Vibración Estructural y cómo evitarla

Las fuerzas dinámicas pueden ser representadas por su magnitud y sus frecuencias. Estas fuerzas se pueden considerar como estáticas cuando sus frecuencias son muy bajas en comparación a la frecuencia natural de la estructura en la cual está siendo aplicada.

El análisis de estas fuerzas algunas veces es llamado como análisis cuasi-estático para denominar que en realidad están prediciendo el efecto de cargas dinámicas tratadas como sus equivalentes estáticos. La mayoría de las cargas ambientales (vientos, terremotos, olas, transporte) pueden ser reemplazadas por equivalentes cuasi-estáticos.

Cuando las frecuencias de una fuerza dinámica y la frecuencia natural de una estructura se encuentran en el mismo rango, esta aproximación no es válida.

Este es el caso de la mayoría de las máquinas (compresores, bombas, motores, reductores, etc.) quienes producen fuerzas cuyas frecuencias superponen las frecuencias naturales de la estructura en el que están montadas.

En tal caso, sólo el análisis dinámico puede predecir con precisión la amplificación de la respuesta de la estructura. Estas cargas no pueden ser reemplazadas por equivalente cuasi-estáticos.

Lo que hacen estos análisis aún más desafiantes es el hecho que las máquinas, sus equipos y sus bases de montaje no pueden ser vista como cajas negras, ya que interactúan con la cimentación o la plataforma, y la única forma de saber su magnitud de esta interacción es realizando un análisis dinámico-estructural que incluye la cimentación.

Esta es una consideración crítica que cuando es pasada por alto, origina fallas en tuberías, reduce considerablemente la confiabilidad de los equipos y puede causar problemas de seguridad.

1- Vibración estructural y Resonancia

La vibración es debida a que la estructura es mecánicamente resonante. El término “resonancia” ocurre cuando las fuerzas dinámicas coinciden con las frecuencias naturales de la estructura soporte. En resonancia, las fuerzas son amplificadas hasta 20 veces, y causa que la estructura vibre por encima de los límites de seguridad.

Figura 1. Resonancia y vibración estructural es un problema común.

Problemas de resonancia estructural no están limitados a equipos de gran potencia. También ocurren con compresores o bombas reciprocantes más pequeñas, como claramente se ilustra debajo. La resonancia estructural es mejor evitada por un análisis de diseño dinámico y vibración estructural propiamente realizado.

Ejemplos:

  • Compresor de gas de 750 HP. La vibración estructural es 10 veces mayor que la vibración permitida en normas, incluso con refuerzos muy grandes que soportan la base.
  • Un sistema de bombeo pequeño produjo resonancia y una falla continua de los componentes del tren motriz, afectando así a la confiabilidad en un proceso crítico.
  • Un sistema motriz de una faja transportadora se encontraba produciendo resonancia con la plataforma que la sostenía.

2- Análisis de Vibraciones estructurales vs Análisis estático

Se recomienda realizar análisis estático, cuasi-estático y dinámico a instalaciones de producción offshore. Ya que estos términos pueden ser confusos, esta sección explica las diferencias y quién debería participar en la evaluación.

El análisis estático se basa en evaluar los esfuerzos y pandeo de los elementos sometidos a fuerzas constantes. Estas fuerzas también se pueden describir como fuerzas de frecuencia de 0 Hz.

El análisis cuasi-estático estudia los efectos de las fuerzas periódicas, pero a una frecuencia muy baja con respecto a las frecuencias naturales del conjunto de equipos y estructura.  Estos tienden a tener una frecuencia de menos de 3 Hz.

El análisis de dinámico-estructural predice los efectos dinámicos de la propia maquinaria, de modo que se puede evitar la resonancia. Las fuerzas dinámicas abarcan desbalances, desalineamientos, fuerzas de pulsación, momentos y otras (observe en la figura 2 un ejemplo de fuerzas dinámicas en un compresor de pistón). Las fuerzas relacionadas con la maquinaria ocurren a lo largo de diferentes bandas de frecuencia y puede causar una resonancia estructural localizada.

Figura 2. Fuerzas Dinámicas en un compresor común

El análisis dinámico-estructural se centra en evaluar los niveles de vibraciones y los esfuerzos. Es importante limitar las vibraciones de los miembros estructurales para controlar las vibraciones de los equipos y tuberías que están fijadas a la misma.

Los rangos de frecuencias de cargas aplicables y los criterios de diseño asociados para estos tres tipos de análisis se presentan en la figura 3 y en la tabla 1 (abajo).

Figura 4. Criterio de diseño para el análisis estático, cuasi-estático y dinámico.

 

Tabla 1. Comparación de estudios del diseño estructural
Análisis Estático Análisis Cuasi-Estático Análisis Dinámico

Fuerzas:

· Cargas muertas, incluyendo pesos de equipos permanentes.

· Cargas térmicas, que incluyen fuerzas creadas por cambios de temperatura y presión

· Par motor de compresores y motores

· Cargas de izaje y arrastre cuando se mueve el patín con grúas o winches. Estas cargas pueden incluir un factor de carga que considere el impacto de paradas repentinas o del movimiento del equipo de izaje. Un factor de carga entre 1,15 y 2,0 es común.

· Ángulo de escora, que crea cargas horizontales cuando un barco se inclina hacia un lado

Fuerzas:

· Cargas medioambientales como el viento, la corriente, el oleaje, los movimientos sísmicos, el hielo, sismos y la presión hidrostática que ocurren en cualquier dirección

· Cargas de construcción, entre las que se incluyen cargas de equipos en barcos, transporte e instalación

· El análisis de la fatiga se puede realizar sobre ciertas cargas como las causadas por las olas

·

Fuerzas – Ejemplo de un compresor

· Fuerzas de desequilibrio creadas por los pesos rotativos y de pistón (por ejemplo, cigüeñales, ensamblajes del pistón)

· Fuerzas de gas en el cilindro creadas por la diferencia de presión entre los extremos del lado del cilindro y del lado del cigüeñal.

· Fuerzas verticales en las guías de la cruceta

· Fuerzas de vibraciones inducidas por pulsaciones en el sistema de tuberías

· Desalineamiento

· Par motor de rotación en motores

· Vibraciones torsionales, que podrían causar vibraciones horizontales de la estructura del compresor

3. Un enfoque optimizado del diseño reduce peso, costos y evita la resonancia

Algo que suelen hacer las industrias es incrementar el tamaño y la posición de las vigas estructurales. Esto puede añadir considerable peso y costos de construcción e instalación, más allá de lo que es práctico, y no garantiza que se evite la resonancia.

El enfoque correcto para el análisis dinámico es preparar un modelo de elementos finitos preciso de las fuerzas dinámicas, bases y los miembros estructurales afectados.

El modelo aprobado, combinado con las fuerzas dinámicas, se utiliza para identificar las resonancias locales y evaluar las posibles soluciones.El diseño de los soportes de acero de la estructura para un conjunto compresor o de bombeo debe equilibrar la rigidez, la masa y el costo.

Una rigidez alta puede ayudar a evitar los problemas de vibraciones, pero un uso excesivo de vigas sobredimensionadas afectará a la masa y al costo. Un diseño optimizado identifica donde se puede añadir o quitar acero en los puntos clave para maximizar la rigidez y minimizar los costos.

Este enfoque optimizado le proporcionará al cliente ahorros de dinero significativos, muy superiores al costo por honorarios de ingenieros.

4. Integración dinámica estructural con la dinámica de los soportes y la maquinaria

Hay muchas razones por las que una empresa de ingeniería especializada en vibraciones/dinámica es elegida para completar el análisis dinámico de la estructura:

  • La evaluación depende del entendimiento preciso de las fuerzas dinámicas de la maquina (frecuencia, amplitud, cambios de la condición de operación, etc.). Estas fuerzas se determinan en los estudios de pulsaciones, análisis mecánico y otras evaluaciones que no han sido realizadas por los ingenieros estructurales.

  • El modelo dinámico de elementos finitos (EF) tiene muchas modificaciones y cambios comparado con el modelo estático. Estas modificaciones se basan en pruebas de campo de las plataformas y unidades flotantes de producción, almacenamiento y descarga (FPSO) utilizando shakers, estudios dinámicos de vibraciones y otras medidas in situ. Es necesario aplicar los resultados de campo a los FEM para asegurar resultados exactos

  • Las hipótesis adecuadas de las condiciones de contorno son necesarias para obtener unos resultados exactos. Dos unidades idénticas en una misma plataforma podrían comportarse de una forma completamente diferente cuando están sujetas a fuerzas dinámicas. Esto sucede porque la flexibilidad de la estructura de soporte influye en su comportamiento dinámico. Los estudios dinámicos de máquinas y bases están integrados con el modelo de la plataforma para asegurar que existen unas condiciones de contorno exactas.

  • Se necesita el modelo de EF creado en ANSYS o un simulador equivalente. Para mejorar la eficacia del análisis.

Se producen problemas costosos cuando se utiliza un enfoque simplificado para el análisis dinámico estructural.

5. Resumen

La resonancia estructural es un problema común en las instalaciones de producción Offshore que causa fallas relacionadas con la vibración en los sistemas de máquinas y tuberías.

Una vez que la instalación está construida, es muy caro modificar las vigas estructurales de la cubierta para arreglar un problema de vibraciones. Un enfoque más apropiado sería el de realizar un análisis de vibraciones estructurales de zonas específicas de la cubierta o de la plataforma.

Durante la fase de diseño, es fácil realizar cambios pequeños en la orientación y diseño de las vigas para evitar la resonancia. Este análisis dinámico está coordinado con el diseño para evitar vibraciones de un equipo rotativo y de pistón de gran tamaño.

No se debe confundir el análisis (dinámico) de vibraciones estructurales con el análisis cuasi-estático de las cargas producidas por el viento y las olas. Éste es un análisis diferente que está integrado con otros estudios dinámicos (bases y conjuntos compresores o de bombeo).