Elementos para una nueva metodología de cálculo de diques verticales

El comercio marítimo actual requiere buques de un tamaño cada vez mayor. Para dar servicio a estos buques los puertos tienen que ofrecer grandes calados y las obras de abrigo están cimentadas cada vez a mayor profundidad, particularmente en el caso de España que es un país con escasos puertos naturales y poca plataforma continental y la mayoría de sus puertos son exteriores. La construcción de obras de abrigo en calados tan grandes (hasta 50 metros de profundidad) resulta sumamente costosa, y dado que a esas profundidades generalmente el oleaje no rompe, la tipología más habitual es la de diques verticales, reflejantes puros, tanto por ahorro de costes como por impacto ambiental. Al ir a mayores calados las olas a las que se enfrentan los diques son cada vez mayores, y esto acusa el desconocimiento exacto de los fenómenos que hidrodinámicos que tienen lugar, y por tanto las deficiencias de los métodos de dimensionamiento de diques verticales empleados. La incertidumbre en la definición de los fenómenos involucrados lleva a la mayoración indiscriminada de las acciones y al sobredimensionamiento de los diques, con el consiguiente sobrecoste, y a otra conclusión más grave: el desconocimiento de los factores de seguridad reales. Esto obliga a continuar profundizando en los fundamentos de los fenómenos observados. La presente tesis se basa en el análisis de datos recogidos por la instrumentación del dique de Botafoc (Ibiza) desde el año 2003. Esta instrumentación es de las que ha ofrecido mediciones de temporales de forma más consistente en todo el mundo. El análisis de los datos conduce a una serie de resultados muy reveladores y novedosos en cuanto a la forma de las distribuciones de los empujes, la influencia del periodo del oleaje sobre las mismas, y la importancia de los flujos inducidos por el oleaje a través de las banquetas de cimentación. Todas las conclusiones alcanzadas están sólidamente justificadas desde el punto de vista teórico. También se ponen de manifiesto otros fenómenos interesantes que no eran objeto de la presente investigación como la importancia del retranqueo del espaldón. El alcance inicial de la tesis pretendía dar explicación a la influencia del periodo del oleaje sobre las distribuciones de presiones, sin embargo la gran cantidad de descubrimientos realizados llevan a pensar en la posibilidad de desarrollar una nueva metodología de cálculo de esfuerzos hidrodinámicos en diques verticales. Esta nueva metodología está en desarrollo por el autor de la presente tesis y será presentada en futuros trabajos. Además del importante avance conceptual del estado de la técnica que supone, otro producto de la investigación ha sido el desarrollo de dos patentes de invención y una tercera aún en desarrollo. Maritime trade nowadays requires ships of increasing size, and ports must go to deeper draughts to shelter those ships. In high depths vertical breakwaters are the most economical alternative; however there are many questions about reflection of waves not yet clarified. This uncertainties drive to oversize breakwaters and the corresponding rise in costs. Moreover the main issue is that safety margins are not known. This thesis is based on the analysis of data collected by instrumentation of the Botafoc breakwater (Ibiza) since 2003, having recorded a wide range of data. The data analysis leads to very interesting discovers such as the shape of the distribution of the pressures, the influence of wave period, and the importance of the wave induced flows through foundation. All conclusions reached are solidly justified from the theoretical point of view. Other interesting phenomena that were not the subject of this research have been revealed such as the importance of crown wall position. The initial scope of the thesis aimed to give explanation to the influence of the wave period on distributions of pressure; however the interesting discoveries made suggest developing a new methodology for calculating hydrodynamic efforts vertical breakwaters. This new methodology is currently under development by the author of this thesis and will be presented in future works. Besides the important conceptual advance the state of the art involved, another product of the research has been the development of two patents.

Levantamiento batimétrico en el islote Montaña Clara (Islas Canarias).

Los objetivos del presente Proyecto Fin de Carrera, serán el levantamiento cartográfico en detalle de la zona de trabajo propuesta, mediante la utilización del Buque Oceanográfico Emma Bardán y su sistema de ecosonda multihaz de alta resolución. Los trabajos asociados serán:  El reconocimiento batimétrico sistemático del Islote Montaña Clara con recubrimiento al 100% (ecosonda Multihaz EM-3002D).  Toma de datos sistemáticos de perfiles de velocidad del sonido en el agua. Los objetivos específicos del presente Proyecto Fin de Carrera son proporcionar documentación cartográfica que contribuya a la investigación del fondo marino de la plataforma continental del Islote Montaña Clara, tanto por métodos indirectos como directos. Las fases de trabajo son:  Procesar y tratar los datos obtenidos en la campaña, para la obtención de mapas,cartas e informes.  Elaborar una carta batimétrica basada en datos multihaz con cobertura al 100% del área propuesta.  Realizar el tratamiento informático necesario para la integración de los datos en un Sistema de Información Geográfica (S.I.G.).

Sismicidad inducida por la manipulación del subsuelo

Los terremotos inducidos por la inyección de gas realizadas en la plataforma continental del golfo de Valencia, proyecto El Castor, en septiembre-octubre 2013, han creado cierta alarma social en las poblaciones costeras próximas. Esto, que es novedoso en España, ha ocurrido con cierta frecuencia en otras áreas pobladas en distintos países y por causa de varios tipos de manipulación del subsuelo. Este artículo intenta ilustrar el problema de la sismicidad inducida por la actividad del hombre. Según se describe en el texto, la sismicidad inducida tiene unos límites, máximo terremoto inducido, que pueden ser investigados en cada caso. De esa manera, se pueden establecer protocolos de actuación que impidan que dichas actividades causen daños materiales en las localidades próximas. Earthquakes induced by the gas injection in the continental platform, of the golf of Valencia, Castor Project, last September-October 2013, has motivated some social alarm within the nearby coastal population. That, which is new for Spain, has happened with some frequency at some other populated areas, in different countries and due to various types of subsoil manipulations. This article tries to illustrate the induced seismicity problem due to human activities. As it is described in the text, the induced seismicity has some limits (maximum induced earthquake) that can be investigated for each particular case. By this way, protocols of operation can be established to avoid that theses activities might cause material damage to local population.

Selected topics in the Hydrodynamics of floating offshore wind turbines: heave damping and second order surge motions

La Energía eléctrica producida mediante tecnología eólica flotante es uno de los recursos más prometedores para reducir la dependencia de energía proveniente de combustibles fósiles. Esta tecnología es de especial interés en países como España, donde la plataforma continental es estrecha y existen pocas áreas para el desarrollo de estructuras fijas. Entre los diferentes conceptos flotantes, esta tesis se ha ocupado de la tipología semisumergible. Estas plataformas pueden experimentar movimientos resonantes en largada y arfada. En largada, dado que el periodo de resonancia es largo estos puede ser inducidos por efectos de segundo orden de deriva lenta que pueden tener una influencia muy significativa en las cargas en los fondeos. En arfada las fuerzas de primer orden pueden inducir grandes movimientos y por tanto la correcta determinación del amortiguamiento es esencial para la analizar la operatividad de la plataforma. Esta tesis ha investigado estos dos efectos, para ello se ha usado como caso base el diseño de una plataforma desarrollada en el proyecto Europeo Hiprwind. La plataforma se compone de 3 columnas cilíndricas unidas mediante montantes estructurales horizontales y diagonales, Los cilindros proporcionan flotabilidad y momentos adrizante. A la base de cada columna se le ha añadido un gran “Heave Plate” o placa de cierre. El diseño es similar a otros diseños previos (Windfloat). Se ha fabricado un modelo a escala de una de las columnas para el estudio detallado del amortiguamiento mediante oscilaciones forzadas. Las dimensiones del modelo (1m diámetro en la placa de cierre) lo hacen, de los conocidos por el candidato, el mayor para el que se han publicado datos. El diseño del cilindro se ha realizado de tal manera que permite la fijación de placas de cierre planas o con refuerzo, ambos modelos se han fabricado y analizado. El modelo con refuerzos es una reproducción exacta del diseño a escala real incluyendo detalles distintivos del mismo, siendo el más importante la placa vertical perimetral. Los ensayos de oscilaciones forzadas se han realizado para un rango de frecuencias, tanto para el disco plano como el reforzado. Se han medido las fuerzas durante los ensayos y se han calculado los coeficientes de amortiguamiento y de masa añadida. Estos coeficientes son necesarios para el cálculo del fondeo mediante simulaciones en el dominio del tiempo. Los coeficientes calculados se han comparado con la literatura existente, con cálculos potenciales y por ultimo con cálculos CFD. Para disponer de información relevante para el diseño estructural de la plataforma se han medido y analizado experimentalmente las presiones en la parte superior e inferior de cada placa de cierre. Para la correcta estimación numérica de las fuerzas de deriva lenta en la plataforma se ha realizado una campaña experimental que incluye ensayos con modelo cautivo de la plataforma completa en olas bicromaticas. Pese a que estos experimentos no reproducen un escenario de oleaje realista, los mismos permiten una verificación del modelo numérico mediante la comparación de fuerzas medidas en el modelo físico y el numérico. Como resultados de esta tesis podemos enumerar las siguientes conclusiones. 1. El amortiguamiento y la masa añadida muestran una pequeña dependencia con la frecuencia pero una gran dependencia con la amplitud del movimiento. siendo coherente con investigaciones existentes. 2. Las medidas con la placa de cierre reforzada con cierre vertical en el borde, muestra un amortiguamiento significativamente menor comparada con la placa plana. Esto implica que para ensayos de canal es necesario incluir estos detalles en el modelo. 3. La masa añadida no muestra grandes variaciones comparando placa plana y placa con refuerzos. 4. Un coeficiente de amortiguamiento del 6% del crítico se puede considerar conservador para el cálculo en el dominio de la frecuencia. Este amortiguamiento es equivalente a un coeficiente de “drag” de 4 en elementos de Morison cuadráticos en las placas de cierre usadas en simulaciones en el dominio del tiempo. 5. Se han encontrado discrepancias en algunos valores de masa añadida y amortiguamiento de la placa plana al comparar con datos publicados. Se han propuesto algunas explicaciones basadas en las diferencias en la relación de espesores, en la distancia a la superficie libre y también relacionadas con efectos de escala. 6. La presión en la placa con refuerzos son similares a las de la placa plana, excepto en la zona del borde donde la placa con refuerzo vertical induce una gran diferencias de presiones entre la cara superior e inferior. 7. La máxima diferencia de presión escala coherentemente con la fuerza equivalente a la aceleración de la masa añadida distribuida sobre la placa. 8. Las masas añadidas calculadas con el código potencial (WADAM) no son suficientemente precisas, Este software no contempla el modelado de placas de pequeño espesor con dipolos, la poca precisión de los resultados aumenta la importancia de este tipo de elementos al realizar simulaciones con códigos potenciales para este tipo de plataformas que incluyen elementos de poco espesor. 9. Respecto al código CFD (Ansys CFX) la precisión de los cálculos es razonable para la placa plana, esta precisión disminuye para la placa con refuerzo vertical en el borde, como era de esperar dado la mayor complejidad del flujo. 10. Respecto al segundo orden, los resultados, en general, muestran que, aunque la tendencia en las fuerzas de segundo orden se captura bien con los códigos numéricos, se observan algunas reducciones en comparación con los datos experimentales. Las diferencias entre simulaciones y datos experimentales son mayores al usar la aproximación de Newman, que usa únicamente resultados de primer orden para el cálculo de las fuerzas de deriva media. 11. Es importante remarcar que las tendencias observadas en los resultados con modelo fijo cambiarn cuando el modelo este libre, el impacto que los errores en las estimaciones de fuerzas segundo orden tienen en el sistema de fondeo dependen de las condiciones ambientales que imponen las cargas ultimas en dichas líneas. En cualquier caso los resultados que se han obtenido en esta investigación confirman que es necesaria y deseable una detallada investigación de los métodos usados en la estimación de las fuerzas no lineales en las turbinas flotantes para que pueda servir de guía en futuros diseños de estos sistemas. Finalmente, el candidato espera que esta investigación pueda beneficiar a la industria eólica offshore en mejorar el diseño hidrodinámico del concepto semisumergible. ABSTRACT Electrical power obtained from floating offshore wind turbines is one of the promising resources which can reduce the fossil fuel energy consumption and cover worldwide energy demands. The concept is the most competitive in countries, such as Spain, where the continental shelf is narrow and does not provide space for fixed structures. Among the different floating structures concepts, this thesis has dealt with the semisubmersible one. Platforms of this kind may experience resonant motions both in surge and heave directions. In surge, since the platform natural period is long, such resonance can be excited with second order slow drift forces and may have substantial influence on mooring loads. In heave, first order forces can induce significant motion, whose damping is a crucial factor for the platform downtime. These two topics have been investigated in this thesis. To this aim, a design developed during HiPRWind EU project, has been selected as reference case study. The platform is composed of three cylindrical legs, linked together by a set of structural braces. The cylinders provide buoyancy and restoring forces and moments. Large circular heave plates have been attached to their bases. The design is similar to other documented in literature (e.g. Windfloat), which implies outcomes could have a general value. A large scale model of one of the legs has been built in order to study heave damping through forced oscillations. The final dimensions of the specimen (one meter diameter discs) make it, to the candidate’s knowledge, the largest for which data has been published. The model design allows for the fitting of either a plain solid heave plate or a flapped reinforced one; both have been built. The latter is a model scale reproduction of the prototype heave plate and includes some distinctive features, the most important being the inclusion of a vertical flap on its perimeter. The forced oscillation tests have been conducted for a range of frequencies and amplitudes, with both the solid plain model and the vertical flap one. Forces have been measured, from which added mass and damping coefficients have been obtained. These are necessary to accurately compute time-domain simulations of mooring design. The coefficients have been compared with literature, and potential flow and CFD predictions. In order to provide information for the structural design of the platform, pressure measurements on the top and bottom side of the heave discs have been recorded and pressure differences analyzed. In addition, in order to conduct a detailed investigation on the numerical estimations of the slow-drift forces of the HiPRWind platform, an experimental campaign involving captive (fixed) model tests of a model of the whole platform in bichromatic waves has been carried out. Although not reproducing the more realistic scenario, these tests allowed a preliminary verification of the numerical model based directly on the forces measured on the structure. The following outcomes can be enumerated: 1. Damping and added mass coefficients show, on one hand, a small dependence with frequency and, on the other hand, a large dependence with the motion amplitude, which is coherent with previously published research. 2. Measurements with the prototype plate, equipped with the vertical flap, show that damping drops significantly when comparing this to the plain one. This implies that, for tank tests of the whole floater and turbine, the prototype plate, equipped with the flap, should be incorporated to the model. 3. Added mass values do not suffer large alterations when comparing the plain plate and the one equipped with a vertical flap. 4. A conservative damping coefficient equal to 6% of the critical damping can be considered adequate for the prototype heave plate for frequency domain analysis. A corresponding drag coefficient equal to 4.0 can be used in time domain simulations to define Morison elements. 5. When comparing to published data, some discrepancies in added mass and damping coefficients for the solid plain plate have been found. Explanations have been suggested, focusing mainly on differences in thickness ratio and distance to the free surface, and eventual scale effects. 6. Pressures on the plate equipped with the vertical flap are similar in magnitude to those of the plain plate, even though substantial differences are present close to the edge, where the flap induces a larger pressure difference in the reinforced case. 7. The maximum pressure difference scales coherently with the force equivalent to the acceleration of the added mass, distributed over the disc surface. 8. Added mass coefficient values predicted with the potential solver (WADAM) are not accurate enough. The used solver does not contemplate modeling thin plates with doublets. The relatively low accuracy of the results highlights the importance of these elements when performing potential flow simulations of offshore platforms which include thin plates. 9. For the full CFD solver (Ansys CFX), the accuracy of the computations is found reasonable for the plain plate. Such accuracy diminishes for the disc equipped with a vertical flap, an expected result considering the greater complexity of the flow. 10. In regards to second order effects, in general, the results showed that, although the main trend in the behavior of the second-order forces is well captured by the numerical predictions, some under prediction of the experimental values is visible. The gap between experimental and numerical results is more pronounced when Newman’s approximation is considered, making use exclusively of the mean drift forces calculated in the first-order solution. 11. It should be observed that the trends observed in the fixed model test may change when the body is free to float, and the impact that eventual errors in the estimation of the second-order forces may have on the mooring system depends on the characteristics of the sea conditions that will ultimately impose the maximum loads on the mooring lines. Nevertheless, the preliminary results obtained in this research do confirm that a more detailed investigation of the methods adopted for the estimation of the nonlinear wave forces on the FOWT would be welcome and may provide some further guidance for the design of such systems. As a final remark, the candidate hopes this research can benefit the offshore wind industry in improving the hydrodynamic design of the semi-submersible concept.