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Utilisation des éléments finis pour le dimensionnement de caissons

de fondation offshore

CFMS 16 Mars 2011

Présenté par: Elisabeth palix

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Structures offshore

Encastrement relatif L/D

Fondations superficielles

L/D=0

Ancres à succion

Mono-pieux d’éoliennes offshore

Pieux

L/D=2 L/D=5 L/D=15

Caissons à succion

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Fondations superficielles

Encastrement relatif L/D

Fondations superficielles

L/D=0 L/D=2 L/D=5 L/D=15

��API RP2AAPI RP2A

��DnVDnV fondationsfondations

��ISO 19901ISO 19901--44ExcentricitExcentricitééSurface rSurface rééduiteduite

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Pieux longs flexibles

Encastrement relatif L/D

L/D=0

Pieux

L/D=2 L/D=5 L/D=15

Lateral load

Soi

l res

ista

nce

p

Deflection y

Static

Cyclic

Lateral load

Soi

l res

ista

nce

p

Deflection y

Static

CyclicSoi

l res

ista

nce

p

Deflection y

Static

Cyclic

Structure soupleStructure soupleDecouplage V,H

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Utilisation d’éléments finis pour le design d’un caisson à succion

Encastrement relatif L/D

L/D=0 L/D=2 L/D=5 L/D=15

Caissons à succionH

M

Forte interaction entre:Forte interaction entre:

��la charge verticale (tension ou la charge verticale (tension ou compression): Vcompression): V

��la charge horizontale: Hla charge horizontale: H

��les moments: Mles moments: M

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Manifold + interface + suction pile

Diamètre: D=5m,

Longueur: L=12.4m,

Poids submergé: W’=636kN

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Bathym étrie

� 200m de profondeur d’eau� pente moyenne 2-3°

� zone de sismicité moyenne àforte (PGA=0.24g pour une période de retour de 475 ans)

� argile molle normalement consolidée (1 sondage de 50m disponible)

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Cas de chargement

� Cas de charge:– (i) poids propres: manifold,

pipekit, jumper, interface, fondation

– (ii) charge opérationnelles

– (iii) charges accidentelles: trawboard snag, droppedobjects, earthquake

� 104 combinaisons de charges Vertical + Horizontal + Moment + Torsion

0

5000

10000

15000

20000

0 500 1000 1500 2000 2500

H (kN)

M (

kN.m

)

operating caseHydro test

dropped objectstrawboard loadSeismic loading case: 200-year RP

Seismic loading case: 1000-year RP

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Organisation du projet

Etude de stabilitEtude de stabilitééde pentede pente

Pré-dimensionnementde la fondation

faisabilité

diamètre D et longueur L1 du caisson

Analyse dynamiqueAnalyse dynamique charge sismique en tête du caisson

Mise à jour des dimensionsde la fondation longueur L2 du caisson

L2 # L1non

Vérification de la capacité sous

la charge dimensionnante

Étude d’interaction sol structure

FLAC 2DFLAC 2D

FLAC 3DFLAC 3D

PLAXIS 3DPLAXIS 3D

oui

Design structurel

Finalisation du design

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Période de retour: 1000 ans, Motion: 1994 Northridge

FLAC2D: analyse de stabilité de pente

� modèle dynamique 2D prenant en compte un comportement non linaire sous chargement dynamique

� 6 signaux temporels utilisés en entrée

� 2 périodes de retour 200 et 1000 ans

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FLAC (Version 6.00)

LEGEND

10-May-10 12:13 step 588561Dynamic Time 9.8000E+01 -7.667E+02 <x< 5.669E+02 -9.186E+02 <y< 4.150E+02

X-displacement contours 0.00E+00 4.00E-02 8.00E-02 1.20E-01 1.60E-01 2.00E-01Contour interval= 2.00E-02Boundary plot

0 2E 2

-8.000

-6.000

-4.000

-2.000

0.000

2.000

(*10^2)

-6.000 -4.000 -2.000 0.000 2.000 4.000(*10^2)

JOB TITLE : Mya North Field, Bay of Bengal, Offshore Myanmar - EQ: Peru N82W, 1000 yr

Séisme de 1000 ans: contours des déplacements horiz ontauxGround Motion: Peru N82W

Position du manifold

(m)

FLAC2D: analyse de stabilité de pente

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0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

-1 -0.5 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4X-Displacement (cm)

Dep

th (m

)

Chile L

Chile T

Northridge 235

Northridge 325

Peru N08E

Peru N82W

Average

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

-5 0 5 10 15

X-Displacement (cm)

Dep

th (m

)

Chile L

Chile T

Northridge 235

Northridge 325

Peru N08E

Peru N82W

Average

Profils des déplacements horizontaux

200 yr Return Period 1000 yr Return Period

FLAC2D: analyse de stabilité de pente

Déplacements maximum admissibles:

15cm

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Pré-dimensionnement

CANCAP2: analyse aux équilibres limites

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Bonne approche des courbes enveloppes avec Cancap2 sauf autour de la capacité latérale maximale: seulement possibilité de rupture en rotation

� Courbe enveloppe obtenue par Cancap2 pour 0.2 < L/D < 2

CANCAP2

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Pré-dimensionnement

0

5000

10000

15000

20000

0 500 1000 1500 2000 2500

H (kN)

M (

kN.m

)

operating caseHydro test

dropped objectstrawboard loadSeismic loading case: 200-year RP

Seismic loading case: 1000-year RP

D=4m L/D=3

D=5m L/D=2.5

D=6m L/D=1.75

D=5m et L1=12.5m

Dimensions prDimensions prééliminairesliminaires

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FLAC3D détermination du spectre d’accélération

0.001

0.01

0.1

1

0.01 0.1 1 10

Period (sec)

SA

(g)

Pile Head

Free Field

a=0.72 pour le manifolda=0.21 pour l’interface

Charges sismiques

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Etude de stabilitEtude de stabilitééde pentede pente

Pré-dimensionnementde la fondation

Analyse dynamiqueAnalyse dynamique charge sismique en tête du caisson

Mise à jour des dimensionsde la fondation longueur L2 du caisson

L2 # L1non

Vérification de la capacité sous

la charge dimensionnante

Étude d’interaction sol structure

oui

Design structurel

calculs à la rupture vs calculs sous charges de service

��

��

��

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PLAXIS 3D: vérification de la capacité

PLAXIS 3D model

L = 50m

H =

50m

W = 25m

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PLAXIS 3D: vérification de la capacité

Séisme de période de retour 200 ans:

V = 2568kN, H = 1082kN, M =9960kN.m

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PLAXIS 3D: vérification de la capacité

0

2000

4000

6000

8000

10000

12000

14000

16000

18000

20000

22000

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 2400 2600

H (kN)

M (k

N.m

)

ENVELOPE (V = 0.55Vmax)

H0, Randolph (1998)

Loading case: Operating case

Loading case: Hydro test

Accidental loading cases: dropped objects

Accidental loading cases: trawboard load

Seismic loading case: 200-year RP

Seismic loading case: 1000-year RP

PLAXIS 3D

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FLAC3D: Interaction sol structure - séisme 1000 ans

Fx Fy Fz Mx My Mz

kN kN kN kN-m kN-m kN-m

-50.5 +1040.2 -2795.1 -6879.29 -152.426 +121

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Pressions normales: séisme de 1000 ans

-12

-10

-8

-6

-4

-2

0

-400 -200 0 200 400 600

normal pressure (kPa)

dept

h (m

)

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Deformation meshs

seismic load 200yMax disp 8mm

SNAG loadMax disp 4mm

seismic load 1000yMax disp 13mm

installationMax disp 2mm

retrievalMax disp 5mm

transporthorizontal Max disp 5mm

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CONCLUSIONS

� Les éléments finis ne sont pas directement utilisés pour le dimensionnement des caissons. Méthode aux équilibres limites utilisée dans le logiciel CANCAP2 fonctionne bien

� Possibilité au niveau d’un pré-dimensionnement d’utiliser des courbes enveloppes MH elliptiques simplifiées pour un traitement de nombreux cas de charges

� Les éléments finis sont essentiellement utilisés pour connaitre les déformations du sol:

� étude des déplacements de la structure

� étude des réactions de sol sur la structure

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Merci pour votre attention