Modelagens dos mecanismos de interação de linhas de ancoragem de plataformas offshore em solos argilosos

Abstract

A viabilidade de atividades de exploração de petróleo em águas ultra profundas requer desenvolvimento permanente de novos conhecimentos, principalmente nas áreas de fundações offshore relacionadas à instalação de âncoras e sistemas de ancoragem. Neste contexto, o objetivo desta tese consistiu em estudar os mecanismos de interação entre linhas de ancoragem e solos argilosos por meio de modelagens físicas e numéricas. O entendimento do mecanismo e determinação dos parâmetros de resistência devido à interação solo – corrente são importantes para validação e melhoria dos modelos analíticos utilizados para estimar distribuição de cargas nas linhas de ancoragem e configuração da catenária invertida. As abordagens para a concretização do objetivo do estudo consistiram em caracterizar os comportamentos físico, químico e mecânico da argila, realizar ensaios experimentais em modelos reduzidos – escala 1:40 – de arrancamento de correntes em solos argilosos, e analisar por Métodos de Elementos Finitos através do software ABAQUS os mecanismos de interação. A partir dos resultados dos ensaios de caracterização foram abordados aspectos de comportamento do solo relacionados à tixotropia, strain softening, sensibilidade, viscosidade, resistência não drenada, compressibilidade e tensão de sobreadensamento virtual. Dessas análises, foi observado que o comportamento da argila é influenciado pelas características dos argilominerais, tempo tixotrópico, níveis de tensões e índice de liquidez devido às forças interpartículas. Foram ainda discutidos os diferentes comportamentos relacionados às distorções, quebras e reorientação de microestruturas da argila durante o cisalhamento. Os resultados dos ensaios de arrancamento mostraram que o comportamento da curva carga × deslocamento depende das características do solo, e da geometria e rigidez de correntes (livre e soldada) e da direção do deslocamento. Foi observado que os comportamentos strain softening e viscoso, características do solo argiloso, exercem uma considerável influência na resistência de interface solo – corrente. Diferentes mecanismos de mobilização da carga foram investigados e discutidos com base nas observações e resultados experimentais. Disso foi concluído que as cargas medidas são resultado da mobilização da resistência de ponta e do atrito lateral. A combinação dos resultados de diferentes tipos de ensaios permitiu determinar e discutir os parâmetros 𝛼, 𝑁𝑐, EWS, EWB e 𝜇 importantes na análise de instalação de sistemas de ancoragem e catenária invertida, indicando a possibilidade de uso dos valores obtidos em modelos analíticos usados nos projetos de fundações offshore. Por fim, destaca-se que o Modelo de Elementos Finitos utilizado reproduziu de forma satisfatória alguns padrões de comportamento observados nos ensaios em modelo reduzido, com especial atenção aos mecanismos de mobilização das resistências de ponta e atrito lateral, campos de deslocamentos e zona de plastificação. As discussões e conclusões apresentadas nesse trabalho identificam os mecanismos de interação de linhas de ancoragem em solos argilosos, necessários aos projetos de estrutura offshore.

The feasibility of oil exploration activities in ultra deep water requires permanent research and development, especially in the offshore foundations areas related to the installation of anchors and mooring systems. In this context, the objective of this thesis was to study the interaction mechanisms between mooring lines and clay soils through physical and numerical modeling. The understanding of the mechanism and determination of the resistance parameters due to the soil - chain interaction are important for the validation and improvement of the analytical models used to estimate the load distribution on the mooring lines and the configuration of the inverse catenary. The following approaches have been performed to the accomplishment of the objective of the study: characterize the physical, chemical and mechanical behavior of the clay, carry out tests in reduced models - scale 1:40 - of pulling out of chains in clayey soils, and analyze by Finite Element Methods interaction mechanisms. From the results of the characterization tests, soil behavior aspects related to thixotropy, strain softening, sensitivity, viscosity, undrained shear resistance, compressibility and virtual pre-consolidation stress were addressed. These analyzes allowed to observe that the soil behavior is influenced by the characteristics of clay minerals, thixotropic time, stress levels and liquidity index due to the interparticle forces. The different behaviors related to the distortions, breaks and reorientation of the soil microstructures during the shearing were also investigated and discussed. The results of the pullout tests showed that the load × displacement response depends on the soil characteristics, the geometry and stiffness of the chains (free and welded) and the displacement direction. It was observed that the strain softening and viscous behaviors, characteristics of the clayey soil, has considerable influence in the soil-chain interface resistance. Different mobilization mechanisms of the load measured were investigated and discussed based on experimental observations and results. From this it was concluded that the total load is due to the mobilization of the tip and lateral resistances. The combination of the results of different tests allowed to determine and discuss the parameters α, Nc, EWS, EWB and μ important in the analysis of the installation of mooring systems and inverse catenary, indicating the possibility of their use in the analytical models used in offshore foundation areas. Finally, it should be noted that the Finite Element Model reproduced satisfactorily some patterns of behavior observed in the experimental model, with special attention to the mobilization mechanisms of the tip and lateral resistances, displacement fields and yield zone. The discussions and conclusions presented in this study identify the interaction mechanisms of mooring lines in clay soils, necessary for offshore foundation designs.