Cargas dinámicas en izados offshore

Cuando el mar se mueve, la carga del gancho supera el peso estático.

Factor de amplificación dinámica (DAF)

Q: ¿Cómo se calcula el DAF?

Una estimación preliminar de la punta de pluma es DAF = 1 + a_heave/g, donde a_heave es la aceleración vertical máxima en la punta de pluma. No tiene en cuenta la rigidez de los aparejos, la masa añadida, el arrastre ni el impacto de entrada, por lo que un pico de snap load puede ser mucho mayor.

¿Qué es el factor de amplificación dinámica?

El Factor de amplificación dinámica (DAF) es la relación entre la carga dinámica máxima y la carga estática durante una operación de izado. Un DAF de 1.0 significa que no hay efecto dinámico — la grúa solo ve el peso estático de la carga útil. Un DAF de 2.0 significa que la carga dinámica máxima es el doble del peso estático.

Aplicación práctica: Para la aplicación práctica de este tema, consulte el amortiguador de impactos para grúas POLARIS y estudios y análisis de ingeniería.

En los izados offshore, las olas hacen que la punta de pluma se mueva arriba y abajo mientras la carga útil cuelga debajo. Este movimiento relativo genera fuerzas dinámicas en el sistema de izado: picos de tensión cuando la punta de pluma acelera hacia arriba y holgura cuando desciende. El DAF expresa cuánto mayores son estas fuerzas dinámicas frente a un izado en aguas tranquilas.

Los valores típicos de DAF para izados offshore sin compensación oscilan entre 1.2 y 2.5, según el estado de la mar, la rigidez de la grúa y la longitud de la eslinga. Con un compensador de heave instalado, el DAF puede reducirse a 1.05–1.3, lo que permite que grúas más pequeñas icen la misma carga útil o que la misma grúa opere con mar más gruesa.

¿Qué causa el DAF en izados reales con grúa?

En los izados reales con grúa, el DAF suele deberse al movimiento relativo. La punta de pluma, el gancho, el cable, las eslingas y la carga útil no se mueven todos a la vez. Cuando el sistema absorbe bruscamente ese movimiento, el cable y los aparejos se comportan como resortes y la diferencia de velocidad se convierte en un pico de tensión.

Izado desde cubierta de buque de suministro. Un contenedor de carga en un buque de suministro sigue el heave y el balanceo de la embarcación, mientras que la punta de pluma sigue a la embarcación grúa o plataforma. Si el gancho sube mientras la cubierta o el contenedor bajan, la eslinga puede pasar de estar floja o poco tensa a soportar toda la carga en una fracción de segundo. Esta snap load (carga de tirón brusco) puede ser muy superior al peso estático del contenedor.

Paso por la zona de salpicadura. Durante un paso por la zona de salpicadura, el empuje, el arrastre, la masa añadida y la velocidad de las partículas de ola cambian rápidamente a medida que la carga útil atraviesa la superficie libre. La carga del gancho puede subir y bajar con rapidez, especialmente cuando la dinámica de la grúa, el cable y la carga útil coincide con el periodo del oleaje.

Otros desencadenantes habituales incluyen el despegue repentino desde cubierta, el impacto de aterrizaje, enganches, movimientos rápidos de grúa, paradas de emergencia y resonancia en el sistema grúa-cable-carga útil.

Snap loads: el peor caso de DAF

Los eventos de DAF más violentos son las snap loads: la eslinga queda floja y después se tensa súbitamente. Mientras el cable está flojo, el gancho y la carga útil se mueven de manera independiente; al tensarse, la diferencia de velocidad debe ser absorbida por el estiramiento del cable casi de inmediato. Para una carga útil de masa m (más masa añadida m_A si está sumergida) en aparejos de rigidez k, el pico de tensión por encima de la carga cuasiestática es aproximadamente

F_{\text{snap}} = v_{\text{rel}} \sqrt{k \, (m + m_A)}

donde v_rel es la velocidad relativa en el momento en que el cable vuelve a tensarse. En la fórmula se ven ambas palancas de diseño: reducir el desajuste de velocidad (movimiento de grúa más lento, sistemas de compensación de heave, mejores condiciones meteorológicas) o reducir la rigidez efectiva k (un amortiguador de impactos para grúas POLARIS). Los aparejos rígidos son perjudiciales en este caso: duplicar k aumenta la fuerza de snap en 41% para el mismo desajuste de velocidad. DNV-RP-N103 establece los criterios sobre cuándo deben evaluarse las snap loads y cómo se calcula el pico; la mitigación práctica que indica es mantener el cable en tensión durante todo el ciclo de ola, que es precisamente lo que hace un compensador de heave pasivo.

Figura 2: snap load al despegue desde cubierta, simulación ilustrativa de 1 grado de libertad: carga útil de 20 t, rigidez de izado de 4 MN/m, velocidad relativa de 1.5 m/s al acoplarse, heave de la punta de pluma ζ = 1.0 m, T = 7 s. Los aparejos sin protección (azul marino) presentan un pico de 3.2× y ciclos repetidos de holgura-snap; un amortiguador de impactos con resorte de gas precargado y amortiguamiento (rojo) realiza el mismo despegue a 1.28× la carga estática. Modelo ilustrativo, no cálculo certificado.

Cómo reducir el DAF

Amortiguadores de impactos para snap loads. Un amortiguador de impactos para grúas POLARIS añade carrera y amortiguamiento entre la grúa y la carga útil. Absorbe la energía cinética de un único evento de impacto —despegue desde cubierta, snap load, sobrecarga— antes de que se convierta en carga máxima de grúa. Necesita tiempo para restablecerse después de un evento, por lo que para ciclos repetidos de holgura-snap en la zona de oleaje se debe usar compensación de heave.
Compensación pasiva de heave para el paso por la zona de salpicaduras. Un compensador de heave pasivo reduce el movimiento relativo entre el gancho de la grúa y la carga útil submarina. Esto mantiene una tensión más uniforme en los aparejos al atravesar la zona de salpicadura y reduce la amplificación dinámica que soporta la grúa.
Elija el compensador según la operación. RIGEL y CYGNUS cubren casos pasivos más sencillos, mientras que ANTARES se utiliza para izados submarinos complejos o de varias etapas con empuje variable.
Controle tanto el izado como el equipo. Reduzca la velocidad de la grúa, evite estados de la mar resonantes, planifique ventanas meteorológicas y utilice procedimientos de despegue suave. El equipo reduce el DAF, pero la operación sigue determinando las condiciones iniciales.

Para elegir el producto, empiece por la guía de selección de compensadores de heave o compare la demanda de la grúa en la tabla de cargas de la grúa.

Cómo calcular el DAF

La estimación más sencilla del DAF procede de DNV-OS-H205 (ahora DNV-ST-N001), que establece:

DAF = 1 + \frac{a_{heave}}{g}

donde a_heave es la aceleración vertical máxima en la punta de pluma y g es la aceleración gravitatoria (9.81 m/s²). Para un movimiento sinusoidal de heave con amplitud ζ y periodo T:

a_{heave} = ζ \times {(\frac{2 π}{T})}^{2}

Por ejemplo, con una amplitud de heave de 1.5 m y un periodo de 8 s:

a_{heave} = 1.5 \times {(\frac{2 π}{8})}^{2} = 0.93 m/s²

→

DAF = 1 + \frac{0.93}{9.81} = 1.09

Este es solo el DAF de la punta de pluma; el DAF del gancho suele ser mayor porque la eslinga y la carga útil forman un sistema masa-resorte que amplifica el movimiento de la punta de pluma, especialmente cerca de la resonancia.

Figura 1: la estimación de la punta de pluma

DAF = 1 + \frac{ζ {(\frac{2 π}{T})}^{2}}{g}

en función del periodo del oleaje. El factor (2π/T)² domina: reducir el periodo a la mitad cuadruplica la parte dinámica (DAF − 1); el mismo heave de 1.5 m que da un DAF de 1.09 con T = 8 s da 1.38 con T = 4 s. Los valores de diseño en aire también deben respetar los mínimos de Table 16-1 de DNV-ST-N001, escalonados por peso (offshore: de 1.25 a 1.10 a medida que aumenta la carga de gancho). Los izados submarinos no tienen un mínimo fijo: su DAF se calcula conforme a Section 16.17 con métodos de DNV-RP-N103, donde un compensador reduce directamente el resultado.

Los cálculos de DAF más precisos exigen modelar el sistema dinámico completo: rigidez de la pluma de la grúa, elasticidad del cable metálico, fricción de las poleas, disposición de eslingas y propiedades hidrodinámicas de la carga útil. Herramientas como OrcaFlex se utilizan habitualmente para ello.

Rangos típicos de DAF

Escenario de izado	Sin compensación	Con compensación	Factor principal
Izado offshore general	1.2 – 2.5	1.05 – 1.3	heave de punta de pluma y rigidez de los aparejos
Izado submarino	calculado	calculado — el compensador lo reduce directamente	DNV-ST-N001 Section 16.17 con DNV-RP-N103 — sin mínimo fijo; tensiones de los cables ≥ 10% de la estática
Snap / despegue (peor caso)	hasta ~3.2× (ilustrativo)	~1.28× (amortiguador de impactos)	holgura seguida de snap en el cable

La compensación pasiva reduce el intervalo de DAF hacia el peso estático

Izado offshore general · rango de DAF (× peso estático)

Sin compensaciónCon compensación pasiva

Rangos indicativos antes del análisis de diseño; el DAF de base de diseño para un izado específico procede de un análisis completo.

DAF por escenario de izado

En offshore, el DAF se divide en dos regímenes de mitigación: un problema repetido de heave por ciclos de ola y un único evento de impacto o snap; cada uno requiere una respuesta distinta.

Simulación CONSTELLATION de un compensador de heave pasivo atravesando la zona de salpicadura

Paso por la zona de salpicadura

Cruce de la superficie del agua

Al entrar en la zona de salpicadura, el impacto de entrada, el empuje variable y las snap loads actúan casi a la vez. La compensación pasiva de heave mantiene tensa la eslinga y reduce la parte del DAF debida al movimiento de la grúa; el impacto de entrada en el agua sigue siendo una comprobación hidrodinámica (DNV-RP-N103).

Factores: impacto de entrada · empuje variable · heave de punta de pluma

Manténgalo bajo con: compensación pasiva de heave

RIGEL básico ANTARES adaptativo CYGNUS pesado / aguas profundas Ver paso por la zona de salpicadura →

Simulación CONSTELLATION de una penetración descontrolada del pilote con un amortiguador de impactos para grúas

Penetración descontrolada del pilote y descenso

Descenso de un pilote o estructura pesada

Al descender rápidamente un pilote largo u objeto pesado, un evento de holgura seguida de snap o de impacto en la punta de pluma provoca el pico: una subida brusca y breve, en vez de un heave por ciclos de ola.

Factores: snap / carga de impacto · velocidad de descenso · rigidez de los aparejos

Limite el pico con: un amortiguador de impactos para grúas

POLARIS amortiguador de impactos para grúas Ver protección ante penetración descontrolada del pilote →

Una herramienta simula ambos casos. CONSTELLATION modela la dinámica de la zona de salpicadura y de la penetración descontrolada del pilote, así como el DAF, antes de que el izado abandone la cubierta. Simule su izado →

Vea el DAF antes del izado

Ejecuciones reales de CONSTELLATION para los dos escenarios: las curvas de tensión y carga que muestran el DAF y cómo lo controla el equipo.

Gráfico CONSTELLATION de tensión frente a tiempo para un izado en zona de salpicadura con compensación pasiva, sin holgura ni snap

Gráfico CONSTELLATION de carga frente a tiempo para una penetración descontrolada del pilote con y sin un amortiguador de impactos para grúas

Estime su DAF

Estado de la mar (H_s) Periodo de pico (T_p) Respuesta de la punta de pluma Aparejos / despliegue

1.22

DAF estimado

Heave de punta de pluma ζ ≈ 1.0 m; amplificación de aparejos ≈ 3.5×. Estimación preliminar del DAF del gancho — recoge el movimiento de la punta de pluma y la resonancia de los aparejos (el DAF alcanza picos cuando el periodo del oleaje coincide con el periodo natural de los aparejos T_n), pero no la masa añadida, el arrastre ni el impacto de entrada de la zona de salpicadura, por lo que un pico de snap load puede ser aún mayor. Para el DAF de base de diseño, encargue un estudio CONSTELLATION.

Resonancia: el DAF alcanza picos cuando el periodo del oleaje coincide con sus aparejos

DAF frente al periodo del oleaje para su estado de la mar y aparejos · punto sólido = su periodo del oleaje · línea discontinua = el periodo natural de los aparejos T_n

Movimiento de punta de pluma amplificado por la transmisibilidad de los aparejos:

DAF = 1 + \frac{ζ {(\frac{2 π}{T})}^{2}}{g} \cdot TR

— TR alcanza su máximo cuando el periodo del oleaje T coincide con el periodo natural de los aparejos T_n.

DAF: preguntas frecuentes

¿Cuál es el DAF típico para un izado offshore?

Para un izado offshore general, el DAF suele situarse entre 1.2 y 2.5 sin compensación, y entre 1.05–1.3 con compensación pasiva de heave. Los izados en aire deben respetar los mínimos de Table 16-1 de DNV-ST-N001, escalonados por peso (offshore: de 1.25 a 1.10 a medida que aumenta la carga de gancho); los izados submarinos no tienen un mínimo fijo: su DAF se calcula conforme a Section 16.17 con métodos de DNV-RP-N103. El valor de diseño para un izado específico procede de un análisis completo.

¿Cómo se calcula el DAF?

Una estimación preliminar de la punta de pluma es

DAF = 1 + \frac{a_{heave}}{g}

, donde a_heave es la aceleración vertical máxima en la punta de pluma. No tiene en cuenta la rigidez de los aparejos, la masa añadida, el arrastre ni el impacto de entrada, por lo que un pico de snap load puede ser mucho mayor.

¿Qué es una snap load?

Una snap load es el pico impulsivo que se produce cuando un cable queda flojo y después se tensa súbitamente — el peor desencadenante del DAF, capaz de alcanzar varias veces la carga estática en una penetración descontrolada del pilote o en un despegue.

¿Cuánto reduce el DAF la compensación pasiva de heave?

Al mantener el cable en tensión y absorber el movimiento de la punta de pluma, la compensación pasiva suele reducir un DAF de 1.2–2.5 hacia 1.05–1.3 para izados en zona de salpicadura y submarinos.

DAF y selección de compensadores de heave

El principal beneficio de ingeniería de un compensador de heave es la reducción del DAF. Al desacoplar la carga útil del movimiento de la punta de pluma, el compensador absorbe las fuerzas dinámicas que, de otro modo, se transmitirían por el sistema de izado.

Un compensador de heave pasivo suele eliminar entre el 70–95% de la amplificación dinámica — la parte de la carga del gancho por encima del peso estático — de modo que un izado que vería un DAF de 2.0 sin compensación (un aumento dinámico del 100%) desciende al rango de 1.05–1.3 con compensación. Esto tiene implicaciones directas en el coste:

Menor capacidad de grúa necesaria para la misma carga útil
Más amplias ventanas meteorológicas — ice en Hs 2.5 m en lugar de Hs 1.0 m
Menor riesgo de sobrecarga de eslingas y caída de objetos
Menores cargas dinámicas sobre estructuras submarinas durante el aterrizaje

Para izados submarinos pesados donde el control del DAF es crítico, un compensador pasivo adaptativo como ANTARES ofrece el mejor equilibrio entre reducción del DAF y simplicidad operativa.

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