Protección contra el descenso descontrolado del pilote

Qué es un descenso descontrolado del pilote

Los pilotes marinos se colocan en un bastidor guía o una pinza de pilotes y se hincan en el lecho marino con un martillo hidráulico. Entre golpes, la fricción a lo largo del fuste y la resistencia en la punta sostienen el pilote. Cuando la punta pasa de una capa más resistente a otra débil, como arena suelta o arcilla blanda bajo una capa más firme, esa resistencia puede quedar por debajo del peso del pilote y el martillo. Entonces, ambos aceleran por su propio peso. Los sondeos y los ensayos de penetración de cono (CPT) permiten localizar esas capas; un análisis del descenso descontrolado compara la resistencia del suelo con ese peso y calcula hasta dónde y a qué velocidad podría descender el pilote.

La carrera del amortiguador no es la distancia que recorre el pilote a través del suelo. Es el desplazamiento entre las propias conexiones del amortiguador mientras se detienen el pilote y el martillo; el modelo de izado relaciona ambas distancias.

Efecto sobre la grúa

Una masa en movimiento m a una velocidad v tiene una energía \tfrac{1}{2} m v^2. El pilote y el martillo del estudio, con una masa conjunta de 1,500 t, a 5.0 m/s, tienen una energía de 18.75 MJ. Si los detiene una conexión con rigidez k que se tensa a esa velocidad, la energía cinética y el trabajo realizado por el peso mientras la conexión se estira se emplean en deformarla; la fuerza máxima es

donde W es el peso de la masa en movimiento. Cuanto más rígida sea la trayectoria de carga, mayor será el pico. El cabrestante de la grúa, su cable y los aparejos son rígidos; por ello, una detención rígida exige a la grúa mucho más que la carga estática (un valor elevado de DAF), y el cable puede destensarse y volver a tensarse bruscamente mientras se amortiguan las oscilaciones de la carga. Un amortiguador introduce un elemento flexible en esa trayectoria: su resorte de gas eleva la fuerza hasta un valor ajustado y la válvula la mantiene cerca de él mientras detiene la carga.

Con y sin POLARIS

En nuestro estudio comparativo con CONSTELLATION CS-2026-005, un pilote de 1,200 t con un martillo de 300 t sujeto a su cabeza se mueve a 5.0 m/s, mientras el cable ya sostiene el peso de ambos. El modelo se ejecuta dos veces con el mismo conjunto de parámetros: una con una conexión rígida y otra con un POLARIS de 2,000 t y 6.0 m de carrera.

El descenso amortiguado se contrastó con un solucionador independiente. Como el cable ya sostiene el peso, la expresión analítica para este caso es W + v\sqrt{k m}; y sitúa el pico de la conexión rígida entre 34.2 MN, considerando la deformación de la propia grúa, y 44.8 MN, con una grúa rígida. Si las eslingas empezaran destensadas, el pico sería mayor; si el martillo estuviera apoyado libremente sobre el pilote, el cable solo frenaría el martillo. Leer el estudio de detención del descenso del pilote →

Dimensionamiento del amortiguador

Hay que cumplir tres requisitos para el descenso más desfavorable que sea creíble, no solo para el esperado:

1. Energía. La energía cinética de la masa en movimiento cuando el cable la recoge: 18.75 MJ en el estudio. El peso sigue tirando mientras el amortiguador recorre su carrera, por lo que solo la fuerza que supera ese peso desacelera la carga.
2. Fuerza máxima. La fuerza que pueden soportar la grúa, el cable, los aparejos y el martillo. El ajuste de la válvula queda entre el peso y ese límite: en el estudio, 18.0 MN, entre 14.7 MN y la SWL de 24.5 MN de la grúa.
3. Carrera. El recorrido necesario para que la fuerza por encima del peso absorba la energía cinética, con margen al final. Si el amortiguador llega al tope de carrera, deja de proteger la grúa.

En los 4.98 m de carrera utilizados en el estudio, el amortiguador absorbió los 18.75 MJ de energía cinética más unos 73 MJ de trabajo realizado por el peso. Nuestro artículo sobre amortiguación de impactos en grúas ofrece una primera estimación de la carrera a partir de la energía y el pico permitido; con el DAF de 1.43 alcanzado en el estudio, indica 5.85 m, y la unidad de 6.0 m utilizó 4.98 m. Después, un modelo en el dominio del tiempo de la grúa, los aparejos, el amortiguador, el martillo y el pilote confirma el pico.

Planificación del riesgo de descenso descontrolado del pilote

El riesgo de descenso descontrolado del pilote se evalúa al planificar la hinca. Un análisis basado en los datos del suelo determina los escenarios de descenso creíbles, cada uno con una distancia y una velocidad. Las masas del pilote y del martillo permiten calcular su energía, y la tabla de cargas de la grúa establece la fuerza que puede soportar. Estos datos determinan la energía, la fuerza y la carrera necesarias para el amortiguador.

Los aparejos importan tanto como el amortiguador. POLARIS cuelga en línea en el aparejo de la grúa y unas eslingas flexibles unen el extremo de su vástago al martillo. Durante la hinca cuelgan destensadas y el vástago permanece retraído; así, el peso y los golpes del martillo nunca pasan por el amortiguador y toda su carrera queda disponible si el pilote desciende de forma descontrolada.

El peso del propio amortiguador también cuenta para la tabla de cargas de la grúa durante el izado. POLARIS integra un pequeño volumen de gas y válvulas diseñadas mediante CFD en un único cilindro hidráulico, sin acumuladores externos ni válvulas de aguja, por lo que tiene poco peso para su capacidad: de 75 a 4,000 t, con una carrera de 1.0 a 8.0 m.