Perforation effect in the bearing capacity of shallow foundations

Abstract

Com a crescente crise na indústria de petróleo e gás, as empresas responsáveis pelo dimensionamento e instalação das estruturas de extração e exploração destes recursos, como a Subsea 7, têm que estar focadas cada vez mais na eficiência e qualidade dos seus serviços. A instalação das estruturas representa um papel importante nos projetos, não só porque constitui a fase crucial em que o produto é entregue mas também porque condiciona o dimensionamento da própria estrutura. À medida que a indústria cresce, surgem novos desafios obrigando a engenharia a desenvolver novas soluções. Atualmente, a exploração em águas profundas é cada vez mais comum, atingindo já profundidades superiores a 3500 metros. Por estas razões, aumenta o interesse das empresas petrolíferas em ter todos os equipamentos de exploração submersos, ao invés estruturas maioritariamente superficiais. No entanto, no fundo do oceano, os solos presentes são geralmente pouco competentes, tendo propriedades mecânicas bastante baixas, criando algumas dificuldades no dimensionamento das fundações das estruturas. Além disso, também nesta fase, devem ser tida em conta a capacidade dos navios de instalação das estruturas (por exemplo, a capacidade das gruas, espaço nas plataformas). Uma das soluções desenvolvidas para otimizar as fundações superficiais é a introdução de pequenos orifícios de forma a aliviar as forças aplicadas na estrutura e induzidas nas gruas na fase de instalação, sobretudo forças hidrodinâmicas. Contudo, esta solução tem também as suas desvantagens. A presente dissertação analisa o efeito da perfuração na capacidade de carga de fundações superficiais, denominadas mudmats, para estruturas offshore durante o seu ciclo de vida. Avalia e compara também diferentes configurações de perfuração, usando uma área perfurada de cerca de 30 a 40 % da mudmat, uma vez que é a percentagem mínima necessária para reduzir as forças hidrodinâmicas. De forma complementar, são analisados também estes efeitos aplicados a fundações reforçadas com saias. O estudo foi realizado usando modelos de elementos finitos tridimensionais, com recurso programa de cálculo da Rocscience, RS3. As principais conclusões a salientar são a pouca influência na capacidade de carga das fundações devido à forma dos furos, a maior capacidade de fundações que apresentam maior número de perfurações e, em alguns casos, a percentagem de perfuração pode atingir valores na ordem dos 40% sem afetar o desempenho da fundação.

With the Oil & Gas industry crisis, installation companies as Subsea 7 have to focus more than ever in efficiency and quality of their services. Installation of structures takes a big role in projects, not just because it is the critical phase where the company delivers the product but also because it can condition the design of the product itself. While the industry goes forward, new challenges are found and new engineering solutions need to be developed. Nowadays, deep water field exploration is becoming more common (up to 3500 m water depth). Hence, oil companies are rather keen on having all the field development subsea than having the structures at surface. Geotechnical Engineer plays a big role in the development and improvement of efficient foundation solutions needed in these field architectures. The geological properties of the seabed under deep water are commonly very poor (e.g. soft clays) which creates difficulties during the structures foundations design phase. In addition, during design phase geotechnical engineers are limited by the capabilities of the installation vessels (e.g. crane capacity, deck space).One of the proposed solutions for the optimization of shallow foundations is to insert small perforations to reduce de forces applied to the structure and transmitted to the crane during the installation process. However, this solution also has its disadvantages. The present dissertation analyses the effect of perforation on shallow foundations, known as mudmats, for offshore structures during design life. Assesses and compares different perforation configuration, using a ratio between 30 and 40% of the foundation footprint, since it is the minimum perforation ratio needed to reduce the hydrodynamic loads. Moreover, analysis for skirted foundations are also performed. The study was conducted using 3D finite element models, using Rocscience computer program RS3. The main conclusions were that the holes’ shape has small influence on the foundation bearing capacity; foundations with a greater number of holes tend to have higher bearing capacity; the perforation ratio for some cases can be increased up to about 40% without affecting the foundation capacity.