
  36. ^ Ramakrishnan, pág. 9
  37. ^ Randolph y Gourvenec, p. 146
  38. ^ Bai y Bai, págs. 121, 129
  39. ^ Bai y Bai, p. 131
  40. ^ Palmer y King 2008
  41. ^ Ramakrishnan, pág. 186
  42. ^ Zhang y Erbrich, 2005
  43. ^ a b Catie y otros, 2005
  44. ^ Bransby y col., 2005

Bibliografía [ editar ]

  • Bai Y. y Bai Q. (2010) Subsea Engineering Handbook . Gulf Professional Publishing, Nueva York, 919 págs.
  • Barrette, P (2011). "Protección de tuberías costa afuera contra la perforación del fondo marino por hielo: una descripción general". Ciencia y Tecnología de las Regiones Frías . 69 : 3-20. doi : 10.1016 / j.coldregions.2011.06.007 .
  • Bransby MF, Yun GJ Morrow DR y Brunning P. (2005) El desempeño de arados de tubería en suelos estratificados. En: SCM Gourvenec (Editor), Frontiers in Offshore Geotechnics , Taylor & Francis, Perth, Australia, págs. 597–605.
  • Cathie DN, Jaeck C., Ballard J.-C. y Wintgens J.-F. (2005) Geotecnia de oleoductos - estado de la técnica. En: SCM Gourvenec (Editor), Frontiers in Offshore Geotechnics . Taylor y Francis, Perth, Australia, págs. 95-114.
  • Das BM (2010) Principios de ingeniería geotécnica , Cengage Learning, Stamfort, EE.UU., 666 p.
  • Dean ETR (2010) Ingeniería geotécnica costa afuera - Principios y práctica , Thomas Telford, Reston, VA, EE. UU., 520 p.
  • Gerwick BC, (2000) Construcción de estructuras marinas y costa afuera , CRC Press, Boca Raton, EE. UU., 657 p.
  • Hogan P., Lane A., Hooper J., Broughton A. y Romans B. (2008) Desafíos de Geohazard del desarrollo de Woodside OceanWay Secure Energy LNG, costa afuera del sur de California, Actas de la 40th Offshore Technology Conference (OTC) , documento OTC19563 , Houston.
  • Kolk HJ y Wegerif J. (2005) Investigaciones de sitios costa afuera: nuevas fronteras. En: SCM Gourvenec (Editor), Frontiers in Offshore Geotechnics , Taylor & Francis, Perth, Australia, págs. 145-161.
  • Newson TA, Bransby MF, Brunning P. y Morrow DR (2004) Determinación de los parámetros de resistencia al corte sin drenaje para la estabilidad de tuberías enterradas en arcillas blandas deltaicas, Actas de la 14a Conferencia Internacional de Ingeniería Polar y Offshore, The International Society of Offshore and Polar Engineers ( ISOPE), Toulon, págs. 38-48.
  • Palmer AC y Been K. (2011) Riesgos geológicos de oleoductos para las condiciones del Ártico. En: WO McCarron (Editor), Deepwater Foundations and Pipeline Geomechanics , J. Ross Publishing, Fort Lauderdale, Florida, págs. 171–188.
  • Peuchen LJ y Raap C., (2007) Registro, muestreo y pruebas de peligros geográficos en alta mar, Actas de la 39ª Conferencia de Tecnología Offshore (OTC) , Documento 18664, Houston.
  • Ramakrishnan TV (2008). Offshore Engineering , Gene-Tech Books, Nueva Delhi, India, 347 p.
  • Randolph M. y Gourvenec S. (2011) Ingeniería geotécnica costa afuera , Spon Press, NY, 550 p.
  • Younes AI, Gibson JL y Shipp RC (2005) Evaluación geohazard del campo Princess en aguas profundas en el noreste del Golfo de México: Ejemplo de evaluación de fallas complejas en un desarrollo submarino, Actas de la 37a Conferencia de Tecnología Offshore (OTC) , Documento 17577, Houston .
  • Zhang J. y Erbrich CT (2005) Diseño de estabilidad de tuberías sin zanjas: aspectos geotécnicos. En: SCM Gourvenec (Editor), Frontiers in Offshore Geotechnics , Taylor & Francis, Perth, Australia, págs. 623–628.