CIMENTACIONES DE ESTRUCTURAS OFFSHORE EN SUELOS LICUABLES

El notable crecimiento que ha experimentado las estructuras Offshore desde 1947, cuando se instaló la primera plataforma petrolera a unos 30 kilómetros de la costa de Luisiana, está profundamente relacionado con la explotación de los recursos naturales y los nuevos avances tecnológicos. Las estructuras marinas tienen tres aplicaciones principales en la industria: plataformas de petróleo y gas, islas artificiales y estructuras de parques eólicos marinos. En particular, la construcción de proyectos eólicos marinos importantes ha aumentado en todo el mundo en las últimas dos décadas debido al aumento actual de la necesidad de producción de energía renovable, limpia y sostenible (Zaldivar,2023).

Además, se están desarrollando tecnologías para generar electricidad a partir de las olas, las mareas y las corrientes, y también se necesitarán nuevas estructuras marinas. Hoy en día, el 81% del consumo energético mundial proviene de combustibles fósiles: carbón, petróleo y gas; el 6% por energía nuclear; y el 13% por fuentes renovables. Los investigadores han proyectado un incremento gradual en la energía proporcionada por fuentes renovables, y se espera que alcance niveles cercanos al 20% en los próximos 20 años (Newell et al., 2016). A pesar de que la quema de combustibles fósiles está afectando negativamente al clima global, el petróleo es la industria más grande del mundo (Ross, 2012).

A raíz de las preocupaciones ecológicas y los peligros relacionados con la energía atómica, las tecnologías eólicas se reintrodujeron en la década de 1980 como una opción real para suministrar energía renovable, limpia y sostenible. Desde entonces, el viento ha contribuido al 50% de la generación de energías renovables y se han construido más de 115 parques eólicos en todo el mundo. Actualmente, su demanda crece a un ritmo del 12,6% anual (Newell et al., 2016). La electricidad renovable también está creciendo debido a incentivos financieros y mandatos diseñados para estimular su despliegue. En 2002, el gobierno del Reino Unido implementó una política para reducir las emisiones de CO2, con el objetivo de suministrar al menos el 10% del consumo total en 2010 y el 20% en 2020 a partir de fuentes renovables. Recientemente, en 2014, la Comisión Europea emitió un nuevo objetivo de generación de electricidad renovable del 32% para 2030.

Tanto en la industria petrolera como en la eólica, alrededor del 30% de la producción total de energía está relacionada con proyectos marinos. Más concretamente, el 18% del consumo mundial de energía proviene de estructuras marinas a través de más de 10 000 plataformas marinas y 5 800 turbinas eólicas actualmente instaladas en todo el mundo. En el caso de la industria eólica, los proyectos marinos se han vuelto más atractivos para este sector porque el mar es relativamente plano, lo que aumenta las características de generación de energía; La velocidad del viento marino es aproximadamente un 90% mayor que la del interior, aunque existen diferencias considerables entre el verano y el invierno.

Además, los proyectos de energía eólica marina permiten evitar impactos ambientales adversos o conflictos entre usos alternativos del suelo, dos problemas habituales que se encuentran en los proyectos de energía eólica terrestre (Hau, 2013; Perveen et al., 2014; Dean, 2009). A medida que se implementan más estructuras offshore, surgen nuevos desafíos. Las plataformas petroleras se construyen en profundidades de agua de 1 ma 2 km. Asimismo, aunque los parques eólicos deberían planificarse lo más cerca posible de la costa, la profundidad del agua también ha ido aumentando. Entre 1991 y 2007, la profundidad del agua de los parques eólicos marinos osciló entre 2 y 22 metros. La primera turbina eólica marina flotante se instaló en la costa de Noruega en 2009. Ocho años después, en 2017, el primer parque eólico flotante del mundo entró en funcionamiento en Escocia, donde la profundidad del agua es de 78 metros; sin embargo, el diseño del concepto flotante se puede aplicar a profundidades de agua de hasta 500 metros (Perveen et al., 2014; Tong, 1998).

La necesidad de construir proyectos marinos implica considerar lugares no sólo donde la profundidad del agua es mayor sino también donde existen peligros geológicos, incluida la sismicidad. La Figura 1 muestra tres mapas para contrastar el potencial de la energía eólica marina con áreas donde se han registrado terremotos con magnitudes mb ≥ 4 desde 1963. En esta situación, es probable que se produzcan fenómenos como la licuación del suelo, con consecuencias potencialmente catastróficas para la integridad de la energía eólica marina. estructuras si no se consideran adecuadamente durante el proceso de diseño.

Las principales alternativas para la cimentación de estructuras costa afuera se muestran en la Figura 2, e incluyen (Villalobos, 2006; Liu et al., 2014; Randolph et al., 2011): bases de gravedad, monopilotes, torres de chaqueta apiladas, cajón de succión monopié, cajones de succión múltiples, cilindro de concreto reforzado apilado, cimiento de trípode, anclaje de succión, cimiento flotante, cimiento de cucharón ancho y poco profundo y cimiento de cucharón compuesto. En general, los cimientos de las estructuras marinas están determinados por el tamaño y el peso del sistema y la torre, las condiciones locales del terreno, la velocidad máxima del viento, la profundidad del agua, la altura de las olas, las corrientes y las propiedades del oleaje (Kaiser y Snyder, 2012). En cuanto a las condiciones del terreno, la DNV (2010) establece que el diseño geotécnico de cimentaciones debe considerar tanto la resistencia como las deformaciones del suelo de cimentación.

Un tema crítico a considerar durante el diseño de estructuras marinas es la posible licuación de suelos granulares; es necesario analizar este tema en todas las fases del proyecto, incluyendo la construcción y operación (Negro et al., 2014; DNV, 2010; Gerwick, 2007). Los efectos de la carga cíclica sobre las propiedades del suelo también deben analizarse en el diseño de cimientos, y los esfuerzos de corte cíclicos conducen a un aumento gradual en la presión de poro, que, junto con el aumento de las deformaciones de corte permanentes, puede reducir la resistencia al corte del suelo.

Asimismo, Houlsby et al. (2001) señalan que varios sitios potenciales para la instalación de instalaciones marinas se encuentran en arena medianamente suelta, donde la posibilidad de licuación es alta, particularmente durante las primeras tormentas antes de que los cimientos se hayan asentado suficientemente en los suelos del fondo marino. La licuación a menudo ha causado grandes daños a los cimientos marinos y marinos, y ha sido reconocida como la principal causa de la inestabilidad del fondo marino que probablemente ocurra en sedimentos marinos saturados (o casi saturados) de suelos no cohesivos (Zhao et al., 2017). La licuación puede tener consecuencias catastróficas para las estructuras marinas, como grandes desplazamientos horizontales de túneles sumergidos, flotación de tuberías, inclinación de cajones y falla por corte de taludes de rompeolas. La evaluación de la licuación en alta mar implica evaluar las cargas cíclicas causadas por la actividad sísmica y las olas de agua, especialmente durante las tormentas.

Youd et al. (2001) definen la licuación como la transformación de material granular de un estado sólido a un estado licuado debido al aumento de la presión del agua de los poros y la reducción de las tensiones efectivas. El aumento de la presión del agua de poro es inducido por la tendencia de los materiales granulares a compactarse cuando se someten a deformaciones cíclicas por corte. Este cambio de estado ocurre más fácilmente en suelos granulares sueltos a moderadamente densos con drenaje deficiente, como arenas limosas o arenas y gravas cubiertas por vetas de sedimento impermeable o que las contienen. A medida que se produce la licuación, el estrato del suelo se ablanda, permitiendo que se produzcan grandes deformaciones cíclicas.

En materiales sueltos, el ablandamiento también va acompañado de una pérdida de resistencia al corte que puede provocar grandes deformaciones por corte o incluso fallas de flujo bajo tensiones de corte de moderadas a altas. En materiales moderadamente densos a densos, la licuación condujo a un ablandamiento transitorio y a un aumento de las deformaciones de corte cíclicas, pero una tendencia a dilatarse durante el corte inhibe una pérdida importante de resistencia y grandes deformaciones del terreno. Debajo de un terreno con una pendiente suave y plano, la licuación puede provocar una oscilación del suelo o una dispersión lateral debido a la deformación del flujo o a la movilidad cíclica. Los suelos sueltos también se compactan durante la licuación y la reconsolidación, lo que provoca asentamientos.

Durante la licuación, los asentamientos se deben a deformaciones volumétricas y de corte, pero los asentamientos posteriores a la licuación se deben principalmente a deformaciones volumétricas. Durante los últimos años, se han llevado a cabo intensas investigaciones para estudiar el comportamiento de las estructuras marinas bajo cargas cíclicas y licuación. Un breve resumen de esos estudios de investigación es el siguiente:

Estos estudios sugieren que las metodologías de diseño para estructuras marinas aún están en desarrollo y que se necesita más investigación.