Cargas Hidrodinámicas sobre estructuras marítimas

01/2012

“METODOLOGÍA PARA LA ESTIMACIÓN DE FUERZAS

HIDRODINÁMICAS EN ESTRUCTURAS DE TUBERÍA SOBRE

SOPORTE DE PILOTES”

ALEX LOBOS ASTUDILLO Ingeniería Civil Oceánica

Ports and Marine Terminals Engineering Department

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FUNDAMENTOS

PRELIMINARES

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OBJETIVOS DE LA METODOLOGÍA

Implementar teoría de oleaje irregular en los estudios de diseño, para la

obtención de mejores resultados de los estados de cargas hidrodinámicas en

la estructura.

Establecer una metodología de estimación de cargas hidrodinámicas en base

a la ecuación de Morison y elaborar las matrices de fuerzas para cada estado

de elevación de la ola.

Implementar el ajuste de los coeficientes de Morison para la obtención de

resultados óptimos según sea el caso.

Implementar una herramienta de cálculo que ayude al diseñador a reducir los

tiempos de cálculo.

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ANTECEDENTES GENERALES

• Topografía detallada de la zona de arranque de la obra

• Batimetría detallada de la zona del proyecto.

• Información de suelos de fondo marino, sedimentos y granulometría de este.

• Corrientes marinas.

• Clima de oleaje local y en aguas profundas.

• Vientos.

• Mareas.

• Información de la columna de agua en la zona de captación.

• Estructura que sostendrá la línea de succión.

Para el correcto desarrollo de este tipo de proyectos, se deben considerar los

siguientes antecedentes:

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CONCEPTOS

“CONDICIONES NATURALES”

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CONDICIONES NATURALES

1. MAREAS

• Marea Astronómica

• Marea Meteorológica (Presión –

“Wind Set Up”

Tipos de Marea

Se recomienda considerar para efectos de diseño:

• Pleamar máxima astronómica

• Nivel medio del mar

• Bajamar mínima

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2. OLEAJE PROGRESIVO

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Por lo general, el oleaje asociado a estructuras emplazadas en las cercanías de

la costa corresponde un oleaje tipo Swell más un porcentaje de oleaje de

Generación local (Sea).

Básicamente, el estudio de oleaje para las condiciones de diseño comprende

dos tipologías, que tienen el objetivo de obtener valores máximos de posibles

alturas de olas y sus parámetros de resumen asociados, a las que se puede

enfrentar el proyecto:

• Estudio de clima medio (Condiciones operacionales)

• Estudio de clima extremo (Condiciones de diseño)

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3. CINEMÁTICA DEL OLEAJE

La comprensión de la cinemática del oleaje es fundamental para poder

caracterizar de buena manera las condiciones de velocidades y aceleraciones

orbitales que describe la propagación del oleaje progresivo.

Con el paso de una ola por un punto se generan movimientos de las partículas

que cambian continuamente. Mientras que una partícula en la cresta de una ola

se mueve en la dirección de propagación de la misma, otra partícula en su seno

lo hace en sentido contrario.

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4. CORRIENTES

• Para efectos del diseño del sifón de captación sobre estructura de pilotes, si

las máximas velocidades registradas son muy pequeñas, no se consideran

las fuerzas generadas por corriente sobre la tubería horizontal debido a que

se encuentra elevada sobre el nivel del mar.

• Por otro lado, si las máximas velocidades de corriente registradas son

inferiores a las del oleaje, entonces las fuerzas generadas por la corriente

serán de un orden de magnitud inferiores a las del este oleaje, por lo que

tampoco es necesario analizarlas.

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5. FOULING (CRECIMIENTO DE FONDO MARINO)

• En Chile, no hay mediciones que permitan establecer la cuantía y evolución

de la capa de fouling o adherencia de organismos bentónicos. El crecimiento

marino es sensible a las condiciones locales, no obstante, se espera que se

desarrolle en el plazo de semanas a meses.

AUMENTO DE

ESPESOR EFECTIVO

(RECOMENDACIÓN DE

LA ROM)

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6. SELECCIÓN DE PUNTOS (PERFIL DE ALTURAS)

4 5 6 7 8 9 2 3 1

La cantidad de puntos seleccionados depende

de las variaciones de profundidad en la zona de

proyecto y del criterio de diseño.

Se recomienda considerar un punto por cada 1

metro de variación de profundidad, a lo largo de

la tubería o bien un punto por cada cepa de

pilotes.

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IDENTIFICACIÓN DE LAS

FUERZAS HIDRODINÁMICAS

Y SUS COMPONENTES

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FUERZAS HIDRODINÁMICAS SOBRE LA ESTRUCTURA

TIPOS CARGAS HIDRODINÁMICAS

La fuerza total ejercida sobre una estructura eventualmente sumergida está

compuesta por las siguientes componentes:

• Fuerzas de arrastre (Drag, horizontales)

• Fuerzas boyantes (Empuje)

• Fuerzas de inercia (Paralela al flujo)

• Fuerzas de impacto (Slaming en puente de

acceso y campana de succión)

• Fuerzas de lift

DE MAYOR RELEVANCIA CUANDO LA

TUBERIA PERMANECE SUMERGIDA

La fuerza de Lift es poco relevante para estructuras rígidas cuya frecuencia natural de

oscilación es bastante mayor a la del oleaje incidente, como es el caso del sifón de

captación.

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ECUACIÓN DE MORISON

La estimación de las fuerzas hidrodinámicas en una estructura se pueden

obtener mediante la formulación de Morison:

Las fuerzas de arrastre e impacto se

pueden evaluar en forma independiente

y los resultados apuntan a caracterizar

el mismo fenómeno, por lo que los

resultados obtenidos son excluyentes y

no acumulativos.

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TLO

(AIRY, 1845) – ÚNICA CON SIMETRÍA RESPECTO AL NMM

STOKES 2º Y 5º ORDEN

(STOKES, 1847, 1880)

C-NOIDAL

KOERTEWEG & DE VRIES, 1895 – JACOBIAN ELLIPTIC FUNC. cn

SOLITARY WAVE THEORY

BOUSSINESQ, 1871; RAYLEIGH, 1876); MUNK, 1949

STREAM FUNCTION THEORY

DEAN (1965, 1974)

FUNCIÓN DE FLUJO V/S POTENCIAL VELOCIDADES

APROX. MEDIANTE SERIES DE FOURIER

(FENTON, 1988)


ESTIMACIÓN DE LA CINEMATICA DEL OLEAJE

Una parte fundamental de la caracterización de los estados de fuerza a los cuales se verá

enfrentada la estructura, es la estimación de los perfiles de velocidades y aceleraciones

orbitales del oleaje progresivo.

Para esto existen varias teorías de propagación de oleaje:

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STREAM FUNCTION FOR NON LINEAR WAVES (R.G. DEAN)

Es una función escalar instantánea en donde sus componentes de velocidad en las

direcciones x y z en un punto dado, se dan por las derivadas parciales de la función en

dicho punto.

La función corriente proviene de la ecuación de continuidad y básicamente es una solución

de la ecuación diferencial de Laplace.

Perfil vertical de

flujo en dirección X Perfil horizontal de

flujo en dirección Y

f(b)

f(a)

Se consideran 2 puntos A y B, en un

flujo Bidimensional. Luego una corriente

pasa entre estos puntos con una

velocidad media. Entonces existe una

tasa de variación volumétrica.

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La función de corriente describe un flujo bidimensional constante. Su desarrollo y obtención

de los parámetros contempla un proceso de perturbación numérica (Implementación de

supuestos, simplificaciones y condiciones de frontera).

Con esto se logra obtener valores instantáneos para velocidades y aceleraciones,

verticales y horizontales en un punto determinado del área proyectada de la curva.

Dada la complejidad del problema, se deben establecer condiciones de borde, además de

recurrir a herramientas computacionales de programación que faciliten el cálculo, como

MATLAB. Por otro lado, existen una serie de herramientas online que pueden servir de

apoyo para la obtención de los perfiles de velocidades.

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http://www.coastal.udel.edu/faculty/rad/streamless.html

http://www.coastal.udel.edu/faculty/rad/streamless.html

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PERFIL DE VELOCIDADES Y ACELERACIONES ORBITALES

Distancia [m] /

Cresta [m]Coord. X [m] -30 -20 -10 -5 0 5 10 20 30

Cresta [m] 0.67 1.54 3.48 4.78 5.5 4.78 3.48 1.54 0.67

6.5

6

5.5 -4.73

5 -4.45

4.5 -4.21

4 -3.98

3.5 -3.83 -3.78 3.83

3 -3.75 -3.60 3.75

2.5 -3.65 -3.43 3.65

2 -2.25 -3.49 -3.29 3.49 2.25

1.5 -2.20 -3.40 -3.16 3.40 2.20

1 -2.16 -3.34 -3.04 3.34 2.16

0.5 -2.12 -3.20 -2.94 3.20 2.12

0 -0.01 -2.08 -3.08 -2.85 3.08 2.08 0.01

-0.5 -0.74 -0.13 -2.07 -2.97 -2.77 2.97 2.07 0.13 0.74

-1 -0.72 -0.17 -2.04 -2.87 -2.70 2.87 2.04 0.17 0.72

-1.5 -0.69 -0.20 -2.03 -2.78 -2.64 2.78 2.03 0.20 0.69

-2 -0.67 -0.23 -2.01 -2.75 -2.63 2.75 2.01 0.23 0.67

-2.5 -0.65 -0.26 -1.98 -2.73 -2.62 2.73 1.98 0.26 0.65

-3 -0.63 -0.28 -1.95 -2.69 -2.61 2.69 1.95 0.28 0.63

-3.5 -0.61 -0.31 -1.92 -2.62 -2.60 2.62 1.92 0.31 0.61

-4 -0.60 -0.33 -1.89 -2.58 -2.59 2.58 1.89 0.33 0.60

-4.5 -0.58 -0.35 -1.87 -2.56 -2.57 2.56 1.87 0.35 0.58

-5 -0.57 -0.36 -1.85 -2.50 -2.56 2.50 1.85 0.36 0.57

-5.5 -0.55 -0.38 -1.83 -2.45 -2.54 2.45 1.83 0.38 0.55

-6 -0.54 -0.39 -1.82 -2.43 -2.53 2.43 1.82 0.39 0.54

-6.5 -0.53 -0.40 -1.80 -2.41 -2.51 2.41 1.80 0.40 0.53

-7 -0.52 -0.41 -1.79 -2.37 -2.51 2.37 1.79 0.41 0.52

-7.5 -0.51 -0.42 -1.78 -2.34 -2.50 2.34 1.78 0.42 0.51

-8 -0.51 -0.43 -1.78 -2.33 -2.50 2.33 1.78 0.43 0.51

-8.5 -0.50 -0.43 -1.78 -2.32 -2.49 2.32 1.78 0.43 0.50

-9 -0.50 -0.43 -1.77 -2.30 -2.49 2.30 1.77 0.43 0.50

-9.5 -0.49 -0.44 -1.77 -2.30 -2.49 2.30 1.77 0.44 0.49

-10 -0.49 -0.44 -1.77 -2.29 -2.49 2.29 1.77 0.44 0.49

-10.5 -0.49 -0.44 -1.76 -2.28 -2.49 2.28 1.76 0.44 0.49

Pro

fun

did

ad /

Ele

vaci

ón

[m

NR

S]

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EVALUACIÓN DE ESTABILIDAD DE FLUJO (KEULEGAN-CARPENTER)

El número de Keulegan-Carpenter, es un parámetro de medida de la

inestabilidad del flujo que representa la relación entre la amplitud orbital A del

movimiento de la partícula y el diámetro del cilindro o ancho de la sección

rectangular

El parámetro KC es también una medida de la importancia del impacto de la

estela en elementos casi verticales (en un rango de 15º respecto la vertical)

expuestos al oleaje. Conforme el fluido se mueve a través del miembro

estructural, se crea una estela. Cuando el flujo oscilatorio vuelve, las partículas

en la estela regresan antes e impactan la estructura con mayor velocidad que el

resto de partículas.

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EVALUACIÓN DE ESTABILIDAD DE FLUJO (KEULEGAN-CARPENTER)

1 -9 12 5.65 5.3 4.73 10 INERCIAL

2 -9 12 2.63 5.3 4.73 22 INERCIAL

3 -9 12 1.25 5.3 4.73 45 ARRASTRE

4 -9 12 1.1 5.3 4.73 52 ARRASTRE

5 -9 12 0.61 5.3 4.73 93 ARRASTRE

6 -9 12 0.51 5.3 4.73 111 ARRASTRE

7 -9 12 0.41 5.3 4.73 138 ARRASTRE

8 -9 12 0.31 5.3 4.73 183 ARRASTRE

9 -9 12 0.26 5.3 4.73 218 ARRASTRE

10 -9 12 0.26 5.3 4.73 218 ARRASTRE

11 -8 12 2.63 6.15 6.72 31 ARRASTRE

12 -8 12 0.51 6.15 6.72 158 ARRASTRE

13 -7 12 2.63 6.46 8.59 39 ARRASTRE

14 -7 12 0.51 6.46 8.59 202 ARRASTRE

15 -5 12 0.46 6.43 8.59 224 ARRASTRE

CasoVeril

[m NRS]

Tpeak

[s]

D

[m]

Hm

[m]

Um

[m]KC

Fuerzas

Dominantes

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SELECCIÓN DE LOS COEFICIENTES DE MORISON

En el caso de los coeficientes de Morison de arrastre, se recomienda evaluar

para flujo sobre superficie rugosa y suave. Dependiendo de esta condición, se

pueden revisar los valores asociados en las siguientes referencias:

• American Petroleum Institute

• Shore Protection Manual

• Coastal Engineering Manual

• British Standard Institution (“Maritime Structures)

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01/2012


AJUSTE DE LOS COEFICIENTES DE MORISON

A pesar de que existen valores aproximados de los coeficientes de Morison para

la ingeniería de diseño, la manera óptima de utilizar estos coeficientes es

aplicando un ajuste que se debe a las transiciones del régimen de flujo y otros

más que son mencionados a continuación:

• Rugosidad relativa (e=k/D)

• Número de Reynolds (UmD/v)

• Número de Keulegan-Carpenter

• Relación de corriente vs Velocidad de onda proporcional a la

orientación (Función Estela)

Dependiendo del valor del número de Reynolds, el resultado para algunos

experimentos en estado estacionario, han demostrado que el valor de CD puede

verse modificado por la “estela residual” del flujo.

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01/2012


AJUSTE DE LOS COEFICIENTES DE MORISON

El parámetro KC es también una medida de la importancia del impacto de la

estela en elementos estructurales expuestos al oleaje.

Conforme el fluido se mueve a través del miembro estructural, se crea una

estela. Cuando el flujo oscilatorio vuelve, las partículas en la estela regresan

antes e impactan la estructura con mayor velocidad que el resto de partículas.

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01/2012


PROCEDIMIENTO DE AJUSTE DE LOS COEFICIENTES

1. OBTENCIÓN DEL COEFICIENTE DE ARRASTRE EN FLUJO ESTACIONARIO

El coeficiente de arrastre para flujo estacionario CDs puede usarse como

base para el cálculo del coeficiente de inercia y de arrastre .

Este coeficiente CDs depende en gran medida de la rugosidad superficial de

la estructura en cuestión, y su valor podrá tomarse como:

(suave)

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1. OBTENCIÓN DEL COEFICIENTE DE ARRASTRE EN FLUJO ESTACIONARIO

Se recomienda

usar valores

superiores

KC > 12

KC < 12

Se ingresa a las tablas con el valor

obtenido de la relación entre KC y CDs,

según el caso (suave o rugoso).

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2. OBTENCIÓN DE LOS COEFICIENTES AJUSTADOS

El coeficiente de arrastre CD depende de CDs y del número de Keulegan-

Carpenter KC principalmente, y se puede calcular mediante la relación:

Para valores pequeños del número de Keulegan-Carpenter (KC < 12), el factor

de amplificación por la estela puede hallarse mediante:

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01/2012

IMPLEMENTACIÓN DE LA

METODOLOGÍA Y

OBTENCIÓN DE CARGAS

HIDRODINÁMICAS

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01/2012


FUERZAS VERTICALES DE IMPACTO EN CONDICIÓN DE OLEAJE EXTREMO

Para estimar las fuerzas verticales por efectos del "Slam", se recomienda

estudiar la acción de las fuerzas de impacto por sobre la tubería y/o puente de

acceso.

Para la estimación de las fuerzas verticales por efectos del "Slam", se

consideran solo los elementos que no se encuentran permanentemente

sumergidos , a excepción del caso de la tubería del sifón.

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01/2012


FUERZAS HORIZONTALES EN CONDICIÓN DE OLEAJE EXTREMO

• Para una mejor caracterización de los estados de carga a los cuales estará

sometido cada elemento estructural, se recomienda estudiar las fuerzas

distribuidas a lo largo de la sección (pilote, tubería, viga, etc.) para distintos

instantes de elevación de la ola.

• Este análisis se realiza en función de los perfiles de velocidades y

aceleraciones orbitales en la columna de agua, considerando un rango que

contenga la mayor concentración energética.

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01/2012


FUERZAS HORIZONTALES EN CONDICIÓN DE OLEAJE EXTREMO

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01/2012


FUERZAS IMPULSIVAS EN CONDICIÓN DE TSUNAMI

Las fuerzas verticales en condición de tsunami se ven atribuidas a la fuerza de

boyantes que actúa como una fuerza impulsora a lo largo de la cañería, que

además queda totalmente sumergida.

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FUERZAS HORIZONTALES EN CONDICIÓN DE TSUNAMI

• El evento de Tsunami se considera como una onda de periodo largo, en

donde las aceleraciones para efectos de diseño y de determinación de las

cargas sobre la estructura, son nulas.

• En caso de no existir estudios de Tsunami específicos para las condiciones

locales, se recomienda considerar una sobre-elevación de 6 m. y una

velocidad de flujo de 5 m/s, que son valores conservadores para el análisis

en condición de tsunami.

• Se recomienda determinar las cargas asociadas, considerando solo la

componente asociada a la fuerza de arrastre (Drag por velocidades de

flujo).

• Generalmente la estructura queda completamente sobrepasada por la

onda, por lo que tanto las fuerzas de arrastre como la de boyantes serán

relevantes en el diseño.

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01/2012


FUERZAS HORIZONTALES EN CONDICIÓN DE TSUNAMI

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01/2012


ENTRADA DE DATOS

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ENTRADA DE DATOS

Distancia [m] /

Cresta [m]Coord. X [m] -30 -20 -10 -5 0 5 10 20 30

Cresta [m] 0.67 1.54 3.48 4.78 5.5 4.78 3.48 1.54 0.67

6.5

6

5.5 -4.73

5 -4.45

4.5 -4.21

4 -3.98

3.5 -3.83 -3.78 3.83

3 -3.75 -3.60 3.75

2.5 -3.65 -3.43 3.65

2 -2.25 -3.49 -3.29 3.49 2.25

1.5 -2.20 -3.40 -3.16 3.40 2.20

1 -2.16 -3.34 -3.04 3.34 2.16

0.5 -2.12 -3.20 -2.94 3.20 2.12

0 -0.01 -2.08 -3.08 -2.85 3.08 2.08 0.01

-0.5 -0.74 -0.13 -2.07 -2.97 -2.77 2.97 2.07 0.13 0.74

-1 -0.72 -0.17 -2.04 -2.87 -2.70 2.87 2.04 0.17 0.72

-1.5 -0.69 -0.20 -2.03 -2.78 -2.64 2.78 2.03 0.20 0.69

-2 -0.67 -0.23 -2.01 -2.75 -2.63 2.75 2.01 0.23 0.67

-2.5 -0.65 -0.26 -1.98 -2.73 -2.62 2.73 1.98 0.26 0.65

-3 -0.63 -0.28 -1.95 -2.69 -2.61 2.69 1.95 0.28 0.63

-3.5 -0.61 -0.31 -1.92 -2.62 -2.60 2.62 1.92 0.31 0.61

-4 -0.60 -0.33 -1.89 -2.58 -2.59 2.58 1.89 0.33 0.60

-4.5 -0.58 -0.35 -1.87 -2.56 -2.57 2.56 1.87 0.35 0.58

-5 -0.57 -0.36 -1.85 -2.50 -2.56 2.50 1.85 0.36 0.57

-5.5 -0.55 -0.38 -1.83 -2.45 -2.54 2.45 1.83 0.38 0.55

-6 -0.54 -0.39 -1.82 -2.43 -2.53 2.43 1.82 0.39 0.54

-6.5 -0.53 -0.40 -1.80 -2.41 -2.51 2.41 1.80 0.40 0.53

-7 -0.52 -0.41 -1.79 -2.37 -2.51 2.37 1.79 0.41 0.52

-7.5 -0.51 -0.42 -1.78 -2.34 -2.50 2.34 1.78 0.42 0.51

-8 -0.51 -0.43 -1.78 -2.33 -2.50 2.33 1.78 0.43 0.51

-8.5 -0.50 -0.43 -1.78 -2.32 -2.49 2.32 1.78 0.43 0.50

-9 -0.50 -0.43 -1.77 -2.30 -2.49 2.30 1.77 0.43 0.50

-9.5 -0.49 -0.44 -1.77 -2.30 -2.49 2.30 1.77 0.44 0.49

-10 -0.49 -0.44 -1.77 -2.29 -2.49 2.29 1.77 0.44 0.49

-10.5 -0.49 -0.44 -1.76 -2.28 -2.49 2.28 1.76 0.44 0.49

Pro

fun

did

ad /

Ele

vaci

ón

[m

NR

S] ENTRADA DE VELOCIDADES Y

ACELERACIÓNES ORBITALES

Planilla de Cálculo

Calculo de Fuerzas Hidrodinamicas para Sifón.xlsx





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01/2012

CONCLUSIONES

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01/2012


CONCLUSIONES

• Perfiles claros de estados de carga.

• Puede ser implementada en otro tipo de obras similares.

• Considera los factores que gobiernan las variaciones en los coeficientes

hidrodinámicos y reduce la incertidumbre en el diseño.

• Mejores estimaciones de la cinemática mediante la Stream Function.

• Análisis de las fuerzas mediantes matrices de cargas hidrodinámicas.

41

01/2012

Para mayor

información,

lo invitamos a

visitar

www.hatch.ca

GRACIAS

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Cargas Hidrodinámicas sobre estructuras marítimas