Estudo numérico da atenuação de cargas devido à interação solo-corrente em linhas de ancoragem de plataformas offshore

Abstract

A partir do progresso da exploração de petróleo e o avanço para zonas offshore em grandes profundidades de coluna d’água, a solução para a manutenção do posicionamento das plataformas migrou dos convencionais sistemas fixos e rígidos para sistemas de ancoragem flexíveis, formados pela união de linhas de ancoragem com elementos de fundação. Em suma, um sistema de ancoragem consiste em um cabo ou corrente fixado na unidade flutuante, em sua extremidade superior, e em uma âncora ou estaca, na sua extremidade inferior, apresentando tanto um trecho de corrente submerso quanto um trecho de corrente embutido no interior do solo. Neste contexto, observações práticas e investigações experimentais conduzidas em escala reduzida mostram que a carga aplicada no ponto de embutimento da corrente, situado na superfície do solo marinho, não apresenta a mesma magnitude e direção da carga atuante no dispositivo de ancoragem. Tal fenômeno é identificado como “atenuação de carga” e pode ser relacionado com o formato de catenária inversa desenvolvido pela linha de ancoragem embutida no solo, que provoca reações normais e tangenciais na interface solo-corrente ao longo deste trecho. Atualmente, as soluções analíticas disponíveis na literatura possuem caráter empírico e não incorporam uma série de variáveis que agregam à complexidade do problema. Sendo assim, com o objetivo de analisar o problema sob o ponto de vista numérico e possibilitar sua futura reprodução e aprimoramento, é apresentado um modelo tridimensional em elementos finitos, simulando o maciço de solo, a linha de ancoragem e a interface entre os materiais, com o auxílio do software comercial ANSYS®, adotando seus elementos e leis de comportamento nativas. A fim de validar e verificar o modelo, foram selecionados diferentes estudos, tanto numéricos quanto experimentais, resultando em um conjunto total de 21 simulações para comparação. As análises propostas retornam os percentuais de carga atenuada para diferentes considerações de rigidez na interface solo-corrente, nas quais foi obtida boa correspondência com os resultados de referência. Além disso, para analisar a influência de propriedades mecânicas do solo e geometria da catenária formada, conduziu-se estudos paramétricos com variação de resistência não-drenada, módulo de elasticidade do solo, profundidade de ancoragem, ângulo na extremidade inferior da linha e projeção horizontal do trecho embutido, fornecendo outros 11 modelos para investigação. Como principais conclusões, ratificou-se a resistência do solo como a variável mais benéfica para o aumento da atenuação, verificou-se que a extensão horizontal da catenária pode ser mais impactante do que a profundidade de ancoragem na dissipação de carga e observou-se a existência de uma curva típica de atenuação em relação ao módulo de rigidez transversal da interface, a qual pode ser reproduzida em diferentes condições de ancoragem e interpretada para aplicação em projeto.

With the progress of oil exploration and the advancement towards offshore zones in greater depths, the solution for maintaining the positioning of platforms has shifted from conventional fixed and rigid systems to flexible mooring systems, formed by the combination of mooring lines and foundation elements. In essence, a mooring system consists of a cable or chain fixed to the floating unit at its upper end and an anchor or pile at its lower end, which implies that, along its length, the chain is not only submerged in water but also embedded in the soil. In this context, practical observations and experimental investigations conducted on a reduced scale reveal that the load applied at the embedment point located on the seabed does not reach the same magnitude and direction as the load acting on the anchoring device. This phenomenon, identified as "load attenuation," can be related to the inverse catenary shape developed by the embedded mooring line, providing normal and tangential reactions at the soil-chain interface along the segment. Currently, the analytical solutions available in the literature are empirical and do not incorporate a series of variables that add to the complexity of the problem. Therefore, to analyze the problem from a numerical perspective and enable its future reproduction and improvement, a three-dimensional finite element model is presented, simulating the soil mass, the mooring line, and the soil-chain interface, within the commercial software ANSYS®, adopting its native elements and constitutive materials behavior. To validate and verify the model, different studies were selected, both numerical and experimental, resulting in a total set of 21 simulations for comparison. The proposed analyses return percentages of attenuated load for different stiffness considerations in the soil-chain interface, in which good correspondence with reference results was obtained. Furthermore, to analyze the influence of soil mechanical properties and the geometry of the expected catenary, parametric studies were conducted with variations in undrained strength, soil Young’s modulus, mooring depth, angle at the lower end of the line, and horizontal projection of the embedded segment, providing 11 additional models for investigation. As the main conclusions, soil strength was reaffirmed as one of the most beneficial variables in increasing attenuation, it was observed that the horizontal extension of the catenary can be more impactful than mooring depth in load dissipation, and the existence of a typical attenuation curve related to the transversal stiffness modulus of the interface was observed, which can be reproduced in different mooring conditions and interpreted for application in engineering design.