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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