Un enfoque de simulación CEL para el nivelado por penetración de cimentaciones multi-cubo que incorpora el método de analogía térmica

Mantener las torres marinas rectas

Los parques eólicos marinos y las plataformas dependen de cimentaciones sólidas ancladas en sedimentos blandos del lecho marino. Cuando estas cimentaciones se inclinan durante la instalación, su resistencia y seguridad disminuyen, y corregir esa inclinación en el mar es costoso y difícil de probar. Este estudio muestra cómo las simulaciones por ordenador pueden predecir de forma económica y fiable cómo un tipo especial de cimentación, formado por varios grandes “cubos”, se asienta y se nivela sobre el lecho marino, incluyendo cómo el agua de mar se desplaza a través de la arena durante el proceso.

Por qué importan las cimentaciones multi-cubo

En lugar de hincar muchos pilotes largos en el lecho marino, los ingenieros pueden usar cimentaciones multi-cubo, que parecen un racimo de latas invertidas conectadas por una estructura. Estos sistemas son atractivos porque se instalan más rápido, a veces pueden reutilizarse y alteran menos el fondo marino que los métodos tradicionales. Sin embargo, condiciones desiguales del fondo o una resistencia del suelo variable pueden hacer que toda la cimentación se incline al hundirse. Las normas para estructuras offshore limitan esta inclinación a unos pocos grados, por lo que los instaladores deben controlar cuidadosamente cómo se introduce cada cubo en el fondo aplicando succión, un vacío suave dentro de los cubos. Hasta ahora, la mayor parte de la orientación sobre cómo hacerlo procedía de ensayos en tanques pequeños y que consumen mucho tiempo.

Usar el flujo como calor en un cajón de arena digital

Simular este proceso es complejo porque el suelo alrededor de los cubos se deforma mucho y el agua de mar se filtra por los poros al mismo tiempo. Las herramientas numéricas estándar tienen dificultades cuando la malla del suelo se estira o gira en exceso, y muchas no manejan directamente el flujo de agua con grandes deformaciones. Los autores emplean una técnica llamada método acoplado Euleriano-Lagrangiano (CEL), en la que se permite que el suelo “fluya” a través de una rejilla fija mientras los cubos de acero se mueven dentro de ella. Para capturar el movimiento del agua sin elementos fluidos especiales, aprovechan una coincidencia matemática: las ecuaciones que describen la filtración estacionaria a través del suelo tienen la misma forma que las que describen la difusión del calor en un sólido. Tratando la presión del agua como si fuera temperatura, y el flujo como si fuera flujo de calor, pueden seguir la filtración usando el módulo de transferencia de calor del software.

Comprobando la analogía y el modelo

Antes de confiar en este atajo, el equipo lo valida con dos problemas clásicos: agua que fluye por una columna alta de arena y agua que se mueve alrededor de un muro impermeable enterrado en el suelo. En ambos casos, las simulaciones basadas en la “temperatura” coinciden con cálculos convencionales de filtración en cuanto a esfuerzos, cambios de presión y patrones de flujo, mostrando que la analogía es válida para flujos lentos y saturados. A continuación construyen una versión virtual detallada de una cimentación de cuatro cubos probada anteriormente en un tanque de laboratorio. Ajustando sólo unos pocos parámetros del suelo dentro de límites realistas, la simulación reproduce la profundidad alcanzada por el propio peso, la fuerza adicional necesaria para empujar la cimentación hasta una profundidad objetivo y cuánto se corrige la inclinación cuando se aplica una succión suave en el cubo más elevado.

Mirando dentro del lecho marino durante el nivelado

Confiados en el modelo, los autores usan la analogía térmica para examinar el suelo durante el nivelado, algo imposible de observar en el laboratorio. Congelan el movimiento de los cubos en varios momentos clave y calculan el patrón de filtración estacionaria alrededor de un par de cubos. Los resultados muestran que los cambios en la presión de poro se concentran bajo y cerca del cubo donde se aplica la succión, extendiéndose con mayor profundidad que lateralmente. Las mayores velocidades del agua se producen en el borde del cubo, especialmente a lo largo de la pared interior, mientras que el flujo en la zona central dentro del cubo es mucho más lento. A medida que los cubos penetran más, estas velocidades de filtración disminuyen gradualmente, lo que sugiere que un mayor empotramiento permite aplicar una succión ligeramente más intensa sin provocar la falla del suelo.

Qué significa esto para el diseño offshore

En términos simples, el estudio ofrece una forma rápida y práctica de realizar ensayos virtuales de estrategias de nivelado para cimentaciones multi-cubo en ordenador en lugar de depender únicamente de costosas pruebas en tanques. Dentro de sus límites —condiciones lentas y saturadas y un modelo de suelo simplificado— el enfoque puede predecir cuánto se moverá una cimentación inclinada cuando se ajuste la succión y dónde en la arena circundante la filtración es más intensa. Esto proporciona a los ingenieros una herramienta para refinar los planes de instalación, reducir el riesgo de inclinaciones excesivas o erosión local del suelo y comprender mejor cómo interactúan estos racimos de cubos con el lecho marino a medida que la energía eólica offshore y otras estructuras marinas se extienden a aguas más profundas.

Cita: Gao, K., Cheng, Z., Yu, K. et al. A CEL simulation approach for penetration-leveling of the multi-bucket foundation incorporating the temperature analogy method. Sci Rep 16, 16165 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-45440-1

Palabras clave: cimentaciones eólicas marinas, cimentación multi-cubo, filtración del suelo, simulación numérica, ingeniería del lecho marino