Coordinateurs du projet
Contexte
Les structures offshores de type flottant (éoliennes, houlomoteurs, hydroliennes,) sont généralement utilisées pour des profondeurs d’eau élevées dépassant la plage de profondeurs correspondant aux structures offshores fixes fondées sur le sol marin. Ces structures flottantes sont maintenues en place par l’intermédiaire d’un système d’ancrage constitué par un ensemble de câbles attachés à des ancres encastrées dans le fond marin.
Il existe une grande variété de types d’ancres dont les avantages et les limites dépendent du type du système d’ancrage adopté et des conditions du sol marin. Les systèmes d’ancrage traditionnels (e.g. les pieux) requièrent une installation coûteuse. De plus les ancrages de type DEA (Drag Embedded Anchors) impliquent une incertitude concernant la profondeur de pénétration finale dans le sol et donc une incertitude sur la capacité portante de ces ancrages.
Le projet ANCRE_EMR vise à étudier les performances de deux types d’ancrages offshores pour une possible utilisation dans le cas de structures flottantes : les ancrages en forme de plaque installés dynamiquement (Dynamically Embedded Plate Anchors DEPLA) et les ancrages hélicoïdaux.
Ruptures scientifiques et innovation
En ce qui concerne le nouveau modèle DEPLA_1, l’état de l’art ne présente aucun élément sur la modélisation numérique de ce type d’ancrage. Des études expérimentales en centrifugeuse ont été menées afin de vérifier la capacité du système proposé à atteindre des profondeurs importantes dans le sol et d’étudier la capacité à l’arrachement de ce système [Chow et al. (2017) et Chow et al. (2018)]. L’originalité du projet ANCRE_EMR est d’effectuer une modélisation numérique en grandes déformations du processus d’installation de l’ancrage DEPLA_1 et d’étudier l’influence des différents paramètres influant sur la profondeur d’ancrage finale.
Concernant l’ancrage hélicoïdal, les études numériques réalisées sur les ancrages hélicoïdaux supposent généralement que ces ancrages consistent en un assemblage de plaques circulaires (pas des hélices) fixées à la tige centrale, ce qui pourrait entraîner une estimation imprécise de la capacité portante de l’ancrage. De plus, ces études ne considèrent pas le processus d’installation de l’ancrage. Ce projet vise à réaliser des analyses tridimensionnelles des ancrages hélicoïdaux par la méthode des éléments finis en tenant compte de la forme exacte des hélices et du processus d’installation de l’ancrage.
A partir de cette revue de l’état de l’art, et en se concentrant sur le calcul des efforts hydrodynamiques, une très faible quantité de travaux se sont intéressés aux algues. Seul Theophanatos (1988) a conduit des travaux exploratoires. Cependant la géométrie précise des algues, leur rigidité et leurs caractéristiques (flottabilité, …) ne sont pas mentionnés, rendant ces travaux très difficiles à exploiter et impossibles à reproduire. La raison principale du manque d’études sur ce sujet vient certainement de la difficulté de maintenir en vie des espèces souples afin de conserver les propriétés mécaniques et hydrodynamiques. Un nouveau matériau modèle disponible à Nantes Université depuis 2022 a permis pallier cette difficulté. Nous pensons que l’effet drapeau de ces algues doit maintenant être étudié car il est susceptible de générer des efforts cycliques significatifs et donc endommager les ancrages.
En ce qui concerne le second pan du projet, la valorisation économique des algues collectées, aucune étude n’a été conduite. Seul, le travail de Buck (2017, 2018a, 2018b), purement descriptif, a dressé de premières pistes. Nous souhaitons y intégrer une réelle valorisation par des filières identifiées et une analyse économique.
Impact technique et économique attendu
- Les moyens de calcul développés doivent permettre un dimensionnement plus fiable et plus économique réduisant ainsi le conservatisme des approches actuelles.
- Les outils numériques développés pourront être utilisés par les entreprises du territoire moyennant une formation spécifique.
Démonstrateur
Dans ce projet, des simulations numériques des deux types d’ancrages (i.e. le nouveau système d’ancrage DEPLA_1 constitué d’une plaque d’ancrage installée dynamiquement et l’ancrage hélicoïdal) seront effectuées à l’aide de la méthode des éléments finis.
Résultats
L’analyse CEL (Coupled Eulerian-Lagrangian) s’est avérée intéressante (i) pour le calcul de la capacité portante à l’arrachement de l’ancrage hélicoïdal (avec l’hypothèse ‘wished-in-place’) et (ii) pour les simulations du processus d’installation de cet ancrage :
a. Pour le calcul de la capacité portante à l’arrachement de l’ancrage hélicoïdal avec l’hypothèse ‘wished-in-place’, l’analyse CEL était capable de déterminer rigoureusement la capacité portante d’arrachement de ces ancrages contrairement à la méthode des éléments finis classique ; le calcul via l’approche CEL ayant pu être mené jusqu’au bout sans problème de convergence. En effet, l’analyse par l’approche CEL permet de surmonter le problème de distorsion du maillage (induisant un arrêt de calcul) qu’on observe lors des problèmes à grandes déformations comme c’est le cas du problème de l’ancrage hélicoïdal.
b. Pour les simulations du processus d’installation de l’ancrage hélicoïdal, l’analyse par la méthode des éléments finis classique est irréalisable ; cependant, la simulation du processus d’installation à l’aide de l’analyse CEL a été réalisée avec succès.
Les résultats relatifs au calcul de la capacité portante à l’arrachement de l’ancrage hélicoïdal installé dans un sol pulvérulent (utilisant l’hypothèse ‘wished-in-place’ et l’approche CEL) sont les suivants :
a. Pour un chargement vertical, la capacité portante d’arrachement obtenue s’est avérée proche de la solution analytique. Pour un chargement incliné, une légère diminution de la capacité portante d’arrachement a été observée pour les inclinaisons de chargement inférieures à 60° par rapport à la verticale. Pour une inclinaison supérieure à 60°, le taux de réduction observé étant plus élevé.
b. Il a été montré que le pas (pitch) de l’hélice de l’ancrage hélicoïdal n’a pas d’effet significatif sur la capacité portante d’arrachement de l’ancrage. Ce résultat est conforme à celui des tests réalisés à la centrifugeuse géotechnique de l’Université Gustave Eiffel.
c. Un seuil du facteur de capacité portante à l’arrachement est observé lorsque le rapport H/D entre la profondeur d’enfouissement de l’hélice et son diamètre atteint une valeur proche de 6. Ceci est dû à la transition entre un mécanisme de rupture débouchant en surface pour H / D <6 et un mécanisme de rupture localisé en profondeur lorsque H/D ≥6.
d. Un seuil du facteur de capacité portante à l’arrachement est observé lorsque le rapport S/D entre l’espacement entre hélices successives d’un ancrage multi-hélices et le diamètre de l’hélice atteint ~ 4,7. Ceci est dû à la transition entre un mécanisme de rupture global et un mécanisme local lorsque S/D~ 4.7.
La modélisation du processus d’installation de l’ancre DEPLA-1 dans le sable a été réalisée via l’approche CEL. Les résultats obtenus en termes du potentiel de pénétration ont été comparés aux résultats expérimentaux de Chow et al. (2017). Les valeurs de la profondeur de pénétration finale obtenues via des simulations numériques se sont avérées inférieures à celles obtenues expérimentalement. Cependant, elles se situent dans le même ordre de grandeur. Ainsi, l’ancre DEPLA-1 pourrait être considérée comme une solution prometteuse dans le cas des sols granulaires.
Présentation du projet lors du séminaire weamec "Géotechnique & Géophysique pour les applications EMR"
Publications et communications produites
Communications orales
El Haj A-K., Soubra A-H., Effect of the installation process on the pullout capacity of helical anchors, 40th International Conference on Ocean, Offshore & Arctic Engineering OMAE2021, Virtual Conference: June 21 – June 30, 2021
Perspectives
Modélisation numérique du processus d’installation de l’ancrage DEPLA_1 en vue de la détermination de son potentiel de pénétration dans le sol.