Brevet FR2664311A1 — publié le 19920110

La présente invention est relative à une structure gravitaire pour installation en mer et, plus particulièrement, à une telle structure à stabilité améliorée vis-à-vis des effets de la houle appliquée à la structure. On connaît des structures de plates-formes pour exploration ou exploitation de champs pétrolifères en mer qui comprennent un caisson en béton reposant par gravité sur un fond sous-marin Un tel caisson peut être entièrement immergé et éventuellement être conçu pour porter, par l'intermédiaire de supports encastrés verticaux en forme de colonnes, une ou plusieurs platesformes situées au-dessus de l'eau, ces plates-formes supportant des équipements d'exploration ou d'exploitation du site, ainsi que les quartiers d'habitation du personnel. Le caisson est ordinairement divisé par des cloisons intérieures verticales définissant des compartiments de ballast et, éventuellement, des compartiments destinés au stockage des liquides extraits par la plate-forme. Les compartiments de ballast sont d'abord remplis d'air pour le transport de la structure sur le site d'exploration ou d'exploitation, par flottaison. En remplissant alors ces compartiments avec de l'eau et/ou avec des matériaux pondéreux tels que sable ou gravats, etc..., on fait descendre le caisson qui vient reposer sur le fond marin, le volume global de ballast étant calculé pour assurer la stabilité tant horizontale que verticale de la structure. Des bêches assurent éventuellement un ancrage supplémentaire de la dalle inférieure du caisson sur le fond marin, pour s'opposer au glissement. On a schématisé à la figure 1 du dessin annexé un caisson 1 reposant sur un fond marin 2 et le système de forces hydrodynamiques qui est appliqué à un tel caisson sous l'action de la houle, elle-même schématisée par une vague 3 passant au-dessus du caisson et évoluant dans la direction de la flèche 4. On suppose que le caisson 1 est immergé dans une mer peu profonde (quelques dizaines de mètres). On sait que l'intensité des effets de la houle décroît avec la profondeur d'eau. Dans la situation envisagée l'action de la houle sur le caisson est donc importante ce qui ne serait pas le cas si le caisson était immergé dans une centaine voire quelques centaines de mètres d'eau. Le passage de l'onde 3 exerce sur les parois latérales du caisson des pressions hydrodynamiques horizontales de résultante H et des pressions hydrodynamiques verticales de résultante V, le caisson étant également soumis à un moment de renversement M autour de son centre de gravité G. Si l'interface caisson/fond 2 peut être considérée comme imperméable, on conçoit que les pressions hydrodynamiques verticales se résolvent en une résultante verticale dont la direction peut être alternativement ascendante ou descendante. Quand cette résultante est orientée vers le bas, la stabilité du caisson en est renforcée. Quand elle est orientée vers le haut, au contraire, le poids apparent du caisson et des équipements éventuels qu'il porte est diminué, ainsi que la stabilité vis-à-vis d'un effort horizontal et d'un moment de renversement. Pour empêcher tout glissement de la plate-forme sous l'effet d'un tel effort, on est conduit à charger lourdement le caisson avec un ballast dense. Il faut alors prévoir dans le caisson des compartiments propres à recevoir ce ballast. Le prix de l'installation est alors grevé d'un fort surcoût dû à ces compartiments et au ballast qu'il faut y introduire. La présente invention a pour but de réaliser une structure gravitaire pour installation en mer, présentant une bonne stabilité vis-à-vis des effets de la houle, sans que soit fait appel à un ballastage coûteux pour atteindre ce résultat. On atteint ce but de l'invention, ainsi que d'autres qui apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre, avec une structure gravitaire pour installation en mer, comprenant au moins un caisson cylindrique entièrement immergé présentant une dalle inférieure formant radier conçue pour reposer sur un fond sous-marin, et une toiture distante de la dalle inférieure. Suivant l'invention, cette structure comprend des moyens r pour appliquer sur au moins une partie de la face externe de la dalle inférieure, une pression hydrodynamique due à la houle, de manière à réduire les efforts verticaux s'exerçant sur le caisson, afin d'améliorer la stabilité de celui-ci. Grâce à cette disposition, les pressions hydrodynamiques exercées par la houle sous le radier équilibrent au moins partiellement celles exercées par la houle sur la toiture, ce qui permet de réduire les efforts verticaux auxquels le caisson est soumis du fait de la houle, cette réduction améliorant substantiellement la stabilité au sol du caisson. Suivant un mode de réalisation de l'invention, les moyens pour appliquer une pression hydrodynamique due à la houle, sur une partie au moins de la face externe de la dalle inférieure, comprennent au moins un conduit traversant l'épaisseur du caisson et débouchant d'une part sur la toiture et d'autre part dans une chambre ménagée entre le fond sous-marin et la face externe de la dalle inférieure. On conçoit qu' ainsi une pression hydrodynamique exercée au niveau de la toiture par la houle se trouve transmise par le conduit sous le radier, pour assurer l'équilibrage total ou partiel des pressions verticales subies par la toiture du caisson. Suivant une variante, l'axe du conduit est incliné par rapport à la verticale du caisson. On peut ainsi déphaser l'action de la houle sur certaines régions du radier par rapport à des pressions exercées sur la toiture, pour disposer de plus de souplesse encore dans la mise en oeuvre de l'équilibrage du caisson. Suivant une autre variante, un tube auxiliaire prolonge le conduit sur une hauteur prédéterminée audessus de la toiture, pour transmettre sous la dalle une pression hydrodynamique de houle plus forte que celle régnant au niveau de la toiture. On peut ainsi moduler la réaction introduite sous la dalle aux efforts exercés par la houle sur la toiture. Suivant une autre variante encore de la structure selon l'invention, la dalle du caisson repose sur le fond sous-marin par l'intermédiaire d'un treillis de longrines, ces longrines étant percées de passages transversaux pour la transmission de la pression de houle régnant au niveau du fond sous-marin, à des chambres cellulaires délimitées par le treillis de longrines, sous la face externe de la dalle inférieure. D'autres caractéristiques et avantages de la structure selon l'invention apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre et à l'examen du dessin annexé dans lequel - la figure 1 est un schéma des efforts exercés sur le caisson de la structure suivant l'invention, schéma déjà discuté en préambule de la présente description, - la figure 2 est une vue en plan d'une structure gravitaire type suivant l'invention, - la figure 3 est une vue en élévation et en coupe suivant le trait de coupe III-III de la figure 2, de la structure gravitaire suivant l'invention, et - la figure 4 est une vue en élévation et en coupe d'un détail de la structure de la figure 3. On se réfère aux figures 2 et 3 du dessin annexé où la structure représentée comprend un caisson 1 cylindrique de section rectangulaire, entièrement immergé et reposant sur un fond sous-marin 2 distant de la surface de quelques dizaines de mètres, par exemple. Suivant une option, des colonnes ou supports 4, 4' sont ancrés dans le caisson et supportent à leur extrémité supérieure située au-dessus de la surface de l'eau, des plates-formes 3, 3' équipées par exemple d'un matériel d'exploration ou d'exploitation utilisé dans un champ pétrolifère en mer peu profonde. Le caisson comprend une toiture 5 et une dalle inférieure 6 à laquelle est incorporé un treillis de longrines 7 pour constituer un radier.Sur la vue de détail de la figure 4, il apparaît que des bêches 8 peuvent être formées au droit de certaines longrines au moins, pour renforcer la resistance au glissement de la structure. Sur la figure 4 il apparaît aussi que les longrines délimitent avec le fond sous-marin 2 et avec la face inférieure de la dalle 6 des chambres 9. L'ancrage du radier du caisson dans le fond sous-marin isole pratiquement ces chambres des pressions dynamiques exercées par la houle sur la périphérie du caisson, au niveau de l'appui de cette périphérie sur le fond marin. On remarquera encore, sur la vue en élévation de la figure 2, que le caisson est du type multicellulaire, étant divisé en multiples compartiments 10, 10', délimités par des cloisons intérieures 11 montées par exemple au droit des longrines 7. Certains compartiments (10) sont fermés par la toiture 5 pour servir de réservoirs de pétrole brut, par exemple. D'autres (10') sont ouverts, à la périphérie du caisson, pour recevoir un ballast dense 12. Comme on l'a vu plus haut en liaison avec la figure 1, on conçoit que si les chambres 9 sont isolées des pressions hydrodynamiques de houle, le caisson 1 subit effectivement les pressions hydrodynamiques verticales appliquées à la seule toiture comme illustré sur cette figure, induisant ainsi une résultante verticale importante. Suivant la présente invention, comme illustré aux figures 3 et 4, on réduit ce déséquilibre en prévoyant dans au moins certains des compartiments 10 du caisson, un moyen 13 pour transmettre dans la chambre 9 une pression hydrodynamique de houle appliquée sur la toiture 5. Sur la figure 4 il apparaît clairement que ce moyen est constitué par un conduit vertical 13 qui débouche d'une part sur la face supérieure de la toiture 5 et, d'autre part, dans la chambre 9. La colonne d'eau présente dans le conduit 13 assure instantanément la transmission dans la chambre 9, et donc sur la partie de la face inférieure de la dalle 6 qui est intérieure à la chambre, de la pression hydrodynamique appliquée par la houle au droit du débouché du conduit 13, au niveau de la toiture 5. Les pressions ainsi exercées en sens opposés sur des faces en regard de la toiture et de la dalle s'annulent.La résultante des pressions verticales de houle qui tend périodiquement à tirer le caisson vers le haut à l'écart du fond sousmarin est réduite et la stabilité de la plate-forme améliorée. On peut alors réduire la quantité de ballast 12 dont il fallait auparavant charger le caisson pour assurer cette stabilité. On peut dans certains cas économiser du même coup la fabrication des compartiments du caisson nécessaires pour recevoir ce ballast supprimé. Si le compartiment 10 dans lequel passe le tube 13 ntest pas utilisé à des fins de stockage, on peut supprimer ce tube et ne laisser subsister que ses débouchés sur la toiture et dans la chambre 9. Divers autres modes de réalisation de la mise en communication des chambres 9 avec la pression hydrodynamique de houle sont possibles. A titre d'exemple non limitatif on a ainsi représenté sur la vue agrandie de la figure 4 un conduit 13' incorporé à une des cloisons intérieures 11 délimitant les compartiments du caisson. A la figure 3 on a représenté un conduit 13" oblique, traversant éventuellement plusieurs compartiments 10 et un conduit 13"' oblique et coudé. On peut ainsi décaler spatialement le front d'application de la pression hydrodynamique de houle transmise à une chambre 9 par rapport à celle appliquée, à l'autre extrémité du conduit, au niveau de la toiture 5 du caisson.Ce décalage spatial, qui entraîne un déphasage temporel des efforts appliqués sur les faces inférieure et supérieure d'un même compartiment peut être exploité pour contrarier, par exemple, les effets du moment de renversement et améliorer encore la stabilité du caisson et des ouvrages qu'il porte. Suivant une autre disposition illustrée en traits interrompus aux figures 3 et 4, les conduits 13, 13', 13", 13"' peuvent être prolongés vers le haut par des tubes auxiliaires 14, 14', 14", 14"' permettant de transmettre des pressions de houle plus élevées dans les chambres 9. On pourrait ainsi compenser par exemple la réduction de la surface active des chambres 9 par rapport à la surface de la toiture 5 sur laquelle s'exerce la pression hydrodynamique de houle. Il est possible aussi d'appliquer une pression hydrodynamique de houle dans les chambres 9, sans faire appel à des conduits traversant le caisson. On a ainsi représenté à la figure 4 en traits interrompus, des passages 15 percés transversalement aux longrines 7 du radier du caisson. Par de tels passages il est possible de faire communiquer de proche en proche les chambres 9 avec la périphérie du caisson elle-même creusée à sa base de tels passages, pour assurer une transmission de la pression hydrodynamique de houle régnant sur le fond marin, vers ces chambres 9. Il faut noter cependant que la pression de houle ainsi transmise est forcément plus faible que celle qui peut être transmise par les conduits 13, 13', 13" à partir de la surface de la toiture du caisson. Une variante de cette solution consisterait à poser le caisson sur un lit d'un matériau de drainage autorisant une mise en équipression quasi-instantanée de l'eau sous le caisson avec le milieu environnant au niveau de la fondation. Ce lit pourrait être constitué par un enrochement à granulométrie graduée, par un tapis d'éléments sphériques préfabriqués, par des matériaux filtrants, etc... Bien entendu l'invention ntest pas limitée au mode de réalisation décrit et représenté qui n'a été donné qu'à titre d'exemple. En particulier, l'invention n' est pas limitée à un caisson formant partie d'une structure gravitaire destinée à supporter des plates-formes audessus de la surface de l'eau. Le caisson pourrait être réalisé pour lui-même, en tant que réservoir sous-marin de stockage de liquides sur un champ pétrolifère, par exemple, ou toute autre installation en mer comportant un caisson gravitaire immergé. REVENDICATIONS 1. Structure gravitaire pour installation en mer, comprenant au moins un caisson cylindrique (1) entièrement immergé présentant une dalle inférieure (6) formant radier et conçue pour reposer sur un fond sous-marin (2), et une toiture (5) distante de la dalle inférieure (6), caractérisée en ce qu'elle comprend des moyens (13 ; 13' 13" ; 13'") pour appliquer sur au moins une partie de la face externe de la dalle inférieure (6), une pression hydrodynamique due à la houle, de manière à réduire les efforts verticaux s'exerçant sur le caisson (1) afin d'améliorer la stabilité de celui-ci. 2. Structure conforme à la revendication 1, caractérisée en ce que lesdits moyens d'application comprennent au moins un conduit (13) traversant l'épaisseur du caisson et débouchant d'une part sur la toiture (5) et d'autre part dans une chambre (9) ménagée entre le fond sous marin et la face externe de la dalle inférieure. 3. Structure conforme à la revendication 2, caractérisée en ce que le conduit (13) est d'axe sensiblement vertical. 4. Structure conforme à la revendication 2 ou 3, caractérisée en ce que le conduit (13) traverse un compartiment (10) du caisson. 5. Structure conforme à la revendication 2 ou 3, caractérisée en ce que le conduit (13') est disposé dans l'épaisseur d'une cloison (11) interne au caisson et délimitant au moins en partie un compartiment (10) du caisson. 6. Structure conforme à la revendication 2, caractérisée en ce que lesdits moyens d'application sont constitués par deux ouvertures percées respectivement dans la toiture et dans la dalle inférieure, ces ouvertures communiquant à travers un compartiment délimité dans le caisson. 7. Structure conforme à la revendication 2, caractérisée en ce que l'axe dudit conduit (13" ; 13'") est incliné sur la verticale du caisson. 8. Structure conforme à l'une quelconque des revendications 2 à 7, caractérisée en ce qu'un tube auxiliaire (14 ; 14' ; 14" ; 14'") prolonge le conduit sur une hauteur prédéterminée au-dessus de la toiture (5), pour transmettre sous la dalle une pression hydrodynamique de houle plus forte que celle régnant au niveau de la toiture. 9. Structure conforme à la revendication 1, caractérisée en ce que la dalle (6) repose sur le fond sous-marin par l'intermédiaire d'un treillis de longrines (7), ces longrines étant percées de passages (15) transversaux pour la transmission de la pression de houle régnant au niveau du fond sous-marin, à des chambres cellulaires (9) délimitées par le treillis de longrines, sous la face externe de la dalle inférieure (6). 10. Structure conforme à la revendication 1, caractérisée en ce que la dalle repose sur un lit d'un matériau perméable dégageant la face externe de la dalle inférieure pour l'application de pressions hydrodynamiques de houle. 11. Structure conforme à la revendication 10, caractérisée en ce que le lit est constitué d'éléments sphériques préfabriqués. 12. Structure conforme à l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que le caisson (1) sert de base à des colonnes de support (4, 4') d'au moins une plate-forme (3, 3') hors d'eau.