Models for the Behavior of Offshore Structure Foundations. Part Two: Applications to Structural Design and Quality Assurance Processes
Modèles pour le comportement des fondations d'ouvrages types marins. Deuxième partie : applications au calcul d'ouvrage et processus d'assurance qualité
Y. Meimon
Institut Français du Pétrole
Designing the foundations of offshore structures is a complex task, requiring both expert experience and the use of numerical models for safety insurance and design cost optimization. In fact, forecasting foundation behavior demands a correct evaluation of the combined effects of construction phasing, spatial variability of the soil mechanical properties, uncertainties on the applied loadings and due to the geomaterial mechanical modeling techniques. For offshore platforms, this is compounded by the hazardous nature of environmental loadings. These loadings, which are often very severe, could have disastrous effects on structure behavior. This dissertation presents the synthesis of a ten-year research program, developed by a team of Institut Français du Pétrole, with the cooperation of university teams, technical centers and industrial companies. The objective was to set up methodologies and numerical tools for the behavior of typical offshore structure foundations, spanning their entire life. It is presented in two distinct parts. The first part presents specific methodologies for the soil/structure interaction analysis of offshore platforms, and discusses the development of rheological models for soil behavior under non-monotonous loading. The second part considers the use of these sophisticated models for analyzing offshore structure foundations. It shows how these models are integrated in the FONDOF/IFP software, by using the finite element method coupled with algorithms specific to the problems posed by offshore foundations. Several applications are presented, demonstrating the ability of these methods to describe observed phenomena. A special place is reserved for the description of a quality assurance process developed by the French GRECO CNRS 'Geomaterials' Group of university teams, technical centers and industrial companies. The steps of a process for validating constitutive models are applied to a typical shallow foundation structure. Prospects opened up by the research are discussed.
Résumé
La conception des fondations de grands ouvrages est une tâche complexe qui requiert à la fois l'expérience de l'expert et l'utilisation de modèles numériques adéquats pour assurer la sécurité et optimiser les coûts de dimensionnement. En fait, prévoir le comportement d'une fondation nécessite de bien évaluer les effets combinés de la technique de mise en place, de la variabilité spatiale des propriétés mécaniques, de l'incertitude sur les chargements et des techniques de modélisation du comportement mécanique des géomatériaux. Ceci est particulièrement vrai pour les plates-formes marines, qu'elles soient destinées à l'exploration ou à la production du pétrole, dans la mesure où les chargements non-monotones dus à l'environnement marin, souvent très sévère, peuvent avoir des effets très néfastes sur le comportement de ces structures. On présente, en deux parties, la synthèse d'une dizaine d'années d'activités de recherche, menées par une équipe de l'Institut Français du Pétrole (IFP), en collaboration avec plusieurs équipes universitaires et des centres techniques et industriels, pour la mise au point de méthodologies et d'outils adaptés au calcul du comportement des fondations d'ouvrages types marins durant toute la durée de vie de la plate-forme. Cet article concerne la deuxième partie qui est dévolue à l'application des modèles développés au calcul d'ouvrage par la méthode des éléments finis et à l'exposé d'un processus de validation des modèles, étape d'une démarche d'assurance qualité. Méthodes pour le calcul des fondations marines : Le système de programmes FONDOF utilisant la méthode des éléments finis a été développé. Il comprend (fig. 1. 1) des interfaces interactives de mise en données et de dépouillement des résultats ainsi que des modules de calcul, opérationnels comme FONGEO pour les calculs bi et tridimensionnels ou FONDAX pour le calcul des structures axisymétriques à comportement non-linéaire et chargées non-symétriquement, ou pour la recherche comme CALPTM pour les calculs poro-thermo-mécaniques. Plusieurs algorithmes spécifiques ont été développés : - Pour le calcul d'un grand nombre de cycles de chargement sur une structure : On utilise pour cela une technique d'homogénéisation des chargements périodiques dans le temps en prenant appui sur le fait que le temps d'un cycle, l'évolution du comportement de la structure n'est pas visible et que seule va compter l'évolution en moyenne de quelques variables caractéristiques sur une période de temps significative. On peut alors démontrer que le problème peut être résolu à l'aide d'une loi de comportement élasto-viscoplastique. Le modèle VISPLA est alors utilisé et la méthode est valable à condition que l'amplitude du chargement cyclique ne soit pas trop élevée (fig. 1. 3). - Pour le calcul du comportement d'interface sol-structure : Une modélisation par éléments joints (fig. 1. 6) est réalisée. On fournit des règles simples pour la détermination des propriétés mécaniques des joints. Elles sont validées sur quelques calculs d'ouvrages in situ (fig. 1. 7). - Pour le calcul des structures axisymétriques à comportement non-linéaire et chargées non-symétriquement (méthode semi-analytique) : On utilise une décomposition en série de Fourier des variables caractéristiques du calcul et on généralise la méthode de calcul usuelle en élastoplasticité (fig. 1. 11). La méthode a été validée avec succès (fig. 1. 12) par comparaison avec des calculs tridimensionnels et elle fournit des performances très intéressantes en temps calcul comme en place mémoire nécessaire (tableau 1. 1). Validation des modèles sur ouvrages types : L'effort de validation des modèles, mené essentiellement dans le cadre de GRECO CNRS Géomatériaux (Groupe Validation des Codes dont l'auteur est pilote) a permis : - Le développement d'une procédure de validation pour les modèles de géomatériaux (fig. 2. 1). - La réalisation d'outils pour la validation des modèles rhéologiques sur chemins homogènes. Des logiciels de détermination assistée par ordinateur de paramètres de modèles ont été développés, comme ADELAP pour I'IFP. La validation des modèles a été automatisée. Le logiciel VALOIS/IFP permet des applications intéressantes (fig. 2. 3 à 2. 5) avec sa banque de modèle rhéologiques et sa banque d'essais riche de 100 essais de qualité réalisés sur 4 matériaux granulaires. - La réalisation d'expérimentations de qualité sur l'ouvrage type fondation superficielleen laboratoire (fig. 2. 6 et 2. 7) comme en centrifugeuse (fig. 2. 8 à 2. 10). - La validation de nombreux modèles. En particulier, on montre les résultats obtenus avec le modèle CYCLADE aussi bien pour le chargement monotone (fig. 2. 13 et 2. 14) que pour le chargement cyclique (fig. 2. 13 à 2. 16) : pour les fondations superficielles courantes (de quelques m de diamètre) CYCLADE fournit de bonnes prédictions du comportement en déplacement. Une comparaison avec d'autres modèles est également fournie (fig. 2. 17 à 2. 23). Application au calcul d'ouvrages marins : Dans ce chapitre, on montre l'application des modèles développés au calcul de plusieurs types d'ouvrages marins : - Fondations superficielles de grand diamètre reposant sur un sol argileux sous une tempête (fig. 3. 1) ou sous un chargement de longue durée (fig. 3. 2). - Comportement des plates-formes auto-élévatrices. Le comportement d'un pode isolé sous une tempête (125 cycles calculés incrémentalement avec CYCLADE, figure 3. ) est calculé et on compare les résultats avec ceux de la méthode du pseudo-fluage cyclique. Les caractéristiques de rigidité d'un pode isolé sous tempête sont étudiées quand on mixe les types de chargement (fig. 3. 4). Enfin, le comportement d'une plate forme sous plusieurs tempêtes est calculé pour analyser l'effet du préchargement au cours de la mise en place (fig. 3. 5 à 3. 8). - Comportement des pieux chargés latéralement ou sous chargement incliné. Les calculs tridimensionnels (fig. 3. 10 à 3. 12 et 3. 14) reproduisent correctement un essai in situ. L'application de la méthode semi-analytique se traduit par des calculs de 8 à 20 fois plus rapides pour des résultats de même qualité (fig. 3. 13 à 3. 15). Dans la conclusion de cette période de 10 ans de recherches, on indique les avancées qui semblent acquises (modèles performants, processus d'assurance qualité), les améliorations qui peuvent être réalisées ainsi que les possibilités de transposition des acquis dans des domaines connexes à la géotechnique.
© IFP, 1992