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.