Las cargas de oleaje y corriente no deben tratarse simplemente como dos cargas independientes que se calculan por separado y luego se suman.En el análisis estructural en alta mar, el enfoque correcto consiste en determinar primero el movimiento local de las partículas de agua causado por las olas y las corrientes en la misma posición y momento, combinar sus componentes de velocidad en un sistema de coordenadas coherente y, a continuación, calcular la fuerza hidrodinámica resultante.

Esta distinción cobra especial importancia para las estructuras marinas expuestas a grandes olas, fuertes corrientes y perfiles de corriente complejos. Puede afectar significativamente la fuerza de arrastre calculada, sobre todo cuando se utiliza la ecuación de Morison para elementos tubulares delgados.

Este artículo explica los principios de ingeniería detrás deInteracción ola-corriente, estiramiento del perfil de corriente, combinación de vectores de velocidad, fuerza de arrastre de Morison y modelado de carga ola-corriente en SACS.

1. Por qué las cargas de onda y corriente no siempre se pueden sumar directamente.

Un método común en el análisis estructural en alta mar consiste en calcular las cargas de las olas y las cargas de las corrientes de forma independiente y, a continuación, sumar las fuerzas resultantes.

Sin embargo, esto no representa necesariamente la carga hidrodinámica real sobre una estructura.

La pregunta fundamental es:

¿Cuál es la velocidad real del agua alrededor del elemento estructural en la misma ubicación y en el mismo instante?

En el agua, la velocidad generada por las olas y la velocidad de la corriente coexisten simultáneamente. Por lo tanto, primero se debe determinar la velocidad local del agua combinando sus vectores de velocidad. La velocidad resultante se utiliza posteriormente para calcular la fuerza hidrodinámica.

Esto es especialmente importante para elcomponente de arrastre de la ecuación de Morison, porque la fuerza de arrastre es proporcional al cuadrado de la velocidad relativa.

Por lo tanto:

En general, combinar primero las velocidades ambientales y luego calcular la fuerza hidrodinámica no equivale a calcular las fuerzas de las olas y las corrientes de forma independiente y sumar los resultados posteriormente.

2. ¿De dónde proviene la corriente por encima del nivel del agua en reposo?

Consideremos una estructura marina ubicada en una zona de tormenta donde:

• El nivel de agua en reposo se define comoz = 0
• La profundidad del agua es80 metros
• El perfil de corriente de entrada se define solo hasta el nivel de agua en reposo.
• La cresta de la ola alcanzaη = +8 m

Cuando la cresta de la ola pasa la estructura, la superficie libre instantánea se eleva a +8 m.

Un elemento estructural ubicado enz = +4 mPor lo tanto, queda temporalmente sumergido.

Pero el perfil de corriente original no proporciona directamente una velocidad de corriente a +4 m porque el perfil original se definió solo hasta el nivel del agua en reposo.

Por lo tanto, el problema de ingeniería no consiste en determinar la corrientepor encima de la cresta de la olaEn cambio, se trata de determinar la velocidad actual en la región que es:

por encima del nivel del agua en reposo, pero por debajo de la superficie de la ola instantánea.

Un enfoque de ingeniería consiste en transformar el perfil actual según la elevación instantánea de la superficie libre. El perfil actual se estira o se comprime de manera efectiva de modo que:

• El lecho marino permanece asociado con el lecho marino.
• La superficie de onda instantánea corresponde al límite superior del perfil de corriente original.

Esto proporciona una distribución uniforme de la velocidad de la corriente en toda la región mojada instantánea.

3. Estiramiento del perfil actual: Cartografía de la elevación local

El estiramiento del perfil actual no debe interpretarse simplemente como multiplicar cada velocidad de corriente por un factor de escala.

La operación clave esmapear la elevación estructural actual a una elevación de referencia correspondiente en el perfil actual original.y luego obtener la velocidad actual desde esa posición mapeada.

Para un enfoque de estiramiento lineal simplificado, la relación se puede expresar como:

z' = -d + (z + d) × d / (d + η)

dónde:

• d= profundidad del agua de lluvia
• η= elevación instantánea de la onda
• z= elevación actual en la ubicación estructural
• z'= elevación cartografiada en el perfil actual original

Se debe utilizar el mismo sistema de referencia vertical paraz, z' y η, con valores positivos hacia arriba.

Por ejemplo, supongamos que:

• Profundidad del agua:d = 80 m
• Elevación de la ola:η = +8 m

El mapeo se puede ilustrar de la siguiente manera:

Esto significa que la velocidad actual enz = +4 mse obtiene evaluando el perfil de corriente original en aproximadamentez' = −3,64 m.

Ejemplo de interpolación de velocidad de corriente

Supongamos que el perfil actual original tiene:

• Velocidad de la corriente en z = 0 m:1,5 m/s
• Velocidad de la corriente en z = −20 m:1,2 m/s

Si se utiliza la interpolación lineal, la velocidad mapeada a aproximadamente -3,64 m se puede obtener a partir de estos dos valores.

Lo importante es:

El estiramiento modifica la posición desde la que se obtiene la velocidad de la corriente. No se limita a multiplicar todas las velocidades de la corriente por 88/80.

Esta distinción es esencial al interpretar las transformaciones del perfil de corriente en el análisis hidrodinámico marino.

4. Estiramiento del perfil de corriente lineal frente a no lineal

El análisis de perfiles actual no se limita necesariamente a un solo método matemático.

API RP 2A-WSD, 22.ª edición, sección 5.3.1.2.6Se identifica el estiramiento no lineal como el método preferido en las condiciones descritas por la norma, al tiempo que se analizan enfoques aproximados para características particulares del perfil de corriente.

Para una losa superficial relativamente gruesa con una distribución de velocidad aproximadamente uniforme, una simple extensión vertical puede proporcionar una aproximación razonable al estiramiento no lineal.

Para otros tipos de perfiles actuales,El estiramiento lineal también puede utilizarse como una aproximación de ingeniería., dependiendo de las condiciones aplicables y la metodología de análisis.

Por lo tanto, deben evitarse dos conclusiones:

• No es correcto suponer que cualquier perfil actual se puede extender simplemente hacia arriba sin tener en cuenta ciertos factores.
• Tampoco es correcto suponer que el estiramiento lineal es universalmente inaceptable.

La selección deberá basarse en las características del perfil actual, la norma de diseño aplicable y los requisitos de análisis.

Perfil de corriente frente a cinemática ondulatoria

Otra distinción importante es queEl estiramiento del perfil actual y la cinemática de las ondas no son el mismo proceso físico..

El estiramiento de la corriente determina cómo se representa el perfil de velocidad de la corriente en la región mojada instantánea.

Métodos comoWheeler estirándoseestán asociados con el tratamiento de la cinemática ondulatoria.

Aunque conceptos similares de mapeo de elevación puedan aparecer en diferentes formulaciones, no deben interpretarse automáticamente como la misma configuración de software o la misma corrección física.

5. Las velocidades de las olas y las corrientes deben combinarse como vectores.

Una vez determinada la velocidad de la corriente local, se puede combinar con la velocidad inducida por las olas.

Sin embargo, las velocidades deben combinarse comovectores, en lugar de simplemente sumar sus magnitudes.

Por ejemplo, en un momento y lugar determinados:

• Velocidad de onda =3 m/s hacia el este
• Velocidad de la corriente =1 m/s hacia el norte

La velocidad horizontal resultante es:

U = √(3² + 1²) ≈ 3,16 m/s

Por lo tanto, no son 4 m/s.

Si las velocidades de la onda y de la corriente son colineales y van en la misma dirección, sus velocidades con signo se pueden sumar directamente.

Por ejemplo:

3 m/s + 1 m/s = 4 m/s

Pero cuando las direcciones difieren, se requiere la suma de vectores.

6. La velocidad relevante para un elemento estructural es la componente normal.

En el caso de las estructuras tubulares marinas, otra consideración importante es la dirección de la fuerza hidrodinámica con respecto al elemento.

La velocidad utilizada para el componente de arrastre debe considerarse generalmente en relación con lacomponente del flujo normal al elemento estructural.

Esto significa que la magnitud de la velocidad ambiental global no debe aplicarse automáticamente a todos los elementos tubulares inclinados o con diferente orientación.

Para un miembro con una orientación arbitraria:

1. Determinar la velocidad de onda local.
2. Determinar la velocidad de la corriente local.
3. Combínalos en un sistema de coordenadas coherente.
4. Determinar la velocidad de flujo relativa.
5. Descomponga la velocidad en la componente normal al elemento.
6. Aplique la formulación hidrodinámica adecuada.

Si el propio elemento estructural se está moviendo, la cantidad relevante también debe tener en cuenta el movimiento.velocidad relativa entre el agua y el miembro.

7. Por qué la diferencia se vuelve significativa en el término Morison Drag

La importancia de combinar correctamente las velocidades de las olas y las corrientes se hace más evidente al examinar la ecuación de Morison.

Para un cilindro circular fijo sometido a un flujo transversal unidimensional, la fuerza de arrastre por unidad de longitud se puede expresar de forma simplificada como:

Fᴅ = ½ ρ Cᴅ DU |U|

dónde:

• Fd= fuerza de arrastre por unidad de longitud
• ρ= densidad del agua
• Cᴅ= coeficiente de arrastre
• D= diámetro del elemento
• U= velocidad de flujo relativa con signo normal al elemento

La característica importante es el término:

U |U|

Por lo tanto, la fuerza de arrastre no es lineal con respecto a la velocidad.

8. Ejemplo: Cargas separadas de olas y corrientes frente a velocidad combinada

Consideremos un caso simplificado en el que:

• Velocidad de onda =3 m/s
• Velocidad de la corriente =1 m/s
• Ambos actúan en la misma dirección.

Si las fuerzas de arrastre de las olas y las corrientes se calculan por separado y luego se suman, los términos del cuadrado de la velocidad son:

3² + 1² = 10

Si primero se combinan las velocidades y luego se calcula la fuerza de arrastre:

(3 + 1)² = 16

La diferencia proviene del término cruzado:

2 × 3 × 1 = 6

Los valores10 y 16 son términos de velocidad al cuadrado., con unidades de m²/s². No son fuerzas en kN y no representan por sí solas la carga hidrodinámica total.

Este ejemplo simplificado demuestra por qué:

Calcular la resistencia de las olas y las corrientes de forma independiente y luego sumar los resultados no suele ser equivalente a calcular la resistencia a partir de la velocidad local combinada.

La diferencia es particularmente significativa cuando las velocidades de las olas y las corrientes son elevadas y actúan en la misma dirección.

9. ¿Qué sucede cuando una ola y una corriente actúan en direcciones opuestas?

El mismo principio se aplica cuando las velocidades de las olas y las corrientes actúan en direcciones opuestas, pero debe conservarse el signo de la velocidad.

Por ejemplo:

• Velocidad de onda = +3 m/s
• Velocidad de la corriente = −1 m/s

La velocidad combinada es:

U = +3 − 1 = +2 m/s

El término de arrastre correspondiente al cuadrado de la velocidad se basa en:

U |U| = 2 × 2 = 4

Esto ilustra por qué no es correcto concluir que un cálculo separado siempre producirá una carga menor.

Dependiendo de la dirección relativa y la fase de las velocidades de la onda y la corriente, la diferencia puede variar en magnitud y dirección.

10. La ecuación de Morison también incluye un término de inercia.

El ejemplo simplificado anterior se centra únicamente en el componente de arrastre.

Una formulación completa de Morison también contiene untérmino de inercia asociado a la aceleración de partículas de agua.

Por lo tanto, la carga hidrodinámica total de olas y corrientes no puede representarse simplemente diciendo que toda la carga es proporcional al cuadrado de la velocidad.

El componente de arrastre demuestra el efecto no lineal con mayor claridad, mientras que el componente de inercia debe tratarse de acuerdo con la formulación hidrodinámica y la cinemática de las olas aplicables.

Esta distinción es importante al interpretar los resultados de los análisis estructurales en alta mar.

11. Interacción onda-corriente en SACS: ¿Qué deben comprobar los ingenieros?

Al modelar los efectos de las olas y las corrientes enSACSEl ingeniero debería mirar más allá del nombre del caso de carga.

Un caso de carga llamado“Onda + Corriente”Esto no prueba por sí solo que el proceso físico subyacente se haya modelado correctamente.

Se deben revisar varios aspectos:

1. Referencia del nivel del agua

Asegúrese de que los siguientes elementos estén definidos de forma coherente:

• Nivel de agua en reposo
• Nivel de agua de tormenta
• Elevación de la ola
• Alzados estructurales
• Elevaciones de referencia del perfil actual

Una referencia vertical inconsistente puede dar lugar a una asignación de corriente incorrecta.

2. Estiramiento del perfil actual

Compruebe si el perfil actual es:

• Estirado
• Extendido
• Interpolado
• Modificado por otra transformación

El método seleccionado debe ser coherente con la metodología de diseño aplicable.

3. Cinemática de las ondas

Comprueba cómo el software genera la velocidad y la aceleración de las ondas y las partículas.

La transformación del perfil de corriente y el estiramiento cinemático de las ondas no deben tratarse automáticamente como el mismo proceso.

4. Dirección de la corriente de onda

Compruebe el ángulo relativo entre la propagación de la onda y la dirección de la corriente.

En condiciones de ondas y corrientes no colineales, ambos componentes direccionales pueden afectar al análisis.

5. Velocidad normal del miembro

Para cada elemento estructural, verifique que se esté utilizando el componente de flujo apropiado en relación con la orientación del elemento.

6. Velocidad relativa

Si el movimiento estructural es relevante, verifique si la formulación hidrodinámica utiliza la velocidad relativa adecuada entre el agua y el elemento estructural.

7. Componentes de arrastre e inercia

Revise las contribuciones individuales de:

• fuerza de arrastre
• Fuerza de inercia
• Fuerza hidrodinámica total

No interprete el ejemplo de arrastre únicamente como representativo de la carga completa de Morison.

12. No se debe confundir el período aparente de la ola con la velocidad de la corriente.

Otro aspecto importante en el análisis en alta mar es la velocidad de la corriente utilizada para estimarperíodo de onda aparente.

La corriente utilizada para este fin no es necesariamente idéntica a un valor de corriente que ya haya sido modificado para tener en cuenta el bloqueo estructural o los efectos locales.

Según la metodología API descrita anteriormente, el período aparente de la onda debe evaluarse utilizando lacorriente libre no perturbada, en lugar de una corriente que ya ha sido reducida por un bloqueo estructural.

En condiciones de oleaje y corriente no colineales, la componente de corriente en la dirección del oleaje es relevante para la estimación del período aparente de las olas.

Al mismo tiempo, el perfil actual utilizado en el cálculo de la carga hidrodinámica puede requerir un mapeo de perfil y un tratamiento direccional adecuados.

Por lo tanto:

Un valor actual modificado para un propósito de análisis no debe reutilizarse automáticamente para todos los demás pasos de cálculo.

13. La superposición de cargas estructurales no es lo mismo que la generación de cargas ambientales.

Un concepto crítico en el análisis estructural en alta mar es la diferencia entregeneración de cargaysuperposición de respuesta estructural.

En condiciones estructurales lineales apropiadas, las respuestas estructurales pueden superponerse.

Sin embargo, esto no significa que las fuerzas hidrodinámicas ambientales que generaron esas respuestas siempre puedan calcularse de forma independiente y luego sumarse linealmente.

Por ejemplo:

Velocidad de la ola + velocidad de la corriente → velocidad combinada local → fuerza hidrodinámica → respuesta estructural

es fundamentalmente diferente de:

Fuerza de la ola + fuerza de la corriente → respuesta estructural

cuando la fuerza hidrodinámica en sí misma no es lineal con respecto a la velocidad.

Esta distinción es especialmente importante para la carga de arrastre de Morison.

14. Un flujo de trabajo práctico para el análisis de cargas de corrientes de olas

Por lo tanto, un flujo de trabajo de ingeniería práctico se puede resumir de la siguiente manera:

Paso 1 — Establecer el nivel del agua

Defina el nivel de referencia pertinente para aguas estancadas o pluviales y asegúrese de que todas las elevaciones utilicen el mismo nivel de referencia.

Paso 2: Definir la superficie de la onda

Determinar la elevación instantánea de la onda en la ubicación y fase que se está evaluando.

Paso 3: Mapear el perfil actual

Determine la velocidad actual correspondiente a la elevación mojada instantánea utilizando la transformación de perfil de corriente aplicable.

Paso 4 — Determinar la cinemática de la onda

Calcula la velocidad y la aceleración locales inducidas por la onda en la misma ubicación y fase.

Paso 5: Combinar las velocidades de las olas y las corrientes.

Realizar la suma de vectores en un sistema de coordenadas consistente.

Paso 6: Determinar el flujo relativo

Tenga en cuenta la orientación de los elementos y, cuando corresponda, el movimiento estructural.

Paso 7: Calcular la fuerza hidrodinámica

Aplique la formulación hidrodinámica de Morison u otra formulación adecuada.

Paso 8: Comprobar los componentes direccionales

Verifique que se hayan utilizado las componentes de velocidad normal y tangencial correctas para cada elemento estructural.

Paso 9: Revisar la salida de SACS

Verifique los supuestos subyacentes y las cantidades de salida en lugar de basarse únicamente en los nombres de los casos de carga.

Paso 10 — Validar conforme a la norma aplicable

Revise los requisitos de la API, las especificaciones del proyecto, la documentación del software y las hipótesis de análisis pertinentes.

15. Conclusiones clave

El tratamiento correcto de la carga de olas y corrientes es fundamentalmente unproblema de cinemática del agua antes de que se convierta en un problema de carga estructural.

Los principios clave son:

• Las velocidades de las olas y las corrientes deben evaluarse en el mismo lugar y al mismo tiempo.
• Es posible que sea necesario transformar los perfiles actuales cuando la superficie libre instantánea difiera del nivel de agua de referencia.
• El estiramiento del perfil actual cambia la posición de muestreo de velocidad; no es simplemente un multiplicador de velocidad uniforme.
• Las velocidades de las olas y las corrientes deben combinarse como vectores.
• La componente de velocidad normal al elemento estructural es importante para la resistencia de Morison.
• La velocidad relativa del agua con respecto al elemento estructural debe tenerse en cuenta cuando el movimiento estructural sea relevante.
• El arrastre de Morison no es lineal porque depende de U|U|.
• Calcular la resistencia de las olas y de las corrientes por separado y sumar los resultados generalmente no equivale a calcular la resistencia a partir de la velocidad combinada.
• El término de inercia de Morison requiere un análisis aparte y no está representado por el ejemplo simple de velocidad al cuadrado.
• Los valores actuales utilizados para la estimación del período aparente no deben confundirse automáticamente con los valores actuales bloqueados o modificados de otro modo que se utilicen en otros lugares.
• La superposición de la respuesta estructural no implica que las cargas hidrodinámicas ambientales siempre puedan generarse de forma independiente y sumarse linealmente.
• Los nombres de los casos de carga de SACS por sí solos no son suficientes para verificar la corrección física de un análisis de corrientes de onda.

Conclusión

La cuestión clave en la combinación de cargas de olas y corrientes no es simplemente si se pueden sumar dos fuerzas.

La pregunta más fundamental es:

¿Cómo se mueve realmente el agua alrededor del elemento estructural en la misma posición y en el mismo instante?

El estiramiento del perfil actual determinadonde se debe obtener la velocidad actual.

La combinación de vectores determinacómo interactúan las velocidades de las olas y las corrientes.

La ecuación de Morison determinacómo el movimiento del agua resultante se convierte en fuerza hidrodinámica.

Estos pasos están conectados físicamente y, en general, no pueden sustituirse simplemente sumando dos resultados de carga ambiental calculados de forma independiente.

Por lo tanto, para un análisis estructural fiable en alta mar, los ingenieros deben revisar la cadena completa:

Nivel del agua → Perfil de la corriente → Cinemática de las olas → Combinación de velocidad de ola y corriente → Velocidad relativa del elemento → Fuerza hidrodinámica → Respuesta estructural

Este enfoque proporciona una base físicamente más consistente para analizar las estructuras tubulares marinas sometidas a cargas combinadas de olas y corrientes.

Preguntas frecuentes

¿Se pueden simplemente sumar las cargas de onda y de corriente?

No en todos los casos. Para la carga de arrastre de Morison, generalmente se deben combinar las velocidades de las olas y las corrientes antes de calcular el arrastre hidrodinámico, ya que la fuerza de arrastre depende de la velocidad de forma no lineal.

¿Qué es el estiramiento del perfil actual?

El estiramiento del perfil de corriente es un método para mapear el perfil de velocidad de la corriente original a la columna de agua mojada instantánea cuando la elevación de la superficie libre cambia debido a las olas.

¿Significa el estiramiento de la corriente multiplicar la velocidad por un factor de escala?

No. En general, el estiramiento modifica la elevación a la que se obtiene la velocidad actual a partir del perfil original. No debe interpretarse simplemente como multiplicar cada velocidad por un factor común.

¿Cuál es la diferencia entre la cinemática de las ondas y el estiramiento del perfil de la corriente?

La cinemática ondulatoria describe la velocidad y la aceleración asociadas al movimiento de las olas. El estiramiento del perfil de corriente modifica la forma en que un perfil de corriente específico se representa dentro de la columna de agua instantánea. Ambos fenómenos están relacionados con diferentes procesos físicos.

¿Por qué cambia significativamente la fuerza de arrastre de Morison cuando se combinan las olas y la corriente?

Debido a que el término de arrastre depende de la velocidad relativa con signo a través de U|U|, la velocidad combinada puede producir términos cruzados que no están presentes cuando las fuerzas de arrastre de las olas y las corrientes se calculan de forma independiente.

¿Importa la dirección de las olas y las corrientes?

Sí. Las velocidades de las olas y las corrientes deben tratarse como vectores. Su dirección relativa afecta la velocidad resultante y, por lo tanto, la fuerza hidrodinámica.

¿Debe utilizarse la velocidad total del agua para cada elemento estructural?

No necesariamente. En el caso de elementos tubulares delgados, la componente de velocidad normal al elemento es particularmente relevante para la resistencia transversal. Por lo tanto, debe considerarse la orientación del elemento.

¿Puede SACS gestionar automáticamente la interacción entre olas y corrientes?

El tratamiento exacto depende de la versión de SACS, la configuración del análisis, las definiciones de entrada y la metodología seleccionada. Los ingenieros deben verificar la documentación y los resultados del software correspondiente, en lugar de basarse únicamente en el nombre del caso de carga.

¿La combinación de cargas de olas y corrientes es lo mismo que la superposición de cargas estructurales?

No. La respuesta estructural puede superponerse bajo supuestos lineales apropiados, pero la generación de fuerza hidrodinámica puede ser no lineal. Por lo tanto, la generación de carga ambiental y la superposición de la respuesta estructural deben tratarse como conceptos separados.