Avaliação da capacidade de carga ao arrancamento de placas de ancoragem em meios marítimos através da teoria da análise limite

Abstract

As atividades de exploração de petróleo e gás em meios offshore requerem a instalação de diversos equipamentos sobre o leito marítimo, sendo estes usualmente suportados por fundações superficiais denominadas placas de ancoragem ou mudmats. Devido às cargas impostas tanto pelo ambiente como pela utilização destes equipamentos, bem como a necessidade de extração destes após o fim da vida útil da estrutura, o projeto deste tipo de fundação comumente é governado pela sua capacidade de carga ao arrancamento, que deve ser otimizada de modo a suportar as cargas durante sua utilização sem impôr grandes dificuldades à sua remoção. O presente trabalho tem como objetivo estudar a capacidade de carga ao arrancamento destes elementos de fundação através da abordagem cinemática da análise limite, permitindo estimativas rigorosas do limite superior da carga de arrancamento vista como carga última do sistema material considerado. Para tanto, o problema será analisado tanto via uma abordagem em tensões totais quanto em tensões efetivas, evidenciando as grandezas mecânicas envolvidas em cada uma das abordagens. O método cinemático da análise limite é empregado para avaliar a carga de arrancamento baseando-se na investigação de mecanismos de ruína especificamente elaborados para tais sistemas materiais. No contexto da análise em tensões efetivas do problema, um modelo simplificado para avaliar os esforços de sucção gerados durante o arrancamento é implementado, estendendo a formulação original para placas retangulares. Os resultados apresentados permitem obter estimativas da carga de arrancamento bem como avaliar a influência de cada um dos principais parâmetros relevantes ao problema.

The offshore oil and gas exploration activities require several sub-sea infrastructures to be installed over the ocean floor, this equipment being commonly supported by shallow foundations namely anchor plates or mudmats. Due to the environmental conditions, live loads imposed, and the requirement for extraction processes after its end of life, the design practice for anchor plates strongly relies on the evaluation of the vertical uplift capacity of the foundation system, which should be optimized to support the structural loads without imposing great difficulties on its removal. The present work aims to evaluate the extraction bearing capacity of these foundation elements based on the theoretical framework of limit analysis and its related kinematic appoach, providing rigorous upper bound estimates for the uplift load„ viewed as ultimate load for the considered material system. The problem will be analyzed using both total and effective stresses frameworks, emphasizing the mechanical quantities involved in each approach. The kinematic approach of limit analysis will be employed to evaluate the uplift bearing capacity by investigating failure mechanisms specifically developed for such material systems. In the context of the effective stress analysis, a simplified model will be implemented to evaluate the suction forces developed during the anchor extraction, extending the original formulation for rectangular anchors. The results presented allow to obtain upper bound estimates of the uplift bearing capacity as well to evaluate the influence of the main relevant parameters present in the problem.