Stabilità del tubo sottomarino: Modelli di resistenza e forze orizzontali

In Abaqus, la sezione del tubo può essere modellata come una SEZIONE A TRAVE di tipo PIPE, con la densità del tubo specificata dalla carta MATERIAL/DENSITY, e la gravità definita dalla carta DLOAD/GRAV. Tuttavia, a causa degli effetti del peso aggiuntivo, il contenuto del tubo e la sua galleggiabilità non possono essere simulati automaticamente da Abaqus, pertanto viene utilizzato un metodo equivalente per il peso sommerso. In questo metodo, la densità del tubo e la gravità vengono modificate affinché la relazione tra il peso sommerso e la densità effettiva del tubo risulti come segue:

Assumendo che la densità del tubo sia pari alla densità effettiva del materiale, la formula diventa:

e quindi, la relazione tra il peso e la densità può essere espressa come:

Questo modello è fondamentale per la progettazione e la simulazione di tubi sottomarini in ambienti marini, dove la simulazione della galleggiabilità e della resistenza è complessa a causa delle interazioni tra il tubo, l'acqua e il fondale marino.

Modello di resistenza laterale del suolo modificato

In questo capitolo, la resistenza del suolo è simulata come un comportamento di attrito tra la superficie del tubo e quella del fondale marino, che viene assunto piatto. Per definire la resistenza del suolo, si utilizza la sottoroutine FRIC, che imposta i coefficienti di attrito nella direzione tangenziale, principalmente in quella laterale. Il coefficiente di attrito nella direzione assiale è considerato costante, pari a 0,6.

La resistenza del suolo può essere divisa in due componenti: una parte di attrito di Coulomb puro e una parte di resistenza passiva dovuta alla penetrazione del suolo mentre il tubo si sposta lateralmente. La parte di attrito puro è rappresentata dal coefficiente di attrito di base $\mu_0$, che per i terreni sabbiosi è generalmente assunto pari a 0,6. Per modellare la resistenza passiva, è necessario determinare i valori sconosciuti $FR_1$, $FR_2$ e $FR_3$, che sono ottenuti attraverso modelli empirici per il suolo sabbioso.

La penetrazione iniziale nel terreno sabbioso è calcolata come:

Mentre la penetrazione dovuta al movimento del tubo dipende da vari fattori, tra cui l'energia trasferita dal tubo al terreno durante il suo spostamento laterale.

Forza orizzontale dovuta a onde e correnti

La valutazione delle forze idrodinamiche causate da onde e correnti è cruciale per la stabilità orizzontale di un tubo sommerso. Le forze di drag, inerzia e galleggiamento sono quelle di interesse per le pipeline sommerse posizionate perpendicolari alle onde e alle correnti. Le forze orizzontali risultanti vengono calcolate utilizzando l'equazione di Morison, che considera il drag e l'inerzia:

e l'inerzia come:

Applicazione del modello modificato

L'analisi di stabilità del tubo sulla superficie del fondale marino si basa sull'uso di modelli di resistenza laterale e sulle forze idrodinamiche applicate tramite le carte DLOAD/FDD e DLOAD/FI all'interno del modulo Abaqus/Aqua. L'interazione tra il tubo e il fondale viene modellata utilizzando il contatto definito dalla sottoroutine FRIC, che simula il comportamento di attrito tra il tubo e il suolo marino. I risultati ottenuti da queste simulazioni sono cruciali per la progettazione di pipeline resistenti agli spostamenti orizzontali causati da forze naturali come onde e correnti.

In applicazioni ingegneristiche, l'analisi della stabilità orizzontale dei tubi è essenziale per garantire che le pipeline sottomarine rimangano stabili e sicure durante il loro funzionamento, soprattutto in condizioni di forte movimento delle acque.

Come la Curvatura Influisce sulla Resistenza al Collasso di Tubi Flessibili in Condizioni di Umidità

Il comportamento dei tubi compositi, in particolare la loro resistenza al collasso sotto pressione idrostatica, è fortemente influenzato dalla curvatura e dalla deformazione della sezione trasversale. L'ovale delle sezioni trasversali dei tubi curvati, come dimostrato da Gao et al. [35], è correlato al loro diametro esterno. In effetti, un aumento dell'ovale può comportare una riduzione significativa della capacità del tubo di resistere al collasso in condizioni di umidità, come indicato nelle esperimentazioni pratiche e nelle simulazioni numeriche. È stato anche osservato che la resistenza al collasso bagnato diminuisce progressivamente al diminuire del raggio di curvatura. La sperimentazione e le simulazioni numeriche, effettuate sotto due diversi raggi di curvatura (1.22 e 0.90 m), hanno confermato questa tendenza.

Nel caso dei modelli numerici, è stato dimostrato che il comportamento del collasso bagnato dei tubi con diverse configurazioni e dimensioni della sezione trasversale è influenzato dalla deformazione della sezione trasversale sotto curvatura. I modelli scelti, numerati da #0FEM a #4FEM, hanno mostrato come le differenze nelle deformazioni della sezione trasversale tra i gruppi A e B possano determinare differenze significative nella pressione di collasso bagnato. L'importanza di queste deformazioni diventa cruciale quando si considera la resistenza al collasso bagnato sotto differenti configurazioni di curvatura.

Uno degli aspetti più rilevanti del fenomeno osservato è l'effetto della curvatura sulla deformazione dell'ovale della sezione trasversale. Durante il processo di pre-curvatura, le curve che descrivono la relazione tra l'ovale della sezione trasversale (OVin) e il raggio di curvatura mostrano che maggiore è la curvatura, maggiore è l'ovale del rivestimento interno. Inoltre, l'ovale aumenta in modo significativo quando il tubo subisce una curvatura più intensa. I modelli con raggi esterni maggiori tendono a deformarsi di più sotto la curvatura, aumentando l'ovale e riducendo la resistenza al collasso bagnato.

Oltre a queste considerazioni, è emerso che l'effetto della curvatura sul collasso bagnato è strettamente legato all'influenza dei fattori di miglioramento, che potenziano la resistenza al collasso del rivestimento interno tramite gli strati esterni. I modelli con fattori di miglioramento maggiori hanno una resistenza più forte al collasso bagnato, ma solo fino a un certo limite. Quando il raggio di curvatura è inferiore a 0.5 m-1, i modelli presentano curve di pressione di collasso normalizzate che si allineano più o meno linearmente con il fattore di miglioramento. Tuttavia, con l'aumento della curvatura, l'effetto migliorante degli strati esterni diminuisce, portando a una minore capacità di resistenza al collasso, indipendentemente dal fattore di miglioramento. Questo fenomeno sottolinea l'importanza di tenere in considerazione non solo la curvatura ma anche l'effetto che essa ha sulla funzione di miglioramento degli strati esterni.

In generale, si osserva che i modelli con un raggio esterno maggiore sono più sensibili all'effetto della curvatura sulla pressione di collasso. Le curve di pressione di collasso normalizzate per questi modelli mostrano tassi di discesa differenti in funzione della curvatura, il che dimostra che la sensibilità alla curvatura varia in base alla configurazione del modello. La relazione tra la pressione di collasso e il fattore di miglioramento non è semplicemente positiva: con l'aumento della curvatura, la pressione di collasso diminuisce più rapidamente, mentre l'effetto di miglioramento diventa progressivamente meno efficace.

In sintesi, l'effetto della curvatura sulle proprietà meccaniche dei tubi flessibili deve essere attentamente analizzato, soprattutto per quanto riguarda la deformazione della sezione trasversale e la capacità di resistere al collasso bagnato. È fondamentale comprendere che l'effetto della curvatura, unito alla configurazione della sezione e ai fattori di miglioramento, ha un impatto determinante sul comportamento finale del tubo. La progettazione e la selezione dei materiali devono considerare questi aspetti per garantire la massima resistenza e durata dei tubi flessibili in condizioni operative reali.