Izajes submarinos
Por Peter Wang, COO · Diciembre 2025
Los izajes submarinos se encuentran entre las operaciones offshore más complejas, requiriendo una planificación cuidadosa para tener en cuenta las fuerzas hidrodinámicas que actúan sobre la carga mientras se mueve a través del agua. Los dos efectos más significativos son la resistencia y la masa añadida, ambos aumentan el peso efectivo y las cargas dinámicas sobre la grúa y los equipos de izaje.
Comprender estas fuerzas es fundamental para seleccionar el compensador de heave adecuado y asegurar que la grúa tenga suficiente capacidad para la operación.
¿Cómo afecta la resistencia a un izaje submarino?
La resistencia en un izaje submarino es similar a la resistencia de un automóvil debido a la resistencia del aire y varía con el cuadrado de la velocidad. La magnitud de la fuerza de resistencia depende del área perpendicular al movimiento así como del coeficiente de resistencia (que también conocemos de los automóviles que compiten por tener coeficientes de resistencia cada vez más bajos para aumentar la autonomía). La principal diferencia respecto a un automóvil, sin embargo, es que el fluido es agua y no aire, que tiene una densidad de masa 1000 veces mayor, lo cual es otro factor en la fuerza de resistencia.
F_D = \rho_w C_D A_\perp \dot z |\dot z|
Donde C_D es el coeficiente de resistencia (más información disponible en DNV RP-N103, algunos ejemplos mostrados a continuación) y \dot z es la velocidad vertical de la carga.
| Shape | C_D | A_{\perp} | Notes |
|---|---|---|---|
| Sphere | C_D = 0.5 | A_{\perp} = \pi r^2 | |
| Horiontal Cylinder | C_D = 1.2 | A_{\perp} = 2 r L | |
| Vertical Cylinder | \frac{L}{2r}=0.5 \Rightarrow C_D=1.1 \frac{L}{2r}=1 \Rightarrow C_D=0.9 \frac{L}{2r}=2 \Rightarrow C_D=0.9 \frac{L}{2r}=4 \Rightarrow C_D=0.9 \frac{L}{2r}=8 \Rightarrow C_D=1.0 | A_{\perp} = \pi r^2 | |
| Cube | C_D = 1.05 | A_{\perp} = a^2 | Face normal to flow. |
| Cone | C_D = 0.50 | A_{\perp} = \pi r^2 | Pointed tip aligned with flow; dependent on cone angle. |
| Rectangular Plate | C_D = 1.1+0.02 (\frac{L}{W}+\frac{W}{L}) | A_{\perp} = L W | Normal to flow. |
Hagamos un ejemplo práctico para tener una idea de la relevancia. Suponga que está izando una carga con forma de placa rectangular de 15 m de largo y 10 m de ancho. El período de ola es de 8 segundos y la altura de ola es de 4 m, asumiendo olas sinusoidales. ¿Cuál será la magnitud de la fuerza?
Primero encontremos la velocidad pico; el movimiento de la ola se expresa como
z = \zeta \cos(\omega t)Dado que \omega = \frac{2 \pi}{T_p} tenemos una velocidad pico de 1,57 m/s.
Podemos entonces calcular el coeficiente de resistencia como:
C_D = 1.1 + 0.02 \left( \frac{15}{10} + \frac{10}{15} \right) = 1.14
Nuestra área de resistencia es:
A_\perp = 10 \cdot 15 = 150 \,\mathrm{m^2}¿Cómo afecta la masa añadida a un izaje submarino?
La masa añadida en un izaje submarino es muy importante ya que puede causar gran inercia adicional, lo que a su vez puede causar grandes fuerzas dinámicas. Esto se debe a que cuando una carga oscila en el agua debido al movimiento de heave, también debe acelerar el agua circundante, y matemáticamente se expresa como:
m_A = \rho_w C_A V_R
Donde C_A es el coeficiente de masa añadida (disponible en DNV RP-N103, algunos ejemplos a continuación) y V_R es el volumen de referencia.
| Shape | C_A | V_R | Notes |
|---|---|---|---|
| Sphere | C_A = 0.5 | V_R = \frac{4}{3}\pi r^3 | Constant in all directions. |
| Cylinder | \frac{L}{2r}=1.25 \Rightarrow C_A=0.62 \frac{L}{2r}=2.5 \Rightarrow C_A=0.78 \frac{L}{2r}=5 \Rightarrow C_A=0.90 \frac{L}{2r}=9 \Rightarrow C_A=0.96 \frac{L}{2r}=\infty \Rightarrow C_A=1.00 | V_R = \pi r^2 L |
Vertical motion along cylinder axis in infinite fluid. |
| Rectangular Plate |
\frac{L}{W}=1 \Rightarrow C_A=0.58 \frac{L}{W}=2 \Rightarrow C_A=0.76 \frac{L}{W}=4 \Rightarrow C_A=0.87 \frac{L}{W}=8 \Rightarrow C_A=0.93 \frac{L}{W}=\infty \Rightarrow C_A=1.00 | V_R = \frac{\pi}{4}W^2 L | Motion normal to surface. |
| Circular Disc | C_A = \frac{2}{\pi} | V_R = \frac{4\pi}{3} r^3 | Motion normal to surface. |
| Square Prism |
\frac{L}{W}=1 \Rightarrow C_A=0.68 \frac{L}{W}=2 \Rightarrow C_A=0.36 \frac{L}{W}=4 \Rightarrow C_A=0.19 \frac{L}{W}=10 \Rightarrow C_A=0.08 | V_R = W^2 L | Prismatic body with square base. |
Hagamos otro ejemplo práctico. Suponga que está izando una carga con forma de placa rectangular de 20 m de largo y 10 m de ancho. El período de ola es de 8 segundos y la altura de ola es de 4 m, asumiendo olas sinusoidales. ¿Cuál será la fuerza debida a la masa añadida?
Necesitamos encontrar la aceleración máxima (derivada de la velocidad como se mostró en el ejemplo de resistencia), que viene dada por:
Por lo tanto, la aceleración máxima es:
A continuación, el coeficiente de masa añadida es 0,36 y nuestro volumen de referencia es 2000 metros cúbicos. Podemos entonces calcular la fuerza usando:
F=m a=1025 \cdot 0.36 \cdot 2000 \cdot 1.23=98 \mathrm{t}Tenga en cuenta que para izajes submarinos cerca del fondo marino, la masa añadida puede aumentar debido al confinamiento.
