Brevet FR2512859A1 — publié le 19830318

L'invention concerne un système de piles destiné à la fixation d'une structure marine, et plus particulièrement un système de piles souples pour fixer une plate-forme marine à tour haubanée et pour supporter la masse verticale nette de cette plate-forme lorsque ladite tour haubanée est installée dans une masse d'eau. Les structures marines nouvelles ont récemment été proposées pour la récupération d'hydrocarbures dans des gisements marins qui s'étendent audessous de masses d'eau de grande profondeur Une telle structure marine comprend une plate-forme souple connue, dans la technique, sous le nom de plate-forme à "tour haubanée" Fondamen- talement, une tour haubanée est une structure treillissée de section uniforme qui repose sur le fond marin et qui s'élève jusqu'à un pont supporté au-dessus de la surface La structure est maintenue en position droite par de nombreux haubans qui sont espacés autour de cette structure treillissée La structure est "souple", c'est-à- dire qu'elle s'incline sous l'effet de vagues de surface ou des forces du vent, engendrant ainsi des forces d'iner- tie qui s'opposent aux forces appliquées Ces forces de réaction tendent à réduire les forces totales trans- mises aux organes de retenue de la plate-forme. Bien que diverses sections géométriques puissent être utilisées, la membrure principale d'une structure typique de tour haubanée comprend normalement quatre jambes équidistantes, reliées les unes aux autres par des éléments classiques d'entretoisement disposés en triangle On utilise, dans des tours haubanées proposées précédemment, soit une coque de fondation renforcée par des membrures, appelée "caisson de support", soit des piles pour fixer la structure en position et, surtout, pour supporter la masse verticale nette de la structure. Le caisson de support constitue un point de pivotement permettant l'inclinaison de la structure Etant donné que cette dernière repose directement sur le fond marin, le caisson de support sert principalement à transmettre la charge axiale au fond marin en charge Par ailleurs, des piles partent de, la liaison des piles avec la plate- forme (désignée liaison"piles-plate-forme" dans des guides espacés le long de la structure pour pénétrer dans le fond marin Des piles supportent la structure en transmettant les charges axiales ainsi que les charges de cisaillement au fond marin. Les systèmes de piles exigent normalement de nombreuses piles qui, en raison de l'espace disponible, nécessitent de placer certaines ou la totalité des piles principales de façon excentrée par rapport à l'axe d'in- clinaison de la structure En raison de cette excentricité, les mouvements d'oscillation ou d'inclinaison de la structure souple de la tour haubanée imposent des déforma- tions à la liaison pile-plate-forme (ces déformations étant-désignées ciaprès déformations"pile-tête"l) qui ont pour résultat un accroissement sensible des forces appliquées axialement aux piles Lorsque les forces axiales dues aux déformations pile-tête s'ajoutent aux charges axiales engendrées dans les piles par le poids de la structure, du pont, etc, les charges axiales totales appliquées aux piles peuvent devenir excessives. En outre, étant donné que ces piles s'étendent -du fond marin jusqu'à la surface, elles traversent la "zone des vagues" Il s'agit de la zone d'eau située au niveau et au-dessous de la surface et qui est affectée par la présence des vagues de surface Chacune des piles présente une surface de traînée contre laquelle les vagues agissent, ce qui accroît les forces de renversement appliquées à la tour haubanée Il peut donc être souhai- table de réduire à la fois les charges axiales exercées sur les piles et les surfaces de traînée exposées dans la zone de vagues. L'invention concerne un système de piles destiné à une structure de tour haubanée, ce système diminuant l'effet des charges axiales dans chacune des piles par suite des déformations pile-tête, sans nuire gravement à la souplesse de la tour haubanée proprement dite. D'un point de vue structurel, le système de piles souples selon l'invention comprend au moins une pile qui, elle-même, est constituée de deux éléments structurels, à savoir un élément de pile et une chemise entourant la pile. Dans une première forme de réalisation de l'in- vention, la chemise de la pile est constituée de 1, 3 ou tout autre nombre impair de manchons disposés concen- triquement La chemise s'étend d'un premier point situé sur la membrure principale de la tour haubanée jusqu'à un second point situé sur la membrure principale, au- dessus du premier point Le manchon extérieur de la chemise de la pile est fixé à la membrure principale seulement au premier point; autrement dit, seule l'extrémité inférieure du manchon extérieur est fixée à la membrure principale La chemise de la pile est libre de se déplacer axialement par rapport à des guides espacés qui sont fixés en des positions prédéterminées le long de la membrure principale L'élément de pile passe dans la chemise et est abaissé à force jusqu'à un certain point dans le fond marin Cet élément aboutit à proximité immédiate du second point ou de l'extrémité supérieure de la chemise de pile et son extrémité supérieure n'est fixée qu'au manchon intérieur de la chemise Si cette dernière est constituée d'un nombre impair de manchons, ce nombre étant différent de un, les manchons sont fixés les uns aux autres alternativement par leurs extrémités supérieures et inférieures, respectivement, comme décrit plus en détail ci-après. Dans une autre forme de réalisation de l'inven- tion, la chemise de la pile est constituée de 2, 4, ou de tout autre nombre pair de manchons montés concentri- quement De même que précédemment, la chemise s'étend d'un premier point situé sur la membrure principale jus- qu'à un second point situé sur-la membrure principale, au-dessus du premier point Le manchon extérieur de la chemise est fixé à la membrure principale uniquement au second point; autrement dit, seule l'extrémité supérieure du manchon extérieur est fixée à la membrure principale. La chemise de la pile est libre de se déplacer axialement par rapport à des guides espacés qui sont fixés en des positions prédéterminées le long de la membrure princi- pale L' élément de la pile, qui passe dans la chemise et qui est introduit à force dans le fond marin, n'est fixé, par son extrémité supérieure, qu'à l'extrémité supé- rieure du manchon intérieur de la chemise Les manchons concentriques constituant la chemise de la pile sont fixés les uns aux autres, de façon alternée, par leurs extré- mités supérieures et inférieures, respectivement, comme décrit plus en détail ci-après. Chaque élément de pile étant réalisé comme décrit ci-dessus, il apparait que le système de piles selon l'invention supporte la charge verticale de la structure à tour haubanée tout en réduisant, dans le même temps, l'effet des charges axiales appliquées à un élé- ment de pile individuel par suite des déformations pile-tête Une réduction de la-charge axiale exige égale- ment une plus faible pénétration de la pile dans le fond marin et réduit aussi les niveaux des contraintes cycliques engendrées dans la pile, ce qui réduit la sensibilité de cette dernière-aux problèmes de fatigue. De plus, l'invention permet de placer la chemise de pile hors de la "zone des vagues", ce qui réduit sensi- blement les charges exercées par les vagues et les courants sur la structure. L'invention sera décrite plus en détail en regard des dessins annexés à titre d'exemples nullement limitatifs et sur lesquels: la figure 1 A est une élévation partielle d'une structure de tour haubanée installée selon l'in- vention la figure 1 B est une autre élévation partielle d'une structure de tour haubanée installée selon l'in- vention; la figure 2 est une coupe suivant la ligne 2-2 de la figure 1 A; la figure 3 est une élévation, avec coupe partielle, d'une première forme de réalisation de l'in- vention; et la figure 4 est une coupe partielle d'une autre forme de réalisation de l'invention. Les figures 1 A et 1 B représentent une structure de tour haubanée installée dans une masse d'eau 11. Comme représenté, la tour haubanée 10 est constituée d'un tronçon treillissé principal 12 comportant quatre pieds équidistants 13 (figure 2) reliés par des entre- toises classiques 14. Un pont 17 est monté sur l'extrémité supérieure de la membrure 12 et il est utilisé pour l'exécution d'opérations de forage et de mise en production à partir de la structure à tour haubanée 10 Plusieurs haubans 18 (par exemple 24 haubans, bien que deux haubans seule- ment soient représentés) sont espacés de façon symétrique autour de la membrure 12 Chaque hauban 18 est fixé au pont 17 par des serre-câbles (non représentés) et il descend à l'intérieur de la membrure 12 et passe autour d'un chaumard 19 monté sur la membrure 12, au-dessous de la surface 20 de la masse d'eau 11 Chaquehauban 18 se dirige ensuite vers l'extérieur de laoeirbrure 12 sous un certain angle (par exemple 30 à 600 par rapport à la verticale) jusqu'à des gueuses articulées 21 repo- sant sur le fond marin 16 Des câbles horizontaux 22 d'ancrage sont utilisés pour relier les gueuses 21 à des piles 23 d'ancrage ou autres Les haubans 18 servent à maintenir la membrure 12 orientée verticalement et ils ont pour fonction de ramener la membrure 12 dans une position verticale lorqu'elle a été inclinée par le vent, les vagues ou les courants Plusieurs conduites 24 de puits (par exemple 24 conduites, montrées uniquement sur la figure 2) passent dans la membrure 12 et, ainsi qu'il est évident à l'homme de l'art, s'étendent du pont 17 jusque dans le fond marin 16 dans lequel des puits peuvent être forés et complétés. La structure décrite jusqu'à présent est une structure connue et'typique de tour haubanée. Une description plus complète de la structure et des caractéristiques de fonctionnement d'une telle tour haubanée existe dans les articles suivants: ( 1) "A New Deepwater Offshore Platform The Guyed Tower", L D Finn, Paper Nomber OTC 2688, présenté à la "Offshore Technology Conference", Houston, Texas, 3-6 mai 1976, et ( 2) "A Guyed Tower for North Sea Production", L D Finn et G G Thomas, article T-11/5, présenté à "Offshore North Sea Technology Conference and Exhibition, Stavanger, Norvège, 26-29 août 1980. Conformément à l'invention, un système de piles souples 30 (figure 3) est destiné à supporter la masse verticale de la tour 10 Il convient de noter que, pour plus de clarté sur les figures, le système 30 et ses divers éléments ne sont pas nécessairement représentés à l'échelle par, rapport à la partie restante de la structure de la tour 10, mais qu'ils sont représentés dans des dimensions légèrement exagérées afin de mieux montrer les détails de la présente invention. Le système 30 est constitué de plusieurs piles 31 Bien que, pour plus de clarté, seules quatre piles 31 soient représentées (figure 2), il convient de noter que le nombre exact de piles peut varier suivant les para- mètres impliqués dans l'application réelle de la tour , c'est-à-dire la profondeur de l'eau, les vagues-, le vent et les courants prévus, l'état du sol, la dimension de la tour 10, etc Chaque pile 31 est constituée de deux parties, à savoir une chemise et un élément de pile. Dans la forme de réalisation montrée sur les figures 1 A à 3, la pile 31 comprend une chemise 32 de pile dans laquelle est placé un élément 34 de pile (représenté en traits pointillés gras sur les figures 1 A et 1 B) La chemise 32 est constituée d'un nombre impair ( 1, comme montré) de manchons concentriques 37 (figure 3) et elle passe dans des guides alignés 35 Ces guides 35 sont fixés aux entretoises 14 de la membrure 12 Chaque chemise 32 s'étend d'un premier point 29 situé sur la membrure 12 jusqu'à un second point 35 c (figures 1 A et 1 B) de la membrure 12. La figure 1 A représente la chemise de piles s'étendant d'un premier point 29 situé à l'extrémité inférieure ou à proximité de l'extrémité inférieure de la membrure 12, jusqu'à un second point 35 c qui est situé au-dessous de la zone 40 des vagues (figure 1 B) La zone 40 des vagues est la zone d'eau située au-dessous de la surface 20 et affectée par les vagues de surface. Cette disposition est préférée pour la chemise de la pile, car elle ne se trouve pas dans la zone des vagues et, par conséquent, les forces engendrées par les vagues de surface sont minimisées. Comme montré sur la figure 1 B, la chemise de la pile peut être reliée à l'extrémité supérieure de la membrure 12 En fait, la chemise de la pile peut être placée en tout emplacement de la longueur de la membrure. La position exacte de la chemise 32 sur la membrure 12 est déterminée en fonction des conditions réelles impli- quées dans chaque application particulière de la tour 10. Dans tous les cas, si la chemise 32 de la pile comprend un nombre impair de manchons concentriques 37, le manchon extérieur est fixé à la membrure 12 uniquement au premier point 29 et, par conséquent, il peut se déplacer axiale- ment et librement par rapport aux guides 35 de la pile sur la membrure 12 L'élément de pile 34 passe dans le manchon 32 et il est entraîné ou autrement forcé dans le fond marin 16 jusqu'à une profondeur prédéterminée pendant l'installation de la tour 10 Cet élément 34 n'est ensuite fixé que par son extrémité supérieure 38 à l'extrémité supérieure du manchon 37, par soudage ou autre. En réalisant chaque pile 31 au moyen d'un élé- ment 34 et d'une chemise 32 et en reliant ces deux organes comme décrit ci-dessus, la pile 31 se comporte comme une pile unique de longueur continue En d'autres termes, en redoublant la pile sur elle-même, suivant sa longueur, la longueur utile de la pile est augmentée et sa raideur axiale est sensiblement réduite Cette diminution de la raideur axiale non seulement réduit les charges axiales supplémentaires appliquées à chaque pile 31 par suite de tout mouvement d'oscillation de la tour 10, mais également réduit la résistance opposée à ces mouvements d'oscillation De plus, si les piles 31 aboutissent au- dessous de la zone 40 des vagues, comme montré sur la figure 1 A, le nombre d'éléments de structure exposés aux forces des courants et des vagues dans cette zone est réduit, ce qui diminue la charge horizontale appliquée à la structure. La figure 4 représente une autre forme de réali- sation de l'invention dans laquelle une chemise 32 a de pile est constituée d'un nombre pair (deux dans la forme de réalisation montrée) de manchons concentriques 37 a, 37 b, contrairement au nombre impair de manchons décrits précédemment Le manchon intérieur 37 b est placé dans un manchon extérieur 37 a, seules les extrémités inférieures de ces manchons étant reliées par une soudure 41 ou autre, comme montré sur la figure 4 La chemise 32 a de la pile passe dans un guide 35 a qui est fixé à une entretoise 36 a de la membrure 12, ainsi que dans d'autres guides alignés 35 (comme montré globalement sur la figure 3) espacés le long de la membrure 12 Si un nombre pair de manchons est utilisé, la chemise 32 a de la pile n'est fixée qu'en un point à la membrure 12, à savoir à son extrémité supérieure ou au second point 35 c de la membrure 12 par soudage ou autre Ce second point est de préférence situé au-dessous de la zone des vagues afin de réduire les forces horizontales. La pile 34 a passe dans le manchon intérieur 37 b de la chemise 32 a et elle est forcée dans le fond marin 16, de même que là pile 34 comme décrit pour la forme de réalisation précédente La'pile 34 a n'est fixée que par son extrémité supérieure à l'extrémité supérieure du manchon inférieur 37 b, par une soudure 42 ou autre En reliant les manchons par leurs extrémités alternées, comme décrit, la longueur utile de la pile est augmentée tandis que sa raideur axiale est réduite. Il convient de noter qu'il est possible d'utili- ser plus de deux manchons pour former une chemise de pile conformément à l'invention Autrement dit, dans la première forme de réalisation, un nombre impair (par exemple trois) de manchons peut être utilisé, l'élément de pile étant fixé par son extrémité supérieure au sommet du manchon intérieur L'extrémité inférieure du manchon intérieur est reliée à l'extrémité inférieure d'un manchon intermé- diaire L'extrémité supérieure du manchon intermédiaire est reliée à l'extrémité supérieure d'un manchon exté- rieur dont l'extrémité inférieui e est fixée à l'extrémité inférieure de la membrure 12 De même, dans l'autre forme de réalisation, un nombre pair (par exemple quatre) de manchons, supérieur à deux, peut être utilisé pour former la chemise de la pile De même que précédemment, l'élément de la pile est fixé par son extrémité supérieure à l'extrémité supérieure du manchon intérieur et les manchons sont reliés alternativement par leurs extrémités respectives, l'extrémité supérieure du manchon extérieur étant fixée à la membrure 12. Il convient de noter que tous les manchons ne présentent pas la même longueur Il suffit seulement qu'une liaison soit réalisée entre les extrémités alter- nées de manchons adjacents, cette liaison permettant une réduction appropriée de la raideur axiale de la pile. En d'autres termes, il suffit que la liaison soit réalisée aux extrémités rapprochées des manchons Un ou plusieurs manchons peuvent dépasser la liaison, comme montré sur la figure 4. Il convient également de noter que l'invention peut être utilisée sur une structure marine qui ne s'élève pas au-dessus de la surface de l'eau (par exemple une structure inîergée ayant un système de piles destiné à ancrer la structure au fond marin). REVENDICAT IONS 1 Système de piles souples destiné à supporter la masse verticale d'une structure marine ( 10) du type s'étendant entre le fond marin ( 16) et la surface ( 20) d'une masse d'eau ( 11), le système étant caractérisé en ce qu'il comporte au moins un élément ( 31) comprenant une chemise ( 32) de pile qui présente des extrémités supé- rieure et inférieure et qui s'étend d'un premier point ( 29) situé sur ladite structure marine jusqu'à un second point ( 35 c) de cette structure, le second point étant situé au-dessus du premier point et la chemise de pile étant fixée à la structure marine en un seul point, ledit élément ( 31) comprenant également un élément de piles ( 34) qui présente des extrémités supérieure et inférieure, qui est placé dans le fond marin et qui n'est fixé que par son extrémité supérieure ( 38) à l'extrémité supérieure voisine de la chemise de pile. 2 Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que le second point est situé au-dessous de la zone ( 40) des vagues de la masse d'eau. 3 Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que la chemise de pile comprend un manchon ( 37) qui présente des extrémités supérieure et inférieure et qui n'est fixé à la structure marine que par son extré- mité inférieure voisine du premier point. 4 Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que la chemise ( 32 a) de pile comprend un manchon intérieur ( 37 b) qui présente des extrémités supérieure et inférieure, qui est placé concentriquement autour de l'élément de pile ( 34 a) et qui est fixé à ladite extré- mité supérieure de cet élément par son extrémité supé- rieure voisine, et un manchon extérieur ( 37 a) qui présente des extrémités supérieure et inférieure, qui est placé concentriquement autour du manchon intérieur, qui est fixé uniquement par son extrémité inférieure à l'extré- mité inférieure voisine du manchon intérieur, et dont l'extrémité supérieure est fixée uniquement audit second point de la structure marine, point duquel cette extrémité 1 1 supérieure est rapprochée. Système selon l'une quelconque des revendi- cations 1, 3 et 4, caractérisé en ce qu'il comporte plusieurs guides alignés et espacés verticalement ( 35), fixés à la structure marine en des points compris entre les extrémités de la chemise de pile, cette chemise passant dans les guides par rapport auxquels elle peut se déplacer axialement. 6 Système selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend plusieurs piles espacées ( 31). 7 Système de piles souples destiné à supporter la masse verticale d'une structure ( 10) de-tour haubanée du type comportant une membrure principale ( 12) qui s'étend entre un fond marin ( 16) et la surface ( 20) d'une masse d'eau ( 11), et plusieurs haubans ( 18) s'étendant entre la membrure principale et le fond marin afin de maintenir ladite membrure orientée verticalement, le système de piles étant caractérisé en ce qu'il comporte au moins une pile ( 31) comprenant une chemise ( 32) de pile qui s'étend de l'extrémité inférieure ( 29) de la membrure principale jusqu'à un point ( 35 c) situé au- dessous de la zone des vagues ( 40) de la masse d'eau, cette chemise de pile n'étant fixée qu'en un point de ladite membrure principale, la pile ( 31) comprenant égale- ment un élément ( 34) placé à l'intérieur de la chemise et s'étendant du haut de cette chemise jusqu'à un point situé dans le fond marin, cet élément de pile n'étant fixé que par son extrémité supérieure ( 38) à la chemise de pile. 8 Système de piles souples destiné à supporter la masse verticale d'une structure ( 10) de tour haubanée du type comportant une membrure principale ( 12) qui s'étend entre un fond marin ( 16) et la surface ( 20) d'une masse d'eau ( 11), et plusieurs haubans ( 18) s'éten- dant entre la membrure principale et le fond marin afin de maintenir ladite membrure orientée verticalement, le système de piles étant caractérisé en ce qu'il comporte au moins une pile ( 31) comprenant une chemise de pile ( 32) qui présente des extrémités supérieure et inférieure et qui s'étend d'un premier point ( 29) de la membrure principale jusqu'à un second point ( 35 c) de cette mem- brure, ce second point étant situé au-dessus du premier point et la chemise de pile n'étant fixée que par son extrémité inférieure à la structure de la membrure prin- cipale, ladite pile ( 31) comprenant également un élément ( 34) qui passe dans la chemise et qui s'étend de l'extré- mité supérieure de cette chemise jusqu'à un point situé dans le fond marin, l'élément ( 34) de pile étant fixé uniquement par son extrémité supérieure ( 38) à l'extrémité supérieure voisine de la chemise de pile. 9 Système de piles souples destiné à supporter la masse verticale d'une structure ( 10) de tour haubanée du type comportant une membrure principale ( 12) qui s'étend entre un fond marin ( 16) et la surface ( 20) d'une masse d'eau ( 11), et plusieurs haubans ( 18) s'étendant entre la membrure principale et le fond marin afin de maintenir ladite membrure orientée verticalement, le système de piles étant caractérisé en ce qu'il comporte au moins une pile ( 31) comprenant une chemise ( 32 a) qui s'étend d'un premier point ( 29) de la membrure principale jusqu'à un second point ( 35 c) de ladite membrure princi- pale, ce second point étant situé au-dessus du premier point, la chemise de pile comprenant un manchon extérieur ( 37 a) qui présente des extrémités supérieure et inférieure et qui est fixé par son extrémité supérieure au second point de la membrure principale, et un manchon intérieur ( 37 b) qui présente des extrémités supérieure et inférieure et qui est disposé concentriquement dans le manchon exté- rieur, les manchons intérieur et extérieur étant fixés l'un à l'autre par leurs extrémités inférieures voisines, ladite pile ( 31) comprenant également un élément ( 34 a) qui passe dans le manchon intérieur de la chemise et qui s'étend du haut de-cette chemise jusque dans le fond marin, cet élément ( 34 a) de pile n'étant fixé qu'à l'extrémité supérieure voisine du manchon intérieur. Système selon l'une des revendications 8 et 9, caractérisé en ce que ledit second point ( 35 c) est situé audessous de la zone ( 40) des vagues de la masse d'eau. 11 Système selon l'une quelconque des reven- dications 7, 8 et 9, caractérisé en ce qu'il comporte plusieurs guides alignés et espacés verticalement ( 35), fixés le long de la membrure principale, en des points compris entre les extrémités de la chemise de pile, cette chemise passant dans les guides par rapport auxquels elle peut se déplacer axialement. 12 Système selon l'une quelconque des reven- dications 7, 8, 9 et 11, caractérisé en ce qu'il comporte plusieurs piles ( 31) espacées latéralement à l'intérieur de la membrure principale.