Il progetto è finalizzato allo sviluppo di un modello di macroelemento in grado di riprodurre la risposta dei cosiddetti suction anchor, ovvero cassoni a suzione impiegati come sistema di ancoraggio di piattaforme flottanti offshore, largamente utilizzate nel settore eolico o di estrazione di petrolio e gas.
Il macroelemento è uno strumento teorico che ha avuto ampio successo nell'ambito dell'Ingegneria Geotecnica, in particolare per i problemi di interazione terreno-struttura e dell'Ingegneria Offshore. Secondo l'approccio del macrolelemento, infatti, tali problemi possono essere affrontati impiegando una legge costitutiva che metta in relazione un ridotto numero di variabili generalizzate, di forza e spostamento, opportunamente scelte in relazione al fenomeno oggetto di studio. L'aspetto chiave del modello che si intende sviluppare è l'effetto delle condizioni di drenaggio sulla risposta del sistema fondazione-terreno, in termini di risposta carico-spostamento della fondazione, di meccanismo di rottura atteso nel terreno e della evoluzione degli spostamenti della fondazione nel tempo.
I suction anchor sono dei cilindri in acciaio di grandi dimensioni chiusi superiormente e aperti inferiormente, installati sfruttando il peso proprio e applicando una suzione alla testa dell'ancoraggio. Spesso utilizzati per applicazioni in acque molto profonde, essi sono tipicamente installati in terreni a grana fine, quasi sempre costituiti da argille tenere, e sono soggetti ad azioni di trazione monotone e cicliche, verticali o inclinate.
La ricerca si articola in due fasi: (i) studio numerico della risposta meccanica del sistema anchor-terreno attraverso analisi non lineari accoppiate agli elementi finiti, (ii) definizione delle variabili statiche, cinematiche e di tempo significative per il problema in esame, elaborazione di un'opportuna legge costitutiva generalizzata e calibrazione del modello sulla base dei risultati delle analisi numeriche.
Una parte significativa della ricerca è dedicata allo studio numerico della risposta meccanica di suction anchor installati in depositi di argilla tenera attraverso l'esecuzione di analisi non lineari accoppiate agli elementi finiti, condotte in termini di tensioni efficaci per portare opportunamente in conto la natura bifase del terreno saturo.
Con particolare riferimento ai suction anchor installati in argilla, sono presenti in letteratura diversi studi di tipo sperimentale, alcuni dei quali basati su prove eseguite in sito su modelli in scala ridotta (Andersen et al., 1999), o su prove di laboratorio in centrifuga (Clukey et al., 1993) o in condizioni 1-g (El-Gharbawy e Olson, 1998). Nella maggior parte di essi viene studiata la capacità portante dei suction anchor soggetti ad azioni di trazione verticali o inclinate, monotone e cicliche. Per quanto riguarda gli studi di carattere numerico, invece, la letteratura mostra che la quasi totalità dei lavori si limita al comportamento dei cassoni in condizioni monotone, a causa della mancanza di legami costitutivi avanzati, in grado di riprodurre il comportamento ciclico di argille tenere, implementati in codici di calcolo numerico. Tra questi, si cita lo studio parametrico condotto da Deng e Carter (2000) in cui viene numericamente studiata la risposta di cassoni poco profondi soggetti a un carico di trazione monotono verticale e centrato. Inoltre, gran parte degli studi di carattere numerico in cui si analizza la risposta di fondazioni interrate in terreni a grana fina sono condotti in termini di tensioni totali nell'ipotesi di assimilare il terreno a un mezzo monofase equivalente. Tale ipotesi, però, è ragionevole finché si assume che le condizioni del terreno siano perfettamente non drenate. Peraltro, in presenza di fondazioni soggette ad azioni di trazione, tale assunzione risulta essere decisamente non cautelativa.
Dall'analisi condotta sullo stato dell'arte, risulta chiaro che molti studi condotti sul tema dei suction anchor finora siano stati orientati a caratterizzare la resistenza del sistema fondazione-terreno al fine di fornire delle conoscenze utili alla progettazione degli anchor con riferimento allo stato limite ultimo. Sembra, invece, emergere una mancanza di studi, di carattere sperimentale e numerico, che analizzino anche il comportamento in esercizio dei suction anchor, con particolare riferimento all'influenza che le condizioni di drenaggio hanno sulla risposta del sistema in condizioni lontane da quelle di collasso. Pertanto, questo studio si propone di approfondire l'influenza della storia di carico e delle condizioni di drenaggio sull'accumulo di deformazioni irreversibili nel terreno, e quindi sull'evoluzione degli spostamenti nel tempo, oltre che sul tipo di meccanismo di collasso che si instaura allo stato limite ultimo. Con riferimento alle condizioni cicliche, inoltre, si pone il problema di descrivere la risposta meccanica del terreno attraverso un modello costitutivo avanzato che sia in grado di cogliere il comportamento tenso-deformativo di argille tenere soggette ad azioni cicliche. Da un'accurata analisi dei modelli costitutivi già implementati nei principali codici di calcolo agli elementi finiti emerge una significativa penuria di modelli siffatti a causa della loro complessità di implementazione e dell'elevato numero di parametri da calibrare. Pertanto, in questo studio, si è deciso di descrivere il comportamento meccanico del terreno inizialmente attraverso il modello di Cam-Clay Modificato, già disponibile nella libreria di Abaqus, e successivamente, attraverso il modello avanzato di tipo bounding surface di Rouainia e Wood (2000), più adatto allo studio delle condizioni cicliche, implementato in una subroutine UMAT scritta in linguaggio Fortran dall'Ing. Fabiano Bertoldo, dottore di ricerca presso il Dipartimento di Ingegneria Strutturale e Geotecnica di Sapienza.
Riferimenti bibliografici
[1] Andersen, K. H., Dyvik, R., Schrøder, K., Hansteen, O. E., Bysveen, S., 1999. Field test of anchors in clay II: predictions and interpretation. Journal of Geotechnical Engineering, 119(10), 1532-1549.
[2] Cluckey, E. C., Morrison, M. J., 1993. A centrifuge and analytical study to evaluate suction anchors for TLP applications in the Gulf of Mexico. In: Nelson, P. P., Smith, T.
[3] Deng, W., Carter, J. P., 2000. A theoretical study of the vertical uplift capacity of suction caissons. In: Proceedings of the Tenth International Offshore and Polar Engineering Conference, Seattle, USA, 12(02), 342-349.
[4] El-Gharbawy, S., Olson, R., 1998. The pullout capacity of suction anchor foundations for tension leg platforms. In: The Eighth International Offshore and Polar Engineering Conference, Montreal, Canada.
[5] Rouainia, M., Muir Wood, D., 2000. A kinematic hardening constitutive model for natural clays with loss of structure. Géotechnique, 50(2), 153-164.