DNV-RP-N103: Modelado y análisis de operaciones marítimas

Qué es DNV-RP-N103 en detalle

DNV publica la práctica recomendada (RP) con el título Modelado y análisis de operaciones marítimas. Comenzó como DNV-RP-H103, publicada por primera vez en abril de 2009 y por última vez en febrero de 2014, y fue sustituida en julio de 2017 por DNVGL-RP-N103. Esa revisión cambió el código del documento, el nombre de la empresa y las referencias. Tras el cambio de nombre de DNV en 2021, pasó a denominarse DNV-RP-N103, modificada en septiembre de 2021. Las búsquedas y los planes de izada antiguos siguen citando RP-H103, y los métodos de esta página aparecen en ambos documentos.

DNV indica la edición vigente en la ficha RP-N103 de su web. El texto completo está en Rules and Standards Explorer de DNV, que requiere un inicio de sesión gratuito en Veracity y una suscripción de pago a Explorer+; el índice y la primera sección se pueden consultar gratuitamente, y DNV ofrece una prueba única de 14 días. Las ediciones anteriores de DNV-RP-H103 son archivos PDF gratuitos en el archivo de documentos históricos de DNV, útiles como referencia; cada proyecto utiliza la edición indicada en su base.

Qué abarca

Las secciones principales de la RP, numeradas como en el documento (la Sección 1 es la introducción):

1. Métodos generales de análisis. Olas y espectros de oleaje, y cargas de oleaje sobre estructuras grandes y pequeñas.
2. Izada a través de la zona de oleaje, aspectos generales. Las cargas sobre un objeto que atraviesa la superficie, los coeficientes hidrodinámicos, los métodos de cálculo, las izadas a través de una abertura central (moonpool) y la estabilidad.
3. Izada a través de la zona de oleaje, método simplificado. Peso estático, fuerzas hidrodinámicas, criterio de destensado de eslingas, verificaciones de capacidad y cargas de impacto. La mayoría de las verificaciones de izadas en la zona de salpicadura parten de esta sección.
4. Descenso en aguas profundas. Fuerzas en el cable, períodos naturales y resonancia del sistema de descenso, cable destensado, compensación de heave y cabos de fibra.
5. Posicionamiento en el fondo marino y recuperación. Impacto al posar, penetración de faldones, instalación por succión y nivelación, y recuperación de cimentaciones.
6. Remolque. Remolques en superficie y sumergidos.
7. Criterios meteorológicos y disponibilidad. Incertidumbre de los pronósticos, operatividad y estadísticas de persistencia.
8. Operaciones de izada. Izadas ligeras y pesadas, movimiento de la punta de grúa, acoplamiento entre buques y despegue de una barcaza.

Los apéndices proporcionan coeficientes de masa añadida y arrastre para formas habituales, así como constantes físicas. La mayoría de esos coeficientes de arrastre corresponden a un flujo estacionario. En la zona de oleaje, la RP utiliza el valor para flujo oscilatorio, normalmente entre dos y tres veces mayor; sin CFD ni ensayos con modelos, establece C_D \ge 2.5 para estructuras submarinas típicas. Nuestro artículo sobre izadas submarinas muestra cómo varían el arrastre y la masa añadida según la forma y la velocidad.

El método simplificado para izadas en la zona de salpicadura

La Sección 4 ofrece una primera estimación conservadora para un objeto que se baja a través de la zona de oleaje. Utiliza unos pocos valores característicos en lugar de una simulación completa. Supone que el objeto es pequeño en comparación con la longitud de onda, que sigue la punta de grúa sin amplificación por resonancia y que predomina el movimiento vertical relativo entre el objeto y el agua. Los números de sección que siguen corresponden a la RP.

Peso estático (4.2). El peso en el agua, calculado a partir de la masa en el aire y el volumen desplazado:

Se consideran un valor mínimo y otro máximo cuando el objeto se inunda tras sumergirse. La verificación de destensado de las eslingas utiliza el mínimo; la de capacidad utiliza el máximo.

Períodos de oleaje (4.3.2). Cuando se tiene en cuenta el período de oleaje, el análisis abarca los períodos entre cruces ascendentes por cero comprendidos entre

para una altura significativa de ola de diseño H_s. La alternativa de la RP, una cinemática de oleaje independiente del período, solo es válida para T_z \ge 10.6 \sqrt{H_s / g}; El análisis utiliza una u otra opción.

Velocidad relativa. La velocidad de descenso del gancho v_c, suele ser de 0.5 m/s y se suma a la combinación de la velocidad de la punta de grúa v_{ct} y la velocidad de las partículas de agua v_w, que el método considera independientes:

Componentes de fuerza (4.3.5 a 4.3.8). Al atravesar la superficie, actúan cuatro fuerzas sobre el objeto (Figura 1): el impacto hidrodinámico en las partes que golpean el agua, que aumenta con el cuadrado de la velocidad de impacto; el arrastre, que depende del cuadrado de la velocidad relativa; la fuerza de masa, que combina la masa del objeto más la masa añadida, aceleradas con la punta de grúa, (M + A_{33})\, a_{ct}, con la masa de agua desplazada más la masa añadida, aceleradas por las olas, (\rho V + A_{33})\, a_w; y la flotabilidad variable, \rho g\, \delta V, a medida que la superficie del agua sube y baja respecto al objeto.

El impacto hidrodinámico y el arrastre actúan en fase, mientras que la fuerza de masa y la flotabilidad variable actúan con un desfase de 180°, por lo que el método los combina según (4.3.9)

y la fuerza total característica sobre el objeto es (4.4.2)

Un objeto largo, como un tramo de tubería prefabricado, cuyas cargas varían entre eslingas, requiere un análisis más detallado.

Eslingas destensadas y cargas de impacto

Si la fuerza hidrodinámica empuja el objeto hacia arriba con más intensidad de la que su propio peso tira hacia abajo, las eslingas se destensan y poco después vuelven a tensarse bruscamente. El método simplificado lo evita mediante el criterio de destensado de eslingas (4.4.3):

Esto deja un margen del 10 % antes de que las eslingas se destensen. La verificación utiliza el peso estático mínimo y las fuerzas hidrodinámicas ascendentes. Los criterios meteorológicos de la izada se fijan de modo que se cumpla la condición.

Cuando no se pueden evitar las cargas de impacto, la RP calcula su magnitud (4.7) a partir de la velocidad asociada al impacto, la rigidez K del sistema de izada y la masa del objeto con su masa añadida en heave:

La fuerza total es entonces F_{\text{static}} + F_{\text{snap}}. La misma fórmula cubre el impacto al despegar de una cubierta en movimiento.

Para la verificación de capacidad (4.4.4), la RP toma la mayor fuerza total con el peso estático máximo, F_{\text{static,max}} + F_{\text{hyd}} o F_{\text{static,max}} + F_{\text{snap}}, y la convierte en un factor aplicado al peso en el aire para la norma de izada:

Nuestro artículo sobre el factor de amplificación dinámica analiza con más detalle la carga de impacto y el DAF.

Cómo se incorpora un compensador de heave

En el método simplificado, el compensador de heave se incorpora en un único punto: como resorte blando en la rigidez del sistema de izada K (4.3.3.4). Esto reduce la carga de impacto. La menor rigidez también alarga el período natural del sistema de izada,

donde m L es la masa del cable de izada y \theta es un factor que representa su efecto. Por ello, la RP incorpora el compensador del mismo modo al evaluar el riesgo de resonancia. La amplificación por resonancia en sí queda fuera del método simplificado, que tampoco atribuye al compensador una reducción del movimiento transmitido al objeto; ambos aspectos requieren un análisis en el dominio del tiempo.

La RP también establece un límite (4.7.7): un compensador pasivo no debe agotar su carrera, ya que esto puede provocar cargas máximas muy elevadas y el fallo del sistema de izada. La carrera disponible se verifica para cada caso de carga, alrededor de una posición de equilibrio que cambia al variar el peso estático entre el aire y el agua, considerando el agua atrapada durante la recuperación y, cuando corresponda, la presión del agua sobre el pistón.

Más allá del método simplificado

Cuando el método simplificado indica riesgo de cargas de impacto, el objeto es grande en comparación con las olas o la izada está próxima a la resonancia, la RP remite a métodos más precisos (Sección 3): un enfoque basado en una ola de diseño regular, análisis en el dominio del tiempo con oleaje irregular y CFD para el flujo local. Un modelo en el dominio del tiempo sigue toda la izada, incluidos el cable, los aparejos y cualquier compensador, y presenta las tensiones, los movimientos y la carrera como series temporales. Ahí es donde se reconoce la reducción del movimiento del objeto debida al compensador, como hace CONSTELLATION en sus simulaciones.

Cómo la RP-N103 contribuye al dimensionamiento del compensador

El análisis proporciona las cargas y los movimientos; a partir de ellos se dimensiona el compensador:

La propia RP modela un compensador pasivo en la Sección 5.4 como un resorte y un amortiguador situados en la punta de grúa, por encima del cable, y lo evalúa mediante su eficiencia, e = 1 – |G(\omega)|, donde G(\omega) es la relación entre el movimiento del objeto y el movimiento en el extremo superior del compensador. DNV-RP-N202, la práctica recomendada de DNV para sistemas de compensación de heave (edición 2024-06), trata el propio compensador cuando así lo establece el proyecto. Nuestro artículo sobre compensación pasiva de heave muestra cómo la carrera y el volumen de gas determinan la respuesta.