análisis de esfuerzos en juntas tubulares · pdf filefyc = esfuerzo de fluencia del...

Sociedad Mexicana de Ingeniería Estructural, A.C.

ANÁLISIS DE ESFUERZOS EN JUNTAS TUBULARES EMPLEANDO ELEMENTOS FINITOS

Mariano Hernández, Alfredo1 y Hernández Villanueva, Antonio2 Instituto Mexicano del Petróleo

RESUMEN En el presente trabajo se emiten los resultados obtenidos durante el desarrollo de un proyecto encaminado a la obtención de una metodología para aplicar el Método de los Elementos Finitos a la solución de problemas de esfuerzos en juntas tubulares, se explican los principales factores que influyen en el comportamiento estructural de este tipo de conexiones, enfocando la solución a los métodos más comúnmente usados en el medio. Finalmente, se realiza el análisis de una conexión típica, utilizando una de las soluciones propuesta para este tipo de problema, proporcionando los resultados más importantes y dando conclusiones al respecto.

ABSTRACT Main results from a project performed to get a metodology to apply the Finite Element Method in the solution of tubular joints problems. Explanations about the main factors affecting the structural behavior of this kind of joints are given, focusing in the most commun solutions carried out in the field. Finally, a typical connection is analized using a commun solution, main results and conclusions are given.

INTRODUCCIÓN El análisis de juntas tubulares ha sido uno de los problemas más discutidos dentro del análisis estructural de plataformas marinas, contando a la fecha con herramientas de análisis aún consideradas aproximadas. Las fórmulas para diseño proporcionadas por las especificaciones vigentes, consideran a las diferentes juntas, como juntas simples en el plano, tomando en cuenta los efectos de los demás elementos que concurren a la junta mediante el uso de factores que consideran, entre otros, la configuración geométrica de la misma, así como la distribución de carga en los elementos que concurren a la junta. En la industria fuera de costa, es común la modificación de estructuras existentes, adicionando áreas y cargas considerables, normalmente en voladizos, ocasionando la formación de juntas estructurales con grandes demandas de capacidad de cargas. Lo anterior orilla a una revisión inicial detallada de la junta aplicando las formulas de diseño proporcionadas por las especificaciones vigentes. Es común observar que debido a las grandes demandas de cargas, la junta no cumple con los requerimientos establecidos en las especificaciones. Lo anterior, obliga a aplicar otros procedimientos para evaluar la junta y conocer los esfuerzos en las zonas críticas de esta. El procedimiento de análisis consiste en aislar la junta en estudio, obtener sus propiedades geométricas y elementos mecánicos de un modelo global de una estructura, posteriormente se modela la junta tubular mediante un programa de elementos finitos, con el objetivo de evaluar la junta y conocer las concentraciones de esfuerzos (Hot Spots), finalmente se plantea un tipo de refuerzo para poder distribuir las grandes demandas de esfuerzos en las zonas criticas de la junta. Los resultados de este trabajo, se pretende sean la base para la formulación de una metodología de revisión de este tipo de juntas tubulares en la industria costa afuera.

1 Especialista Junior, Instituto Mexicano del Petróleo, Eje Central No. 152, Gustavo A. Madero, 07730,

México D.F. Teléfono: (55)3003-7247; Fax: (55)3003-7250; [email protected]. 2 Coordinador Técnico, Instituto Mexicano del Petróleo, Eje Central No. 152, Gustavo A. Madero, 07730,

México D.F. Teléfono. Teléfono: (55)3003-7279; Fax: (55)3003-7250; [email protected].

755

052

XIII Congreso Nacional de Ingeniería Estructural Puebla, Pue., México 2002

DISEÑO DE JUNTAS TUBULARES Conforme a la referencia 2, un diseño adecuado de la junta tubular puede realizarse en base al cortante de penetración ó a las cargas nominales en el elemento secundario.

θg

vpt

T

D

fa

fb

d

τ =t

T

β =d

D

γ =D

2T

Figura 1 Componentes de una Junta Tubular Simple Donde: θ = ángulo que forma el elemento secundario con respecto al elemento principal. t , d = espesor y diámetro del elemento secundario, plg. (mm) g = separación entre elementos secundarios (gap), plg. (mm) T, D = espesor y diámetro del elemento principal, plg. (mm) CORTANTE DE PENETRACION El cortante actuante por penetración (Vp) es:

θτ senfV p = (1)

γ6.0yc

fqpa

FQQV = (2)

Es necesario cumplir con las siguientes relaciones de interacción de esfuerzos:

0.122

≤

+

OPBpa

p

IPBpa

p

VV

VV (3)

0.1arcsen222

≤

+

+

OPBpa

p

IPBpa

p

AXpa

p

VV

VV

VV

π

(4)

CARGAS NOMINALES La capacidad admisible para la junta tubular para cargas nominales del elemento secundario es:

θsen7.1

2TFQQP ycfua = (5)

( dTF

QQM ycfua 8.0

sen7.1

2

θ= ) (6)

Es necesario cumplir con las siguientes relaciones de interacción de esfuerzos:

756

052


0.122

≤

+

OPBaIPBa MM

MM (7)

0.1arcsen222

≤

+

+

OPBaIPBaa MM

MM

PP

π (8)

Donde: f = esfuerzo axial (fx), esfuerzo flexionante en el plano (fIPB) o fuera del plano (fOPB) del miembro secundario. Fyc = esfuerzo de fluencia del miembro principal. Pa = Capacidad admisible por carga axial, en miembro secundario. Ma = Capacidad admisible por momento flexionante, en miembro secundario. Qq y Qf, factor considerado para tipos de carga y geometría (ver referencia 2, tabla 2.5.1). Qu = Factor de resistencia última basado en el tipo de junta y carga (ver referencia 2, tabla 2.5.2). PUNTOS CRÍTICOS (HOT SPOT) DE ESFUERZOS Los puntos donde ocurren los esfuerzos más altos, se llaman puntos críticos o “Hot Spots”, se localizan en diferentes puntos, uno en la línea de la soldadura en la superficie del elemento secundario, el otro en la superficie del elemento principal. Los esfuerzos máximos deben ser evaluados en ambas superficies.

12

3 45

6

"HOT SPOTS"

Figura 2 Localización de los “Hot spots” En una junta tubular, es muy útil el considerar las siguientes tres relaciones geométricas:

Dd=β T

D2=γ T

t=τ Si β < 0.3, existe gran posibilidad de que la junta falle por cortante de penetración. Si β > 0.8, el elemento principal fallará por colapso. Si τ > 0.5, es pequeña la probabilidad de que los esfuerzos en el elemento secundario sean críticos comparados con los esfuerzos en el elemento principal (ver referencia 6). En general debemos cumplir con los siguientes valores:

157 2 ≤=≤ TDγ 7.04.0 ≤=≤ D

dβ 7.05.0 ≤≤ τ 0.1≤<τβ El estado 1 (ver figura 3) considera que la carga sobre el elemento secundario es muy pequeña, y la distribución elástica de los esfuerzos circunferenciales en la superficie del elemento principal se indican por líneas radiales sobre la circunferencia. La concentración de esfuerzos en el punto critico puede ser tan alta como 10 veces el esfuerzo nominal en el elemento secundario. Si la carga aumenta más allá de la fluencia del material, la junta se deforma como en el estado 2. En el estado 3, la conexión falla por desgarre, como producto del esfuerzo cortante. La curva esfuerzo-deformación ilustra los niveles relativos de carga por los estado 1,2 y 3 con relación al punto de fluencia inicial y la fractura inicial de la pared del elemento principal.

757

052


CARGA

ESFUERZO MAXIMO EN EL PUNTO

CRITICO

TENSION

COMPRESION

ESFUERZO CORTANTE

ESTADO 1 ESTADO 2 ESTADO 3

FALLAFLUENCIA

FALLA

PRIMERA FRACTURA

PRIMER PUNTO DE FLUENCIA

DEFORMACION DE ESPESOR DE PARED DEL ELEMENTO PRINCIPAL

Figura 3 Resistencia de una junta tubular

CONCENTRACIÓN DE ESFUERZOS El cociente entre los esfuerzos máximos en los puntos críticos y el esfuerzo nominal en el elemento secundario se le denomina “factor de concentración de esfuerzos”, “SCF”, (ver referencia 5).

N

maxSCFσ

σ= (10)

El factor de concentración de esfuerzos y las correspondientes magnitudes en los puntos críticos son los más influyentes y decisivos para los esfuerzos de fatiga en juntas tubulares. La transmisión de esfuerzos a través de la junta, depende en gran parte de las características de flexión del elemento principal. Las juntas rigidizadas en forma local emplean anillos de refuerzo y algunas veces placas rigidizantes longitudinales para reforzar las áreas débiles en este elemento. La acción de la flexión de la pared del miembro principal sirve para extender el área sobre la cuál la rigidez es efectiva. Un anillo rigidizante es efectivo sobre una distancia axial a lo largo del elemento principal, aproximadamente igual a la mitad de la raíz cuadrada del producto del espesor de pared del elemento principal y el radio del mismo. En las juntas rígidas en forma total, los diafragmas longitudinal interno y circunferencial son usados para llevar a cabo la transmisión de esfuerzos principalmente a través de la acción de membrana. El efecto de flexión es de importancia secundaria. Los SCF son diferentes en cada caso. Algunos de los métodos para proporcionar refuerzo en juntas tubulares se muestran en la figura 4.

Placas de refuerzo en ambos lados Anillos rigidizantes externos Anillos rigidizantes internos

Anillos Anillos

Figura 4 Refuerzos empleados en una junta tubular

REVISIÓN DE LA JUNTA TUBULAR EN ESTUDIO DE ACUERDO AL API La junta tubular en estudio se muestra en la figura 5, cuyo comportamiento estructural global fue evaluado anteriormente, identificando a la junta con problemas de esfuerzos, siendo necesaria su revisión detallada. Sus propiedades geométricas y los elementos mecánicos actuantes se indican en la tabla 1, 2 y 3 respectivamente.

758

052


Junta sobre esforzada

240

215,

3321

8,6

118,11

106,68

43°

Figura 5 Identificación y Características geométricas de la junta en estudio

Tabla 1 Propiedades geométricas de la junta tubular en estudio

D Diámetro del elemento principal. 118.11 cm T Espesor del elemento principal. 3.175 cm

d Diámetro del elemento secundario. 106.68 cm

t Espesor del elemento secundario. 3.175 cm

Tabla 2 Elementos mecánicos del elemento principal

Fz Fuerza Axial 406,240.0 kg

Mx Flexión en dirección del eje “Y” 13,618,298.80 Kg-cm

My Momento flexionante en dirección del eje “Z” -3,525,224.10 Kg-cm

Tabla 3 Elementos mecánicos del elemento Secundario

Fz Fuerza Axial -591,700.0 Kg

My Flexión en dirección del eje “y’” -359,800.0 Kg-cm

Mx Flexión en dirección del eje “x” -769,000.0 Kg-cm

RELACIONES GEOMÉTRICAS EN LA JUNTA TUBULAR

90.0=β 25.23=γ 25.1=τ El dimensionamiento del elemento tubular principal en el voladizo para soportar el equipo adicional se realizó en base a la capacidad axial a compresión del mismo, limitando el diámetro del mismo al diámetro de las columnas principales. Según los parámetros indicados, existe la posibilidad de falla por colapso en el miembro principal, además se sugiere un comportamiento del mismo como tubo de pared delgada, y los esfuerzos en el elemento secundario no son críticos en relación con los esfuerzos en el elemento principal. Por lo anterior, el diseño de esta junta deberá estar dirigido hacia el reforzamiento del elemento principal, observando que la mejor solución sería el modificar su espesor, lo que desgraciadamente no es posible al tratarse de una sección existente REVISIÓN DE LA JUNTA TUBULAR DE ACUERDO AL API POR CORTANTE PENETRACIÓN Aplicando las ecuaciones 1, y 2 se obtienen los resultados mostrado en la tabla 4:

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052


Tabla 4 Cortantes de penetración actuantes y permisibles en la junta

Qf Qq Vp (kg/cm2) Vpa (kg/cm2)

Esfuerzos Axiales 0.924 1.321 539.50 310.70

Esfuerzos de flexión en el plano 0.886 4.462 -13.15 1049.08

Esfuerzos de flexión fuera del plano 0.947 2.833 -26.41 666.04

Aplicando las ecuaciones 3 y 4 de interacción de esfuerzos:

0.0017 < 1.0

1.76 > 1.00 La resistencia al esfuerzo cortante provocado por la flexión no es significativa con respecto a la resistencia al esfuerzo cortante debido a carga axial ya que esta no cumple con las interacciones indicadas. De acuerdo a los resultados obtenidos, el elemento principal de la junta tubular en análisis está fallando por cortante de penetración, provocadas principalmente por las cargas axiales. Observaciones Se observa que el principal problema de la junta tubular es el cortante de penetración en el elemento principal provocado principalmente por la carga axial que transmite el miembro secundario. De acuerdo a las relaciones geométricas obtenidas anteriormente existe la posibilidad de falla en el elemento principal acompañado de grandes concentraciones de esfuerzos. El objetivo principal es conocer la magnitud y localización de los esfuerzos máximos presentados en la junta tubular y tratar de distribuirlos aumentando el área de contacto y de esa manera reducir dichos esfuerzos empleando un tipo de refuerzo; uno de los métodos que nos ayudaran a conocer dichos esfuerzos es el método del elemento finito. ANÁLISIS ESTRUCTURAL POR ELEMENTOS FINITOS Del modelo global, se aislará la junta, a la que será necesario asignar condiciones de frontera y de carga para cada una de las condiciones analizadas, de forma tal que represente adecuadamente el problema analizado. Se analizan varios modelos con condiciones de frontera diferente, así con modificaciones en la forma y tamaño de la malla, con el objetivo de identificar, inicialmente, el modelo óptimo, y posteriormente, la mejor solución estructural al problema planteado que es la falta de capacidad de la junta tubular. JUNTA SIN REFORZAR Se aplican únicamente cargas axiales en el elemento secundario (caso 1) • Los nodos en los extremos del elemento principal están totalmente fijos (empotrados). • Solo se aplican cargas axiales en el elemento secundario. • Elementos cuadrados tipo “shell”, aproximadamente 3700 elementos y un número similar de nodos. Los resultados del primer modelo de junta tubular sin refuerzo, se observan en la figura 7. Se aplican cargas axiales y momentos flexionantes en el elemento secundario (caso 2) • Se emplearon alrededor de 3700 elementos y un número similar de nodos. • Se emplean elementos cuadrados tipo “shell”, de cuatro nodos. • Se restringen totalmente los nodos en el extremo inferior (empotrados) del elemento principal de la junta

tubular y fijos en su extremo superior en las tres direcciones X, Y y Z (permitiendo giros). • Se aplican cargas axiales y cargas debido a flexión en el plano, solo en el elemento secundario.

760

052


Los resultados del segundo modelo de junta tubular sin refuerzo, se observan en la figura 8.

ANSYS 5.6

JUN 26 2001

16:48:11

ELEMENT SOLUTION

STEP=1

SUB =1

TIME=1

SEQV (NOAVG)

PowerGraphics

EFACET=1

DMX =.429022

SMN =40.389

SMX =4340

1

MN

MX

XY

Z40.389

518.17

995.951

1474

1952

2429

2907

3385

3863

4340

JUNTA TUBULAR AKAL-E

Figura 7 Esfuerzos de Von Mises de la Junta Tubular – Caso 1 Donde: DMX: Deformación máxima. SMN: Esfuerzo mínimo. SMX: Esfuerzo máximo. DSCA: Factor de escala. XF, YF, ZF: Desplazamiento en la dirección X, Y y Z respectivamente.

ANSYS 5.6 APR 26 200112:14:27 ELEMENT SOLUTIONSTEP=1 SUB =1 TIME=1 SEQV (NOAVG)PowerGraphicsEFACET=1DMX =.453876 SMN =23.603 SMX =4811

1

MN

MXXY

Z 23.603 555.564 1088 1619 2151 2683 3215 3747 4279 4811

ESFUERZOS DE VON MISES JUNTA TUBULAR AKAL-E

ANSYS 5.6 APR 26 200112:16:29 DISPLACEMENTSTEP=1 SUB =1 TIME=1 PowerGraphicsEFACET=1AVRES=MatDMX =.453876

1

XY

ZDSCA=47.803 YV =-1 *DIST=243.744 XF =72.944 YF =-.268422 ZF =-1.635 Z-BUFFER

DEFORMACIONES DE LA JUNTA TUBULAR AKAL-E

Figura 8 Esfuerzos de Von Mises y deformaciones de la Junta Tubular – Caso 2 Se modifica el tamaño de los elementos finitos (caso 3) • Se utilizan 1300 elementos y un número similar de nodos aproximadamente, (se amplia el enmallado). • Se aplican las mismas condiciones de frontera y de carga que en el caso 2. Los resultados del segundo modelo de junta tubular sin refuerzo, se observan en la figura 9.

761

052


Se aplican cargas axiales y momentos flexionantes, en ambos elementos (caso 4) • Se emplearon alrededor de 3700 elementos y un número similar de nodos. • Se emplean elementos cuadrados tipo “shell”, de cuatro nodos. • Los nodos del extremo inferior del elemento principal están restringidos totalmente (empotrados). • Los nodos del extremo superior del elemento principal, están fijos en las direcciones horizontales (X y Y)

y libres en su dirección vertical Z. Los resultados del cuarto modelo de junta tubular sin refuerzo, se observan en la figura 10.


1

MN

MXXY

Z 31.512 541.768 1052 1562 2073 2583 3093 3603 4114 4624

ESFUERZOS DE VON MISES EN LA JUNTA TUBULAR


1

XY

ZDSCA=47.456 YV =-1 *DIST=243.744 XF =72.958 YF =-.261468 ZF =-1.635 Z-BUFFER

DEFORMACIONES EN LA JUNTA TUBULAR

Figura 9 Esfuerzos de Von Mises y deformaciones de la Junta Tubular – Caso 3


1MN

MX

XY

Z 18.527 662.219 1306 1950 2593 3237 3881 4524 5168 5812

ESFUERZOS DE VON MISES EN LA JUNTA TUBULAR


1

XY

ZDSCA=35.89 YV =-1 *DIST=248.993 XF =72.354 YF =1.06 ZF =.714719 Z-BUFFER

DEFORMACIONES EN LA JUNTA TUBULAR

Figura 10 Esfuerzos de Von Mises y deformaciones de la Junta Tubular – Caso 4 Conclusiones del análisis por elementos finitos 1. El primer análisis nos ayudará a obtener los factores de concentración de esfuerzos (stress concentration

factor, SCF) debido a cargas axiales, ya que estos factores se deben obtener para cada condición de carga. También nos ayuda a comparar los esfuerzos en el extremo del elemento secundario, los obtenidos en el modelo y los esfuerzos nominales en el elemento secundario. Los esfuerzos en el extremo del elemento secundario obtenidos en el modelo son aproximadamente de 518.0 kg/cm2, el esfuerzo nominal en el elemento secundario es 573.12 kg/cm2.

762

052


Se observa que existe una diferencia de esfuerzos en el extremo del elemento secundario, esto es debido al tamaño de los elementos finitos, existiendo un error del 9% aproximadamente, si los elementos se reducen de tamaño a aproximadamente una cuarta parte del tamaño presentado los esfuerzos serán más exactos, por lo que el error de aproximación sería más pequeño, hasta el 3% aproximadamente. 2. El emplear elementos finitos cada vez más pequeños, proporciona mayor información sobre el estado de

esfuerzos en un punto determinado. El emplear mallas con elementos relativamente grandes lejos de la zona de concentración de esfuerzos e ir cerrándola conforme nos aproximamos a dicha zona optimizan los recursos de análisis empleados y proporciona soluciones adecuadas al problema en consideración. Un tamaño muy pequeño de malla complica los análisis y la interpretación de los resultados. De acuerdo a la literatura consultada, un tamaño de los elementos finitos igual al espesor del elemento en estudio en la zona de conexión, es suficiente para obtener datos confiables sobre el comportamiento estructural en la zona de concentración de esfuerzos.

3. En los casos analizados, se observa un cambio en el valor de los esfuerzos en la zona conectada,

obteniendo un valor aproximadamente un 4% mayor al usar una malla pequeña que cuando se usa una malla más grande (casos 2 y 3). Lo anterior se debe a las funciones de interpolación empleadas para calcular los elementos mecánicos entre los puntos discretos donde se consideran los grados de libertad.

4. Las deformaciones observadas bajo la acción de las cargas aplicadas son como se esperaban, produciendo un ovalamiento del elemento principal, sin llegar a reconocerse la falla por desgarre.

5. Al eliminar la restricción al desplazamiento en el extremo superior del elemento principal y aplicar cargas

axiales en este elemento (caso 4), los esfuerzos en la junta se incrementan notablemente (alrededor del 20%) en comparación con los tres casos anteriores.

6. Los esfuerzos reportados, en general para todos los casos analizados, se encuentran por debajo del valor del Esfuerzo de Fluencia del material, a excepción de zonas muy localizadas en la unión de las dos piezas, en los “Hot Spots”, donde los esfuerzos son mayores al esfuerzo de fluencia del material.

7. De las observaciones anteriores, pueden deducirse algunas posibles soluciones, como lo serían:

La canalización de cargas a través de vías alternas (mediante la adición de elementos de refuerzo), el reforzamiento local de la junta, que deberá evitar el ovalamiento del elemento principal, inicio del posible desgarramiento del material en el elemento principal, así como la posible transmisión de cargas del elemento secundario al principal, evitando pasar por el punto de alta concentración de esfuerzos.

CONCENTRACION DE ESFUERZOS. Los factores de concentración de esfuerzos dependen de las características de cada junta, en lo que respecta a geometría y cargas, de forma tal que habrá un factor de concentración de esfuerzo asociado al tipo de junta y al tipo de carga en particular de que se trate (carga axial, momento en el plano y fuera del plano). En el siguiente ejercicio, se obtienen estos factores de concentración de esfuerzos para las condiciones empleadas en el modelo de la sección 1 de forma que nos permita definir la magnitud de los esfuerzos en la zona de la conexión, comparados con los esfuerzos del resto de los elementos. El esfuerzo axial bajo la acción de la carga aplicada en el elemento secundario es 573.12 kg/cm2. Del análisis realizado en el caso 1 se obtuvo un esfuerzo máximo en la superficie del elemento principal de 4,340 kg/cm2, considerando solo carga axial en el elemento secundario, por lo que el factor de concentración de esfuerzos, bajo estas consideraciones, es:

67 .=SCF Se observa que, los efectos de la geometría y características de la carga generan una concentración de esfuerzos en esta región que no debe menospreciarse, son esfuerzos muy grandes localizados en zonas específicas de la unión tubular.

763

052


Para el caso analizado, no se consideró el efecto de la soldadura, lo que sin duda modifica en parte los resultados aquí obtenidos. Este efecto puede ser favorable en los casos en que se controla el perfil de la soldadura o se aplican procedimientos especiales de control de dicho perfil durante la construcción, lo que permite generar una zona de transición suave entre los elementos secundario y principal. Esto mejora considerablemente la capacidad de la junta, sobretodo ante efectos de fatiga. REFUERZO DE LA JUNTA TUBULAR. Una de forma de reforzar a una junta tubular es aumentar el espesor de su elemento principal, otra es colocar atiesadores internos en el elemento principal, estos son efectivos cuando la junta tubular no está en servicio o no está construida. Para el caso de la junta tubular en estudio ésta se encuentra en servicio, por lo que se tiene que buscar otros tipos de refuerzo. La opción analizada consiste en el refuerzo de la junta tubular mediante anillos exteriores colocados en el elemento principal, inicialmente considerando un solo elemento atiesador e incrementando el número de éstos en forma gradual. A continuación, se describen los resultados obtenidos de los análisis realizados y las conclusiones más relevantes. En las discusiones siguientes, se considera el modelo descrito en el caso 4, por lo que las comparaciones manejadas estarán referidas a dicho modelo. Refuerzo simple •

• • •

Se emplea un solo anillo de rigidez. • Espesor de 1.00 ” (2.54 cm) y aun ancho de 25 cm. • Localización: en el punto mas alto de la curvatura formada por la intersección del miembro principal con

el secundario (“saddle”). Con este anillo, se intenta evitar el ovalamiento del elemento principal y la transferencia de esfuerzos del elemento secundario al principal sin pasar por la unión soldada.

Los resultados de este primer análisis se muestran en la figura 11. Refuerzo a base de dos anillos atiesadores

En este segundo análisis, se emplean dos anillos rigidizantes. Espesor de 1.00” (2.54 cm) y un 25 cm. Colocando un anillo en el punto mas alto de la curvatura formada por la intersección de ambos miembros (el mismo del caso anterior), y un segundo anillo a una distancia vertical de 50 cm del primer anillo.

Los resultados de este segundo análisis se muestran en la figura 12-a. Se reduce la distancia entre los dos anillos atiesadores Se intenta reducir aún más la concentración de esfuerzos en la junta tubular, modificando la localización del segundo anillo. Las características del refuerzo son:

• Espesor de 1.00” (2.54 cm). • Ancho de 25 cm. • Se mantiene el primer anillo (colocado en punto más alto de la curvatura formada por la intersección de

ambos miembros), mientras que el segundo anillo se sitúa a una distancia vertical de 20 cm del primer anillo de refuerzo.

Los resultados de este tercer análisis se muestran en la figura 12-b.

764

052


ANSYS 5.6

JUN 7 2001

15:15:48

ELEMENT SOLUTION

STEP=1

SUB =1

TIME=1

SEQV (NOAVG)

PowerGraphics

EFACET=1

DMX =.379746

SMN =23.63

SMX =3894

1

MNMX XY

Z 23.63

453.692

883.754

1314

1744

2174

2604

3034

3464

3894

REFUERZO DE LA JUNTA TUBULAR

Figura 11 Colocación de un solo anillo de refuerzo

Observaciones: Al emplear la placa de refuerzo en forma de anillo en la junta tubular, el comportamiento estructural de la misma mejora sustancialmente: • • • •

La deformación circunferencial se reduce drásticamente. Los esfuerzos máximos se reducen aproximadamente en un 33% en la zona de la unión soldada. La zona de esfuerzos máximos (concentración de esfuerzos) está en la vecindad del anillo atiesador. El valor del esfuerzo máximo está aún muy por encima del esfuerzo de fluencia del material.

ANSYS 5.6

JUN 7 2001

15:21:17

ELEMENT SOLUTION

STEP=1

SUB =1

TIME=1

SEQV (NOAVG)

PowerGraphics

EFACET=1

DMX =.320512

SMN =35.397

SMX =3356

1

MN

MXXY

Z 35.397

404.33

773.263

1142

1511

1880

2249

2618

2987

3356


ANSYS 5.6

JUN 7 2001

15:24:49

ELEMENT SOLUTION

STEP=1

SUB =1

TIME=1

SEQV (NOAVG)

PowerGraphics

EFACET=1

DMX =.34487

SMN =7.781

SMX =3261

1

MNMXXY

Z 7.781

369.2

730.619

1092

1453

1815

2176

2538

2899

3261


Figura 12-a y 12-b Colocación de dos anillos de refuerzo Observaciones: Para el caso de la figura, existe una mejora en el comportamiento estructural, respecto al caso anterior: • •

•

Se obtiene una reducción en la deformación circunferencial. Los esfuerzos máximos se reducen aproximadamente en un 16% en la zona de la unión soldada (42% con respecto al caso original). La zona de esfuerzos máximos continúa en la vecindad del anillo atiesador inicial.

765

052


766

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

El valor del esfuerzo máximo ya es menor que el del esfuerzo de fluencia del material del elemento principal (Fy = 3515 Kg/cm2), pero aún mayor que el esfuerzo permisible por penetración. Al disminuir la distancia entre los anillos, los esfuerzos máximos se reducen en solo un 3% en la zona de la unión soldada, respecto al caso anterior La zona de esfuerzos máximos continúa en la vecindad del anillo atiesador inicial.

CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES De los análisis realizados obtenemos las siguientes conclusiones del presente trabajo:

El Método del Elemento Finito representa una herramienta muy importante en la evaluación de los esfuerzos reales para geometrías complejas, el presente trabajo representa una metodología de análisis inicial para la evaluación de juntas tubulares. El modelo es muy sensible a la variación en las condiciones de frontera, las condiciones de frontera empleadas aún no son las adecuadas, debe trabajarse más en esta dirección. El uso de anillos atiesadores reduce en forma muy satisfactoria la concentración de esfuerzos en la junta tubular, resultando un método adecuado de reforzamiento. Es necesario intentar otras formas de refuerzo en la junta, para determinar cual es la mejor (emplear más atiesadores, variar los espesores de los atiesadores, modificar la orientación de los atiesadores colocándolos en la dirección del elemento secundario, reforzar la junta con cementado interno. Modelar la soldadura. Esto debe, necesariamente, reducir en forma considerable la concentración de esfuerzos en los “hot spots”, ya que se proporciona una transición suave en la geometría de la junta. Tener mayor cuidado al dimensionar los elementos que se adicionan, tomando en consideración las relaciones geométricas que rigen el comportamiento de las juntas tubulares, y no considerando el comportamiento de los elementos estructurales como tales, en forma aislada. La junta analizada es, en realidad, mucho más compleja que lo aquí considerado. Se debe contemplar la contribución de los elementos de arriostramiento horizontal y vertical que llegan al nodo vecino, así como la influencia de la conexión con los elementos cercanos. El presente fue un buen esfuerzo, pero que debe, necesariamente, continuarse para evitar que lo aquí aprendido se quede en el olvido.

REFERENCIAS Y BIBLIOGRAFIA Alfredo M.H., (2001), “Análisis de Esfuerzos en Juntas Tubulares empleando Elementos Finitos”, Tesis de licenciatura, IPN-ESIA, México, D.F. American Petroleum Institute. (1996), “Recommended practice for planning, designing and constructing fixed affshore structures”. RP-2A - WSD”. 20ª edición. Washington, D.C., E.U.A, pp. 48-53. Antonio H.V., Luis P.C. (1998), “Modificaciones Estructurales en Plataformas Marinas para incrementar la producción”. XI Congreso Nacional de Ingeniería Estructural. Monterrey N.L, México. Gantayat N.A., Powell H.G. (1973), “Stress Analysis of Tee Joints by the Element Finite Method”. College of Engineering University of California, Berkeley. Gibstein M.B., y T. Moe E. (1985), “Fatigue of tubular Joints”, Fatigue Handbook Offshore steel structures, Tapir, pp. 313-370. Graff W.J. (1981), “Introduction to offshore structures” (Desing Fabrication Instalation). Gulf Publishing Company., Houston. Indulis G. O. (1970), “ Finite Element Analysis of Tubular K Joints”. University of California, Berkeley. September. José C. M., Enrique M.M., (1999), “Diseño de Juntas Tubulares Empleadas en Plataformas Marinas”, Tesis de licenciatura, IPN-ESIA, México, D.F.

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