Estudo do Posicionamento da Ancoragem Lateral em Estacas de Sucção através de Modelagem Física

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1 Estudo do Posicionamento da Ancoragem Lateral em Estacas de Sucção através de Modelagem Física Cássia Maria de Assis Rangel Melo UENF, Campos dos Goitacazes/RJ, Brasil, Sérgio Tibana UENF, Campos dos Goitacazes/RJ, Brasil, Fernando Saboya Júnior UENF, Campos dos Goitacazes/RJ, Brasil, Rodrigo Martins Reis UENF, Campos dos Goitacazes/RJ, Brasil, RESUMO: Esta pesquisa é composta de um programa experimental que teve como objetivo analisar o desempenho de estacas de sucção sobre carregamento monotônico simulando uma estrutura offshore ancorada com sistema taut-leg. Este tipo de sistema de ancoragem proporciona maior rigidez ao sistema, sendo a liberdade da estrutura limitada a offsets menores quando comparados a ancoragem em catenária. Neste caso, as âncoras a serem utilizadas precisam resistir a valores elevados de cargas verticais transmitidos pelas linhas de ancoragem. Este trabalho apresenta os resultados obtidos nos estudos de estacas de sucção realizados no Laboratório de Engenharia Civil da UENF. Para avaliar o desempenho das estacas, foram preparados dois conjuntos compostos de três estacas cada. As estacas utilizadas para estes ensaios foram confeccionadas em alumínio e os olhais laterais foram posicionados em diferentes alturas (1/3, 1/2 e 2/3) em relação ao comprimento total da estaca. Os modelos físicos foram preparados com uma mistura de 40% de caulim e 60% de metacaulim, e a amostra foi adensada pelo processo de eletro-osmose com fluxo vertical associado à aplicação de sobrecarga, com metodologia desenvolvida neste laboratório. Após este processo, foram executados ensaios de mini palheta de laboratório para obter resultados da resistência não drenada e assim avaliar o desempenho da consolidação da mistura desses dois materiais. Os resultados dos ensaios comprovaram a maior eficiência da estaca quando o olhal lateral é posicionado na metade inferior da altura. A modelagem física foi realizada em escala reduzida 1:125 e os modelos foram submetidos à condição 1g. PALAVRAS-CHAVE: Estacas de Sucção, Fundação Offshore, Modelos em Escala Reduzida. 1 INTRODUÇÃO Para grandes profundidades, foram desenvolvidas novas estruturas chamadas de estruturas flutuantes. Estas estruturas têm sido utilizadas desde que a exploração de campos de petróleo alcançou águas profundas, já que a utilização de estruturas metálicas tipo jaqueta e as plataformas fixas tornaram-se inviáveis, tanto no aspecto econômico como na questão tecnológica. Conseqüentemente, um novo sistema de fixação foi desenvolvido, o qual chamamos de linhas de ancoragem. Este sistema é composto de um cabo de amarração e um elemento de fixação no leito marinho. Essas linhas de ancoragem têm a finalidade de manter o posicionamento das estruturas offshore, restringindo o deslocamento causado pelas forças ambientais a que estão sujeitas. Diferentes tipos de sistemas de âncoras foram desenvolvidos e testados para fixação dessas estruturas. Um dos tipos de âncoras desenvolvidos foram as estacas de sucção, que são utilizadas

2 para ancoragem de estruturas offshore submetidas a cargas verticais (TLP) e à combinação de cargas verticais e horizontais (catenária ou taut-leg). As estacas de sucção são cilindros metálicos fechados na parte superior onde são posicionadas as válvulas de sucção e a saída de ar e/ou água. A base da estaca é aberta, permitindo assim a instalação da estaca por sucção e a formação de uma bucha de solo no seu interior. A instalação é feita inicialmente pelo peso próprio da estaca com as válvulas abertas e, somente depois o sistema de sucção é acionado, gerando uma diferença entre a pressão externa e a pressão interna. Desta forma, é gerada uma força de sucção que atua de cima para baixo e que, somada ao peso próprio da estaca, causa a penetração da mesma no leito marinho. É importante ressaltar que as forças de atrito lateral nas faces da estaca e a resistência de ponta se opõem a essa penetração (Moreno, 2005). Estas estacas necessitam de um sistema de instalação por sucção relativamente simples (Clukey et. al., 2004). Os primeiros estudos sobre a utilização das estacas de sucção como âncoras de sistemas offshore foram feitos por Colliat et al. (1995) a partir da experiência em campo da NKossa. Diversos estudos já foram realizados sobre a geometria das estacas, sobre a variação da relação de aspecto L/D e da posição do olhal (Narashimha Rao, 1997), assim como o estudo das variações de tensões no solo durante a instalação, consolidação e arrancamento dessas estruturas (Luke et al., 2003; Chen and Randolph, 2007). Em 2010, Villalobos et al. estudaram o comportamento das estacas de sucção sob carregamento vertical em argilas, comprovando os estudos feitos anteriormente por Houlsby and Byrne (2004) sobre as forças impostas durante a instalação das estacas. Os resultados indicam uma considerável diferença entre a instalação feita por cravação e a feita por sucção. Bang et al. (2011) realizaram testes em centrífuga, onde analisaram a capacidade de carga das estacas de sucção quando submetidas a carga inclinada instaladas em areia. Os resultados mostraram que ocorreu um ganho na capacidade de suporte em função do posicionamento da atuação da carga na parte lateral da estaca. Neste contexto, esta pesquisa consiste no estudo do desempenho de estacas de sucção sobre carregamento monotônico. Este carregamento sumula uma estrutura offshore ancorada com sistema taut-leg, analisando assim, o posicionamento do olhal lateral da estaca em função da resistência ao arrancamento da estaca. Foram realizados dois ensaios com três estacas em cada um, sendo o ponto de ancoragem diferente em cada uma das estacas utilizadas. Na primeira etapa desta pesquisa, foram feitos estudos da composição do solo a ser modelado e do processo de adensamento a ser feito para alcançar a resistência ao cisalhamento não drenada desejada. A segunda etapa da pesquisa consiste na instalação da estaca por sucção, finalizando com o desenvolvimento do mecanismo de arrancamento das estacas e a análise das forças de arrancamento das mesmas. Os testes foram realizados em 1g, com escala reduzida de 1: MATERIAIS E MÉTODOS 2.1 Caixa teste Quando a ancoragem simula um sistema em taut-leg, há uma solicitação lateral na estaca, podendo haver uma ruptura por translação ou por rotação. Nestes tipos de rupturas, a zona de cisalhamento do solo é mais ampla quando comparada ao sistema vertical, podendo assim ter uma influência maior do efeito de borda. Este efeito ocorre quando a distância entre a parede da caixa e a estaca é menor do que oito vezes o diâmetro da estaca, (Narasimha Rao et al., 1993). Para minimizar este efeito, os ensaios simulando um sistema em taut-leg foram realizados em uma caixa cilíndrica de aço (Figura 1). Esta caixa tem 465 mm de diâmetro interno e altura de 480 mm. Na parte inferior da caixa, existem dois orifícios com válvulas, um para o sistema de drenagem e o outro para passagem dos fios dos transdutores de poropressão e o fio da placa metálica do processo de eletro osmose. Na parte superior foi feito um orifício onde, com uma válvula, foi conectada a mangueira que fez a ligação com o sistema de drenagem na base. Esta ligação foi feita para que houvesse

3 uma realimentação de água no topo da amostra evitando assim o ressecamento na parte superior onde seriam instaladas as estacas. Nesta caixa também foi feito um emborrachamento a frio para evitar a transmissão da corrente elétrica durante o processo de eletro-osmose. Figura 1. Caixa teste utilizada na pesquisa e o sistema de drenagem. 2.2 Preparação do solo O modelo físico do solo foi escolhido a partir dos estudos de várias combinações com proporções diferentes de caulim e metacaulim, conforme foi apresentado por Melo et al. (2010), definindo-se, assim, para este trabalho, a proporção de 40% de caulim e 60% de metacaulim. As curvas granulométricas do caulim, do metacaulim e da mistura são apresentadas na Figura 2. A Tabela 1 apresenta um resumo dos parâmetros de caracterização geotécnica dos materiais usados na mistura e da composição escolhida. Figura 2. Curva de distribuição granulométrica. Tabela 1. Resumo dos parâmetros de caracterização geotécnica. Distribuição Limites de Granulométrica (%) G Atterberg Material (g/cm 3 ) LL LP Argila Silte Areia (%) (%) Metacaulim 19,3 74,9 5,8 2,60 NP NP Caulim 45,7 53,5 0,8 2,66 68,9 34,3 Mistura 25,4 58,8 15,7 2,64 62,5 35,7 A preparação da mistura foi iniciada com a colocação dos materiais secos em um recipiente e misturados até que a homogeneização fosse completada. A partir desta etapa, a mistura foi colocada aos poucos no misturador coloidal juntamente com a água destilada e de - aerada. A quantidade de água corresponde a um teor de umidade de duas vezes o limite de liquidez. O processo no misturador foi realizado durante 60 minutos, resultando numa mistura com aspecto liso e homogêneo. Então assim, este material foi transferido para uma betoneira adaptada para aplicação de vácuo, garantindo uma mistura homogeneizada e saturada. Esta etapa também teve a duração de 60 minutos. Posteriormente, a mistura foi colocada cuidadosamente na caixa teste sobre a camada drenante e o eletrodo inferior, com uma altura de 20 mm de água sobrenadante para garantir a saturação da massa de solo. 2.3 Adensamento por eletro-osmose Nesta pesquisa, foi utilizado o processo de adensamento do solo pelo método de eletroosmose com fluxo vertical com a adição de sobrecarga. As etapas deste processo foram realizadas de acordo com a metodologia desenvolvida por Melo et al. (2010) Foram posicionadas duas placas metálicas perfuradas na parte superior e inferior da massa de solo, criando, assim, um campo elétrico e gerando um fluxo na direção vertical. O eletrodo positivo foi posicionado, inicialmente, na parte superior do solo e, posteriormente, foi realizado o procedimento de inversão do campo elétrico, invertendo a polaridade dos eletrodos e, conseqüentemente, o fluxo vertical. Os resultados comprovaram, mais uma vez, a eficiência da técnica para o adensamento de uma argila muito mole. As etapas do processo

4 de eletro-osmose utilizado para o adensamento dos dois ensaios são apresentadas na Tabela 2. Tabela 2. Etapas do processo de eletro-osmose. Etapas Duração (h) Peso próprio 60 Sobrecarga 0.05 kn 16 Eletro-osmose 10VDC sobrecarga 0.1kN 06 Eletro-osmose 20VDC sobrecarga 0.1kN 03 Eletro-osmose 20VDC sobrecarga 0.2kN 24 Sobrecarga 0.2 kn 18 Eletro-osmose 25VDC + sobrecarga 0.2kN 02 Eletro-osmose 30VDC + sobrecarga 0.2kN 05 Sobrecarga 0.2 kn 17 Inversão Eletro-osmose 20VDC + sobrecarga 0.2kN 24 Inversão Eletro-osmose 25VDC + sobrecarga 0.2kN 04 com 2/3 da altura a partir da base (Figura 3b), e na terceira, Figura 3c, o olhal foi posicionado a ½ da altura da estaca. A variação do posicionamento do ponto de ancoragem foi feita com o intuito de montar um conjunto de estacas a serem arrancadas no mesmo ensaio. A partir dos resultados encontrados, foi feita a análise da influência do posicionamento do olhal na capacidade de suporte da estaca de sucção. 2.4 Ensaio de Mini-Vane de Laboratório Após o processo de eletro-osmose, foi realizado o ensaio de mini-vane para determinar a resistência ao cisalhamento não drenado (S u ) do solo. Conceitualmente, este ensaio determina o torque máximo necessário para girar a palheta numa velocidade de 1 0 /s. As medidas foram feitas em profundidades previamente determinadas para que fosse possível traçar o perfil da resistência ao cisalhamento não drenado (Su) do modelo. O valor da resistência não drenada é dado pela Equação 1. T 8 S u 9,81 x10 kpa 2 h d d ( ) 2 6 (1) Onde: T (knm) é o torque, d (m) é o diâmetro da palheta e h (m) é a altura da palheta. 2.5 Modelagem da estaca de sucção As estacas em miniatura foram confeccionadas na escala 1:125, em tubo de alumínio com 145 mm de comprimento, 40 mm de diâmetro externo e 2 mm de espessura, dando assim uma relação de aspecto (L/D) igual a 3.6. O posicionamento do olhal lateral foi feito em função da altura da estaca. A primeira estaca teve o olhal posicionado a 1/3 da altura da estaca a partir da base (Figura 3a), a segunda, Figura 3. Estacas de sucção com variação do posicionamento do ponto de ancoragem. 2.6 Instalação das estacas por sucção As estacas foram instaladas, inicialmente, por indução utilizando uma haste metálica para garantir a verticalidade. Os primeiros 50 mm foram cravados por um atuador elétrico com velocidade constante de 1 mm/s e com a saída de água/ ar aberta, simulando a instalação inicial por peso próprio. Após esta primeira etapa, a haste foi retirada e na abertura para saída de água/ar foi conectado o sistema para aplicação da sucção. O sistema de aplicação da sucção é apresentado na Figura 4, sendo este composto de uma bomba de vácuo, um vacuômetro e de uma interface com duas válvulas onde foram conectadas as estacas. Durante a instalação, a poro-pressão foi monitorada através de um transdutor instalado no topo da estaca, sendo que a aquisição de dados foi feita por um PXI da National Instruments com o uso do programa Lab View 8.5. A dissipação da poropressão foi observada através dos mesmos transdutores. Após a

5 instalação, a válvula por onde foi feita a aplicação da sucção foi fechada. ocorreu a formação da bucha de solo, sendo esta uma das características principais da estaca de sucção. Figura 5. Esquema do ensaio de arrancamento. Figura 4. Equipamentos para aplicação da sucção. 2.7 Ensaio de arrancamento das estacas O ensaio foi feito para simular um arrancamento de uma ancoragem com sistema taut-leg com tensão estática. Os ensaios foram executados utilizando um atuador mecânico servo-controlado com velocidade constante de 0.2 mm/s. As forças de arrancamento foram medidas por meio de uma célula de carga colocada na extremidade do atuador e conectada à estaca através de um cabo de aço preso no olhal. Durante o ensaio de arrancamento, a válvula de aplicação da sucção foi mantida fechada. Neste ensaio, foi necessária a utilização de um conjunto de viga e roldana, sendo a roldana colocada entre a célula da carga e a estaca, obtendo assim um ângulo de arrancamento de 60 0 com a parede da estaca. O esquema montado para o ensaio de arrancamento é apresentado na Figura 5, assim como a realização do ensaio na Figura 6. No primeiro ensaio, foram utilizadas as estacas com o olhal a 1/3, a ½ e com o olhal vertical. No segundo ensaio, foram utilizadas as estacas com o olhal lateral posicionado a 1/3 e a 2/3 da altura e outra com o olhal vertical. Após o arrancamento das estacas, foram feitas as pesagens das mesmas e da bucha de solo formada no interior das estacas, conforme é apresentado na Tabela 3. Em todas as estacas, Figura 6. Ensaio de arrancamento. Bomba de vácuo 3 RESULTADOS E DISCUSSÕES 3.1 Perfil de resistência ao cisalhamento não drenada do solo Após o processo de adensamento dos modelos, descrito anteriormente, procedeu-se os ensaios de mini Vane antes e depois da inversão do campo elétrico nos dois modelos físicos preparados para os ensaios. Os resultados são apresentados nas Figuras 7 e 8. Observa-se um aumento da resistência não drenada (S u ) em todas as profundidades e, também, que a inversão do campo elétrico, nestes casos, não produziu o efeito esperado, que seria um

6 aumento na resistência ao cisalhamento não drenada nas camadas superiores do modelo. Figura 7. Perfil de S u do primeiro modelo físico. formadas nos ensaios são apresentados na Tabela 3. Os resultados dos ensaios de arrancamento das estacas de sucção estão apresentados na Tabela 4 e na Figura 10. No gráfico comparativo dos resultados apresentado na Figura 10, pode-se notar uma maior capacidade de suporte da estaca quando o ponto de ancoragem é posicionado a partir da metade inferior da altura. Quando a ancoragem é posicionada no topo da estaca, a capacidade de suporte da mesma é sempre inferior quando comparada com o posicionamento do olhal colocado na parte lateral da estaca. Tabela 3. Resumo da massa da estacas e da bucha do solo Estaca Massa da estaca (g) Massa da bucha de solo (g) Estaca 1/ Estaca 2/ Estaca vertical Estaca 1/ Estaca 1/ Estaca vertical Figura 8. Perfil de S u do segundo modelo físico. 3.2 Cravação e Arrancamento das estacas O desempenho das estacas de sucção pode ser definido através da medida da força de arrancamento, sendo esta composta pelo peso da estaca, peso da bucha de solo, resistência de ponta e do atrito lateral. Neste trabalho foi analisado o valor da força de arrancamento em função do posicionamento do ponto de ancoragem. A existência da bucha de solo no interior da estaca comprova que a sucção aplicada para a instalação atingiu seu objetivo, que é a de aumentar a capacidade de suporte da estaca. Na Figura 9, é apresentada uma das estacas após o arrancamento mostrando a bucha de solo formada no seu interior. Os pesos das buchas da Figura 9. Estaca com olhal a 2/3 h após o arrancamento. Tabela 4. Capacidade de suporte das estacas de sucção Estaca Capacidade de suporte (N) Estaca 1/ Estaca 2/ Estaca vertical Estaca 1/ Estaca 1/ Estaca vertical 6.96

7 of Suction Piles in Sand, Ocean Engineering, Vol. 38, p Chen, W., Randolph, M.F. (2007). External Radial Stress Changes and Axial Capacity for Suction Caissons in Soft Clay. Géotechnique. Vol. 57, p Figura 10. Capacidade de suporte das estacas em função do posicionamento da ancoragem. 4 CONCLUSÕES A partir dos resultados obtidos nos ensaios realizados nesta pesquisa, pode-se concluir que: O processo de eletro-osmose com fluxo vertical associado à adição de sobrecarga é eficiente para o adensamento de solos muito moles; A metodologia desenvolvida para a instalação e arrancamento das estacas foi eficiente devido à formação da bucha de solo no interior da estaca após a aplicação da sucção e ao arrancamento da estaca com a inclinação de 60 o simulando uma ancoragem em taut-leg. O posicionamento da ancoragem na terça parte inferior da estaca apresenta uma capacidade de suporte superior. Este resultado deve-se a uma maior mobilização da superfície de ruptura do solo em torno da estaca. AGRADECIMENTOS Os autores agradecem a CAPES (Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior) e à PETROBRAS pelo apoio financeiro a essa pesquisa. 5 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS Bang, S., Jones, K. D., Kim, K. D., Kim, Y. S., Cho, Y. (2011), Inclined Loading Capacity Clukey, E. C. Templeton, J. S., Randolph, M. F. and Philips, R. (2004). Suction caisson response under sustained loop current loads. Proc. Of the 36 th Annual Offshore Tech. Conf., Houston, USA, Paper OTC 16843, 1-9. Colliat, J.L., Boisard, P., Andersen, K., and Schroeder, K. (1995), "Caisson Foundations as Alternative Anchors for Permanent Mooring of a Process Barge Offshore Congo," Proceedings, Offshore Technology Conference, OTC 7797, pp Houlusb, G. T. and Byrne, B. N. (2004), Experimental Investigations of the Response of Suction Caissons to Transient Combinated Loading, Geotechnical Geoenviroment Engineering Journal, Vol. 130, p Luke, A. M., A. F. Rauch, R. E. Olson, and E. C. Mecham (2003), Components of Suction Caisson Capacity Measured in Axial Pullout Tests, Deepwater Mooring Systems: Concepts, Design, Analysis and Materials, OTRC (Offshore Technology Research Center) Specialty Conference, Houston, TX Melo, C. M. A. R. (2010). Avaliação de desempenho e desenvolvimento de metodologias para estudos de ancoragem de estruturas flutuantes com estacas de sucção. Dissertação (Mestrado em Engenharia Civil) -- Campos dos Goytacazes RJ Universidade Estadual do Norte Fluminense Darcy Ribeiro, 162p. Moreno, J.S. (2005) Proposta de Metodologia para Critério de Projeto de Fundações de Estacas de Sucção para TLP. Tese (Doutorado em Engenharia Civil) Rio de

8 Janeiro RJ, Universidade Federal do Rio de Janeiro - UFRJ, 214p. Narasimha Rao, S.; Prasad, Y.V.S.N.; Veeresh, C. (1993). Behavior of Embedded Model Screw Anchors in Soft Clays. Géotechnique. Vol. 43, p Narasimha Rao, S., Ravi, R. Ganapathy (1997) Pullout Behavior of Model Suction Anchors on Softs Marine clays. Proceedings of the fifth (1997) International Offshore and Polar Engineering Conference, Honolulu, USA, de maio, Vol. 1, pg Indian Institute of Technology Madras, India. Villalobos, F. A., Byron, W. B., Houlsby, G. T. (2010), Model Testing of Suction Caissons in Clay Subjected to Vertical Loading. Ocean Research, Vol. 32, p