Modelos de predicción de esfuerzos hidrodinámicos y socavación aplicados a ingeniería offshore

Resumen

Los parques eólicos offshore permiten generar una mayor cantidad de energía que sus equivalentes onshore. Sin embargo, el diseño, construcción, mantenimiento y operación de estos parques offshore, lleva asociado un importante incremento de costes debido a la dificultad de posicionar una estructura de este tipo en medio del mar en vez de en tierra firme. La tendencia actual que está sufriendo este campo es la de posicionar estructuras cada vez más grandes, a profundidades mayores y a una mayor distancia de la costa. Por lo tanto, es fundamental el poder establecer un modelo de cálculo preciso que permita estimar las acciones generadas por el oleaje sobre las estructuras y sus respectivas cimentaciones. De esta forma, la energía eólica offshore podrá continuar creciendo y se podrán instalar nuevos parques, cada vez, en zonas más profundas y alejadas de la costa, donde la producción energética será también mayor. La acción del oleaje presenta el inconveniente de que su correcta determinación está plagada de incertidumbres que obligan al ingeniero diseñador a considerar escenarios de diseño sobredimensionados, en la mayor parte de los casos, como solución paliativa de las posibles imprecisiones del cálculo. Además, incluso aunque la caracterización de las cargas se realice de forma precisa, es necesario considerar todos los efectos de interacción entre el oleaje y la estructura, así como los problemas que surgirán sobre su cimentación. Efectos que tendrán como límite intrínseco su dificultad de cálculo y su importante coste computacional. La presente Tesis Doctoral se centra en resolver todos estos problemas, en relación con el correcto cálculo de estructuras offshore, arrojando luz sobre las distintas incertidumbres que condicionan el problema y aportando un nuevo método avanzado de cálculo, que será comparado con el análisis tradicional, permitiendo dimensionar de forma más precisa todos los elementos de la estructura que va a ser el soporte del aerogenerador. Este método de cálculo avanzado ha sido desarrollado como una herramienta de software compacta que ha permitido integrar todos los elementos intervinientes en el diseño de estructuras offshore frente a cargas hidrodinámicas en un único modelo numérico de gran eficiencia y potencia, estableciendo así una solución general, válida para el dominio físico al completo. En la elaboración de esta herramienta se ha realizado una profunda revisión del estado del conocimiento, que ha permitido extractar las principales teorías actuantes para caracterizar cada uno de los fenómenos que intervienen en el proceso y, ha permitido detectar las deficiencias y debilidades que presentan cada una de ellas, definiendo así sus rangos válidos de aplicación. Por otro lado, ha sido posible el realizar la introducción de variables, nunca antes incluidas de forma explícita en este tipo de cálculos, como la temperatura y la salinidad del agua. Además, se ha desarrollado una nueva formulación de cálculo para incluir los efectos dinámicos vibratorios en el cálculo del comportamiento estructural para los primeros 25 modos de vibración. Esta nueva formulación y su implantación mediante algoritmos de alta eficiencia han permitido realizar la propuesta de un método de cálculo que permita incorporar en el análisis los efectos de acoplamiento entre el oleaje y la estructura, sin dilatar el tiempo de cálculo de una forma excesiva y sin perder potencia o precisión en los resultados obtenidos. Por último, se ha propuesto una modificación de una de las teorías más utilizadas y contrastadas para la evaluación de la máxima profundidad de socavación en equilibrio y se ha demostrado que dicha aportación ha reducido el error existente entre los valores teóricos de cálculo, y los valores procedentes de las mediciones reales realizadas en campo. Además, la utilización de esta herramienta ha permitido posteriormente, la realización de una profunda reflexión comparativa, para detectar los principales errores y las limitaciones que presenta el método de cálculo más simplificado y tradicional, con respecto a este nuevo método de cálculo avanzado, así como la afección que dichas limitaciones presentan sobre las estructuras construidas hoy en día, con mayores diámetros y a mayores profundidades.