Aplicaciones y avances del equipo de centrífuga en ingeniería geotécnica marina
Las pruebas con modelos físicos a escala de cimentaciones
para infraestructura marina y ductos submarinos
con equipo de centrífuga representan el estado del arte
experimental en geotecnia marina, y son ya una herramienta
reconocida en la industria petrolera y en la academia para
entender el comportamiento de la infraestructura costa
afuera y apoyar su diseño (Gaudin et al., 2010). El equipo
de centrífuga aplica rotación para reproducir artificialmente
campos gravitatorios mayores que la aceleración de la gravedad
(g) sobre los modelos físicos.
La idea original de realizar pruebas a modelos físicos con
equipo de centrífuga se remonta al año 1869. En Francia,
Édouard Phillips propuso modelar puentes tubulares sujetos
a un campo gravitacional de 50 veces el valor de g (Craig,
1989 y 1995); sin embargo, las pruebas sugeridas en esa
propuesta nunca se llevaron a cabo. La utilización del equipo
de centrífuga en geotecnia aparece en la década de 1960 en
las universidades de Manchester y Cambridge, en el Reino
Unido. El profesor Andrew Schofield retomó las aplicaciones
con equipo de centrífuga realizadas en la Unión Sovié-
tica y reportadas por Davindenkov y Pokrowsky y realizó
en la Universidad de Cambridge sus primeros trabajos en
modelado físico geotécnico de taludes de arcilla (Schofield,
1980). A partir de los setenta y ochenta, las aplicaciones de
la centrífuga aumentaron considerablemente en ingeniería
geotécnica, y esto incluyó su inicio en geotecnia marina con
mediciones en modelos de cimentaciones para plataformas
marinas de gravedad (Rowe y Craig, 1981). Sin ser exhaustivos,
algunos de los trabajos en geotecnia utilizando centrí-
fuga se han dedicado al estudio del fenómeno de licuación
(Taboada-Urtuzuástegui y Dobry, 1998), a la estabilidad de
taludes reforzados con geotextiles (Zornberg et al., 1997), a
los pilotes para estructuras costa fuera (Murff, 1996), a los
pilotes de succión para sistemas flotantes de producción de
petróleo (Clukey et al., 2003) y a ductos submarinos interactuando
con el suelo (Gaudin y White, 2009).
Las propiedades mecánicas del suelo dependen directamente
del nivel de esfuerzos efectivos, por lo que el uso de
modelos geotécnicos a escala en un laboratorio convencional
para una gravedad (1 g) no reproduce el mismo nivel de
esfuerzos que existe en el prototipo. Por lo tanto, el interés
principal asociado con el uso de modelado físico con equipo
de centrífuga en geotecnia se fundamenta en la posibilidad de
que el incremento del campo gravitacional permita alcanzar
el mismo nivel de esfuerzos y deformaciones en el modelo,
en comparación con el prototipo. La ecuación 1 muestra el
potencial incremento de la aceleración en relación con el giro
del brazo del equipo, lo cual se ilustra en la figura 1.
N × G = r × ω2 (1)
donde g es la aceleración de la gravedad, N es el número
de veces el valor de g o factor de escala seleccionado, r es
el radio del brazo del equipo, y w es la velocidad angular
(en rad/s). Por ejemplo, un equipo con radio de 3 m para
alcanzar un valor de 100 g (N = 100) debe girar a 173 rpm.
La modelación física con equipo de centrífuga se fundamenta
en las leyes de escalamiento entre prototipo y modelo.
El escalamiento de los parámetros físicos y geométricos
representa una parte clave del uso de este equipo experimental.
Algunas de las leyes de escalamiento más importantes
se enlistan en la tabla 1. Se identifica que el factor de escala
para esfuerzo en el modelo es la unidad, mientras que la
longitud y el tiempo de difusión hidráulica son inversamente
proporcionales al factor de escala N y al cuadrado del número
de veces g (N2
), respectivamente. El factor de escala para
el tiempo de difusión resulta particularmente importante
en el caso de suelos finos, debido al tiempo requerido para Las principales aplicaciones del equipo se han enfocado
en evaluar experimentalmente la capacidad de carga de pilotes
de succión sujetos a carga inclinada (los pilotes están
conectados al sistema de amarre de los sistemas flotantes) y
a carga combinada (caso de los sistemas submarinos). Las
dimensiones típicas de los pilotes de succión en sistemas
flotantes consisten en diámetros que varían entre 3 y 6 m,
con relaciones entre longitud del pilote y su diámetro en el
rango de 3 a 5. Adicionalmente, las pruebas de centrífuga se
han utilizado para medir en laboratorio el proceso de instalación
de pilotes de succión (Andersen et al., 2005). En el caso
de sitios en aguas profundas, el suelo del Golfo de México
es en general arcilla normalmente consolidada (Yun et al.,
2006), por lo que el efecto del aumento del campo gravitatorio
sobre el tamaño de las partículas puede despreciarse
(Murff, 1996).
MODELADO FÍSICO CON EQUIPO DE CENTRÍFUGA
EN GEOTECNIA MARINA
En el contexto de la geotecnia marina, la modelación física
de cimentaciones y ductos submarinos es crucial para evaluar
su estabilidad, calibrar su modelado numérico y validar
nuevos diseños de infraestructura en condiciones geotécnicas
particulares (Gaudin et al., 2010). Entre las ventajas
más importantes de las pruebas de centrífuga destaca la capacidad
de modelar infraestructura a escala sujeta al mismo
nivel de esfuerzos que las condiciones in situ, reproducir
condiciones geotécnicas particulares de sitios de interés
tanto en condiciones drenadas como no drenadas, conocer
modos de falla a priori, calibrar modelos numéricos, validar
ecuaciones de diseño y realizar múltiples pruebas en comparación
con modelos físicos 1 g (odómetros de gran tamaño).
También se pueden reproducir modelos de infraestructura en
condiciones de operación específica o sujeta a algún geopeligro,
como la inestabilidad de taludes y sismos.
INNOVACIONES MÁS
RECIENTES PARA LOS EQUIPOS
DE CENTRÍFUGA
Las innovaciones tecnológicas para el
equipo de centrífuga se pueden identificar principalmente
en términos del mejoramiento de los sistemas de adquisición
de datos basados en componentes
electrónicos miniatura, microprocesadores
computacionales y técnicas
para adquisición de imágenes digitales
(Gaudin et al., 2010); también en
actuadores hidráulicos y robots que
aplican fuerzas al modelo físico en
forma más precisa. Tanto los sistemas
de adquisición de datos como los actuadores
tienen el reto de ser capaces
de operar cuando el equipo de centrífuga
está girando (in flight) a altos
valores de g.
En la Universidad de Western, Australia,
se ha desarrollado un sistema de
adquisición suficientemente robusto
para funcionar sometido a altos valores
de g. El sistema es inalámbrico
usando puertos tipo Ethernet para la
transferencia de información; cuenta
con unidades de almacenamiento de
datos sin alimentación de electricidad,
existen acondicionadores de señal y la adquisición puede
ejecutarse con diferentes velocidades de muestreo de datos condiciones de campo que permiten
calibrar los procedimientos de diseño
y validar nuevos diseños de cimentaciones
para sistemas flotantes y
submarinos de producción, así como
para ductos marinos.
