MC683A1 - Ouvrage construit sur le fond de la mer, en eau profonde - Google Patents

Description

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Ouvrage construit sur le fond de la mer, en eau profonde.

Société dite :

CANADIAN PATENTS AND DEVELOPMENT LHIITEI

La présente invention concerne les ouvraj ou structures construits sur le fond de la mer en eau profonde, et elle a trait plus particulièrement à des fonc tions, tours ou piliers en site marin présentant de grande 5 dimensions horizontales'et dont les parois sont incurvées et perforées. Les nouveaux ouvrages suivant l'invention sont caractérisés par une'faible diffusion (scattering) de la houle, une bonne capacité d'absorption de l'énergie de la houle et une aptitude à empôcher une propagation de la 10 houle au travers de la structure. En conséquences, les fore auxquelles de tels ouvrages sont soumis lorsqu'ils sont sollicités par des trains d'ondes on eau profonde sont

fortement réduites par comparaison aux forces exercées sui des ouvrages"de type connu et présentant les mômes dimensions.

On sait que la poussée latérale exercée •par l'eau d.e mer contre un obstacle massif et fixe dépasse au-dessus de la surface de la mer et battu par la houle peut être très grande. La pression engendrée par la houle en eau profonde qui présente une amplitude de 10 mètres pc exemple lorsqu'elle arrive sur une paroi transversale vert cale pleine, dépasse 25 tonnes par mètre carré, puisque la hauteur ou amplitude des vagues sur la paroi . est presque doublée par l'effet de la réflexion. Des corps cylindrique sont soumis à des poussées dont la valeur de pointe est pl faible, en raison d'une diffusion plus faible de l'énergie de la houle, par rapport au cas de parois de- forme allongé qui constituent des réflecteurs plus puissants de l'énergi de la houle. Des éléments se présentant sous la forme de piles ou de colonnes élancées d'un diamètre de quelques dizaines de centimètres sont soumis à des forces de poussé qui sont principalement dues à l'effet de cisaillement par frottement. Cependant, lorsque le diamètre d'un corps cylindrique dépasse une demi-longueur d'onde, la poussée peut atteindre, plusieurs tonnes par mètre carré puisque la diffusion (scattering) de l'énergie de la houle augmente comme une puissance du rapport du diamètre à la longueur d'onde.

Lorsqu'une colonne cylindrique pleine présentant une dimension transversale qui constitue une fraction importante de la longueur d'onde d'une houle en eau profonde de grande amplitude est placée dans le parcou:

de propagation d'un train de vagues correspondant, la str ture est soumise à des forces dynamiques dont l'intensité est -maximale lorsque la crête de la vague, amplifiée par réflexion, l'attaque. Les forces comprennent trois composantes, qui exercent chacune une poussée horizontale péri dique ayant tendance à déplacer la structure autour d'un axe transversal à sa base. Les phénomènes qui leur donnen naissance sont liés aux mouvements orbitaux des particule dans la houle et la grandeur ^-G chaque composante est fon tion de la géométrie de l'obstacle et de la fréquence des sollicitations. La résultante de ces forces composantes e située un peu en dessous de la surface de la mer.

Dans cette description, le terme "eau profonde" utilisé désigne une mer présentant une profonde-suffisante pour que la réfraction duo aux effets de fond ; diminue pas la célérité d'une onde donnée présentant une période de cinq secondes ou plus. L'intervalle de cinq secondes est arbitrairement choisi comme la période la pi-courte d'une houle en eau profonde agissant sur des struc' tures en pleine mer et, puisque cette houle "touche le fo: à une profondeur d'environ 15 mètres, c'est cette profond^ qui est considérée comme la limite entre des "eaux profon-des" et des "eaux peu profondes". Il va de soi que la profondeur correspondant à une houle de .période plus longue est plus grande que 15 mètres et que, pour obtenir une houle complètement développée d'une amplitude de 9 mètres il faut une profondeur de plus de 115 mètres, bien qu'une grande houle de ce type soit atténuée si elle se propage seulement à une profondeur de 29 mètres.

Par la définition précédente, on limite

- h -

par conséquent l'invention à des ouvrages ou structures marins présentant une hauteur totale supérieure à environ 18 mètres au-dessus du fond de la mer, et une hauteur maximale bien supérieure à cette valeur et pouvant atteindre on dépasser une centaine de mètres.

En supposant qu'un train d'ondes de péric assez longue et présentant une amplitude constante complèt ment développée attaque une structure cylindrique vertical le phénomène le plus important se manifeste sous la forme d'une charge qui exerce une pression hydrostatique normale contre la surface verticale avant de la structure. La fore de poussée latérale qui résulte de cette pression est maxi maie lorsque la dimension horizontale de la structure, mesurée dans le sens de propagation de la houle, est égale une demi-longueur d'onde, de sorte que lorsque le côté av£ de la structure est touché par la crête de la vague, son côté arrière est placé dans le creux de la vague. La pression unitaire est calculée à partir de la relation suivant pz = 2efhci' exp (~2 ^ ~

où : P^. est la pression unitaire à une profondeur (z) en dessous du niveau moyen de la mer;

h est l'amplitude de la houle en avant de la struc-a i ture, y compris l'effet dû à la réflexion;

^ est la densité (masse par unité de volume) de l'es g est l'accélération due à la pesanteur;

L est la longueur d'onde en eau profonde.

La pression horizontale normale est maxiir à une profondeur égale à l'amplitude de pointe de la houle en dessous du niveau de hautes-eaux et elle diminue expone tiellement en dessous de ce niveau, en devenant inférieure

à environ 0,1 fois sa valeur do pointe à uno profondeur inférieure à 0,4 longueur d'onde. Lorsque la structuro est un cylindre, la composante de pression qui a môme sons que la propagation de l'onde diminue de part et d'autre d'une ligne verticale située dans la partie la plus avancco du corps et l'amplitude de la houle diminue également le lonç de son intersection avec la surface cylindrique, de sorte que, pour un niveau donné, la poussée exercée horizontalement peut être considérée comme étant approximativement égale à la pression frontale de pointe agissant dans une zone d'environ 40 fo de la distance transversale diamétrale concerne la poussée latérale est que la structure est batt par la houle du fait de la force vive de l'eau de mer en mouvement et la valeur de pointe de cet effet peut être calculée .à partir de la relation suivante :

formule dans laquelle :

P^ est la pression dynamique par unité de surface à un profondeur (z);

ha est l'amplitude de la houle, y compris l'effet de 1 réflexion.

La pression dynamique n'excède habituelle ment pas environ un quart de la pression statique P^ et el

ù

est calculée sur la projection du corps sur un plan transversal diamétral vertical.

Un troisième phénomène qui est associé à l'effet dynamique des vagues se manifeste sous la forme d'une poussée latérale due à un cisaillement par frottemen engendré par le mouvement orbital des particules d'eau. Le

Le second phénomène important en ce qui g. exp

mouvement de la lioule fait intervenir un écoulement, varia ble dans le. temps et de très grandes proportions, cet écoulement produisant une traînée sur la partie immorgéo c la structure. La valeur de pointe de cette force de traîné est calculée à partir de la relation suivante :

Pd = Vf oxp {j2^ £ j relation dans laquelle s

P^ est la force de traînée à une profondeur (z);

Cp est le coefficient de traînée du corps.

La grandeur de la poussée est de l'ordre d'un douzième de la valeur de P^. et elle est fonction de 1 géométrie et du profil de surface du corps. Cette poussée diminue exponentiellement avec la profondeur et elle est faible en dessous d'une profondeur d'environ un quart de longueur, d'onde, la poussée étant calculée, à un niveau donné, sur la projection du corps sur un plan transversal diamétral vertical.

Du fait que l'amplitude (h ) intervient a carré dans chacune des relations (2) et (3,) et qu'elle englobe une amplitude due à la réflexion, des structures produisant une réflexion importante seront soumises à des forces plus grandes que celles présentant de faibles coefficients de réflexion.

Outre les forces latérales de pointe dues à la houle, des structures de pleine mer doivent également résister à. des forces de pointe produites au cours de tempêtes et qui peuvent être très grandes et exercer des charges élevées et brutales.

Jusqu'à maintenant, on a construit des piliers ou tours pleines de grand diamètre, pourvues de

parois très épaisses ou bion sous forme do massos monolith: ques solidement ancrées sur le fond do la mer par des base: relativement larges. La grandeur de la pression horizontal! résultante de pointe exercée par la houle sur .une tour de grandes dimensions peut être suffisamiaent élevée pour qu'um tour en maçonnerie dont les parois sont suffisamment épais; pour résister à la force en question, rende nécessaires do fondations excessivement robustes ou même doive être réalisée sur un rocher massif pour résister à la charge combiné* due à son poids et au couple de renversement. Le coût de telles structures à parois épaisses augmente de façon disproportionnée par rapport à leur diamètre de base. Lorsque le fond de la mer se compose d'alluvions de fleuves ou de dépôts côtiers non-consolidés, on doit prévoir des fondations très coûteuses. Excepté lorsque la structure est placée à des profondeurs supérieures à une demi-longueur d'onde des vagues les plus longues, le clapotis engendré par réflexion des vagues sur des colonnes de grand diamètre produit des dépressions dynamiques provoquant des infiltrations et une érosion au pied de la tour. ;Pour éviter d'avoir des tours massives, encombrantes et coûteuses, et pour réduire à la valeur minimale l'intensité des forces exercées par la houle sur la structure, on a proposé de supporter une plate-forme de soutien d'une installation en pleine mer, telle qu'un système de forage de puits de pétrole, sur un certain nombi de piles verticales élancées, clont les extrémités inférieures sont fixées dans des socles en béton. Bien qu'une tellt structure ne donne lieu qu'à line faible réflexion de la houle et soit soumise à une poussée minimale sous les effei ;de la diffusion de la houle et de la pression hydrostatique les exigences de rigidité obligent à prévoir un contre-ventement coûteux entre les colonnes, de sorte que la force de cisaillement par frottement ou l'effet de traînée dus aux mouvements de la houle ont parfois des coneéquonccs désastreuses. Outre la déformation répétée à laquelle la structure est soumise sous l'attaque de la houle, elle doit également résister aux très grandes poussées exercées par des coups de vent violents au cours de tempêtes. La destruc' tion de certaines structures de pleine mer do ce genre (par exemple les "Texas Towers") est due aux déformations de flexion, répétées et formant résonnance, de 1'ossature sous l'effet des vents de tempêtes et du soulèvement des eaux qui en résulte. Outre l'instabilité et le manque de sécuriti auxquels on a affaire lorsqu'on utilise de telles structure: la pleine force de la houle est exercée sur des équipements tels que des tubes de forage ou sur une structure tubulaire pleine engagée dans la mer à partir de la plate-forme. ;L'invention a pour but d'éviter le coût élevé des tours pleines de type connu et d'améliorer la rigidité, la stabilité et la sécurité d'utilisation de supports de plate-forme de type connu, et elle consiste essentiellement en une tour rigide de grand diamètre pour supporter une plate-forme ou une construction de pleine nier qui est montée de manière à s'appuyer sur le fond de la mer en eau profonde et à dépasser le niveau maximal de l'eau, se composant d'une colonne verticale formant coque et portée sur le fond de la mer soit directement soit sur une fondation préparée et immergée sous la mer, la paroi de la coque étant perforée par un grand nombre de canaux transversaux ;cle guidage des jets, répartis uniformément sur la surface de la paroi, et les ouvertures de la paroi correspondent à un pourcentage compris entre 20 et 60 fo de la surface totale de la paroi, avantageusement de l'ordre de ko (;o, ladite paroi délimitant une chambre d'au moins 15 mètres d< diamètre et étant raidie pour résister aux déformations. ;Suivant une caractéristique de 1 ' inventioi la tour est raidie par des moyens qui comprennent, outre vu pont obturant l'extrémité supérieure de la tour, un groupe de cloisons verticales divisant la chambre formée à l'intérieur de la tour en deux ou plusieurs compartiments égaux, chaque cloison étant pourvue d'un grand nombre de conduits tubulaires transversaux espacés régulièrement et ayant une longueur égale à celle de la paroi de la coque. Les bords intérieurs de ces cloisons sont avantageusement rendus solidaires de la paroi d'un tube cylindrique coaxial qui est parallèle à la tour et dont l'extrémité inférieure est située en dessous de la mer, en constituant vin volume de travail sec et un moyen d'accéder au fond de la mer, par exemple à des fins d'exploration et de forage de puits de pétrole de pleine mer. ;Lorsque l'épaisseur de la paroi de la coque a environ 90 cm à 120 cm et que les ouvertures sont constituées par des corlduits de guidage de jets présentant une section droite circulaire d'un diamètre également de 9( à 120 cm, la structure est au maximum efficace pour transformer l'énergie potentielle de la houle attaquant la paro: en une énergie cinétique sous forme de jets traversant les conduits, les jets sortant dans une direction normale à la paroi quel que soit le mouvement de la houle à l'entrée ;- 10 - ;clos conduits. La charge hydraulique qui agit pour produiro l'écoulement sous forme de jet peut avoir une valeur minimale de quelques centimètres d'eau pour des canaux correctement agencés et les vitesses d'écoulement pdur une chute do l'ordre du mètre, peuvent dépasser 10 motree par socond du fait que la composante horizontale de vitesse orbitale s'ajoute à la .vitesse due à la charge hydraulique. Si la longueur du conduit 'est notablement, plus courte qu'une valeur correspondant à environ 0,8 fois son diamètre, l'action de guidage du jet et la perte de charge par frott ment deviennent moins sensibles alors que, si la longueur des conduits tombe à une valeur inférieure à environ 0,6 fois le diamètre, le conduit cesse de diriger l'écoulement sous la forme d'un jet et permet la transmission d'une grande énergie oscillatoire de la houle au travers de la paroi. Lorsque la longueur de conduit est augmentée à une valeur dépassant une fois le diamètre, par exemple une valeur de l'ordre de 1,40 mètre pour un diamètre de 0,90 mètre, la perte de charge par frottement augmente sensiblement et a une influence défavorable sur la vitesse du jet, en rendant le transfert des masses d'eau moins efficace et par conséquent en augmentant la diffusion de la houle à partir :de la paroi» En outre, la force de traînée est augmentée. ;L'efficacité de la tour suivant l'invention pour résister aux attaques des vagues est due à sa capacité intrinsèque d'absorption de l'énergie de la houle incidente et à sa capacité de transformation de cette énergie sous une forme dans laquelle elle exerce le minimun d'effort sur la structure, sans qu'il se produise une ;réflexion sensible do l'énergie do la houle. La paroi ajourée agit comme une sorte do barrière, on entravant légèrement la houle et en établissant ainsi une charge hydraulique de part et d'autre des extrémités des conduits soumis par exemple à la crête de la vague. Cette charge hydraulique produit dans la paroi un écoulement sous forme de jets qui traversent la multitude de conduits transversal régulièrement espacés, canalisant les jets radialement ver.1 l'intérieur en faisant passer au total un gros débit à une vitesse considérable au travers de la partie avant de la paroi, la masse d'eau transférée ayant une énergie cinétiq; égale à la majeure partie de l'énergie initiale de la houl< Les jets ne changent pas de direction lorsqu'il se produit une modification quelconque des directions orbitales à l'extérieur de la paroi, mais ils suivent les axes des conduits. Les jets restent cohérents sur une certaine distance, qui peut aller jusqu'à vingt fois le diar-iètre ou plus, mais, puisqu'ils entrent en contact les uns avec les ' autres et sont en outre introduits dans une masse d'eau aérée et turbulente à l'intérieur de la tour, il en résulte une dissipation rapide des jets par écoulement turbulent. Pour obtenir une bonne dissipation d'énergie des jets sous forme de chaleur, on doit prévoir un parcours d'écoulement radial non entravé d'une longueur égale au moins à douze fois le diamètre, c'est-à-dire à environ 12 à 15 mètres, cette distance pouvant être portée à trente fois le diamèt^ dans des cas où le choc des jets contre des surfaces pleine doit être insignifiant. L'écoulement au travers de la tour lors de l'arrivée de la crête de la vague doit être important de manière à produire une augmentation du niveau d'eax. ;à la sortie des jets et cette augmentation produit des écoulements sortant des côtés et de la partie arrière de la tour et débouchant dans lo creux do la vague lorsque la vague qui progresse relativement plus rapidement s'éloigne de la tour. XI se produit également un écoulement vers l'avant, relativement plus réduit, au travers de la partie avan^'dë la tour, lorsque 1'amplitude de la houle à 1'avan' s'abaisse au-dessous du niveau de l'eau à l'intérieur de la tour, à savoir lorsque le creux de la houle a une position correspondant à ladite partie avant de la tour. Cependant, aucune composante verticale du mouvement de la houle n'est transmise dans, hors de, ou au travers de la tour. L'écoulement sortant à l'extérieur de la tour est incapable d'engendrer une nouvelle onde ayant la même période que la houle incidente et, dans le cas limite, l'agitation produii dans la mer entourant la tour se compose de vagues de petite amplitude et de courte période. ;Ainsi, la valeur de chacune des trois forces composantes de poussée (P^, P^, P.) est réduite à ;^ JR ci une fraction des poussées correspondantes exercées sur une tour à paroi pleine présentant le même diamètre, et on obtient une poussée plus faible que celle exercée sur une ossature ajourée ou sur une paroi perforée mince présentanl les mêmes dimensions et le même pourcentage d'ouvertures. La réduction de la poussée totale de la houle est due non seulement au passage relativement libre qui est ouvert à l'eau de mer par l'intermédiaire des canaux de guidage des jets, mais également à la réduction de l'amplitude de la houle obtenue .en supprimant les effets de réflexion sur la surface extérieure frontale et sur la surface intérieure de ;la partie arrière de la tour, ainsi qu'à l'absence de mouvement oscillatoire à l'intérieur de la tour. En conséquence, il no peut pas se produire de réflexion d'ondo à partir d'une surface située à l'intérieur de la tour puisqu'il n'existe aucun corps vertical ploin à l'intérieur de la tour qui puisse être soumis à une poussée d'onde ou produire une réflexion d'onde. Il va de soi que, puisque l'énergie de la houle est fonction du carré de l'amplitude une surface qui produit une réflexion négligeable est soumise théoriquement seulement à un quart de la force exercée sur une paroi totalement réfléchissante. ;Pour vérifier les observations précitées, 'on a exécuté des essais sur modèles réduits en utiliaant. des -parois tubulaires minces se présentant sous forme de simples écrans en tôle pourvus d'ouvertures circulaires, les ouvertures étant suffisamment courtes (0,15 fois le diamètre) pour ne pas jouer le rôle de conduits de guidage de jets; les essais ont montré que de tels écrans agissent simplement comme une barrière résistante qui n,'altère pas sensiblement le mouvement de la houle et qui transmet la houle incidente avec une amplitude seulement légèrement diminuée. De tels écrans à parois minces produisent en outi une réflexion importante de la houle à partir des surfaces frontales de la partie avant et de la partie arrière, cette réflexion étant proportionnée à leur surface non-ajourée. Une structure allongée à paroi pleine placée à l'intérieur d'tuie tour à paroi mince serait soumise à une force presque égale à la force totale de la houle et serait également sollicitée par la poussée additionnelle due à la diffusion de la houle à partir des surfaces de la tour. ;Dos essais sur modèlos réduits oxécutés on utilisant dos maquettes à coque à paroi épaisse et perforée les. maquettes étant ajourées de manière à conserver plus de la moitié de leur surface extérieure intacte et comportant des ouvertures circulaires se présentant sous la forme de conduits transversaux d'une longueur égale à leur diamètre et proportionnés de manière à représenter une longueur de 0,90 mètre, ont montré que les vagues incidentes exercent, une poussée plus faible que celle exercée sur la tour à paroi mince précitée, présentant un rapport d'ouvertures et des dimensions identiques. La poussée due à la pression hydrostatique et à la pression dynamique exercées sur une tour à paroi épaisse perforée et agencée correctement, est seulement légèrement supérieure, pour une amplitude donnée de la houle incidente, à la poussée due au frottement du fluide des jets le long des surfaces des conduits. Bien qu'il se produise une réflexion inévitable des ondes, tout en étant réduite, à partir de la tour, l'amplitude de l'ond. réfléchie augmente automatiquement les vitesses d'écoulemen' des jets qui ont tendance à se mélanger avec l'onde incidente. Dans les essais sur modèles réduits, on a étudié l'action des jets d'eau de mer s'écoulant radialement au travers de la paroi de la coque vers l'intérieur et vers l'extérieur, ces derniers jets se prolongeant sur des distances pouvant atteindre dix fois ou plus le diamètre des conduits, et on a observé qu'ils affectaient ion volume d'eau environnant la tour et dans lequel la turbulence interne de la houle incidente était accrue. Dans cette zone de turbulence j, l'énergie potentielle de la houle est légèrement diminuée au cours de la propagation dans cette zone. ;La turbulence de cette zone et l'existence' de jets d'eau sortant horizontalement sous une forme cohérente pcrnetten d'expliquer pourquoi une force de traînée très faible est exercée sur la structure, cette hypothèse étant en relatio avec la diminution de la traînée sur des corps cylindrique pour un écoulement se produisant autour d'eux, pour des nombres de REYNOLDS très élevés. ;D'autres caractéristiques de l'invention seront mises en évidence dans la suite de la description, en référence aux dessins annexés, dans lesquels : ;- la Fig. 1 est une représentation graphi que montrant les paramètres en cause relatifs au mouvement de trains d'ondes arrivant sur des structures de pleine me en eau profonde ; ;- les Fig. 2, 3 et 4 sont des vues en élévation d'uil type connu de tours pleines en coupe diamétrale verticale, mettant en évidence les composantes de forces de la houle agissant sur la tour aux points d'impac de la crête d'une houle de grande amplitude; ;- les Fig. 5? 6 et 7 sont des vues en élévation d'une tour cylindrique à coque à paroi épaisse e perforée suivant l'invention, mettant en évidence les composantes de force d'une houle s'exerçant sur la tour dans-les mêmes conditions que sur les Fig. 2, 3 4; ;- la Fig. 8 est un diagrarnme montrant la répartition à un niveau quelconque des Fig. 2 à 7 cles composantes de forces horizontales; ;- la Fig. 9 est une vue en élévation, en partie en coupe, montrant une tour marine, divisée intériei rement par des cloisons séparatrices, construite suivant • ;l'invention, et portant une plate-forme de forage et d'exploitation de puits de pétrole en pleine mer; ;- la Fig. 10 est une coupe horizontale faite suivant la ligne 10-10 de la Fig. 9; ;- la Fig. 11 est une vue on élévation, en coupe diamétrale verticale, d'uno tour cylindrique de grande hauteur, exécutée suivant l'invention et portant une plate-forme, les masses et les moments de renversement qui "s'exercent sur la' tour étant indiqués; ;- les Fig. 12a, 12b et 12_c sont des vues en élévation donnant différentes configurations pour les conduits dans la paroi de la tour; ;- la Fig. 13 est une vue en élévation, en coupe diamétrale verticale, montrant une variante de tour de plus grand diamètre, destinée à supporter•un bâtiment ei utilisant des colonnes perforées concentriques reliées ensemble par des cloisons séparatrices; ;- la Fig. 14 est une vue en élévation de détail, évidée, montrant une autre forme de réalisation de coque perforée à simple paroi, constituée de tôles et de tubes d'acier. ;La Fig. 1 montre que la houle en eau profonde de période longue présente, lorsqu'elle est complètement développée, une hauteur 2h qui peut atteindre 25 mètres. Une telle houle peut exercer de très grandes poussées sur des tours ou piliers pleins, comme le montrent les relations précédentes (l) à (3) donnant les forces de la houle, ainsi que les Fig. 2 à h'. Lors du calcul de la grandeur de ces forces, l'amplitude de la houle doit comprendre l'amplitude de réflexion qui se superpose à l'amplitude de ;la houle incidente. Il est également évident que, sauf dani le cas où une tour s'enfonce à une profondeur supérieure à environ 5h» des structures pleines de type connu peuvent ;Cl ;être soumises à des détériorations par érosion sur le fond de la mer. • ;Une structure marine doit êtro absolument stable et durable et elle doit notamment pouvoir résister à la houle.de la plus grande amplitude possible susceptible de se propager dans un endroit donné» La profondeur d'eau nécessaire pour obtenir une propagation non-perturbée d'une houle d'une amplitude de 9 mètres (hauteur de vagues de 18 mètres) est supérieure à 90 mètres; néanmoins, une tour d'une hauteur totale de 40 mètres au-dessus du fond de la mer peut être frappée par des vagues de 18 mètres puisqu'une profondeur de 29 mètres au-dessous du niveau moyen de l'a mer est encore supérieure à leur profondeur de rupture. ;Des essais effectués sur modèles réduits de tours cylindriques pleines 10 présentant un diamètre équivalent à 6' 1 mètres, qui correspond à des valeurs comprises entre un quart et la moitié de la longueur d'onde d'une houle longue, ont été exécutés en plaçant les tours dans l'eau de mer 15 sur un fond 16, comme indiqué sur les Fig. 2, 3 et 4. Des ondes ont été engendrées de manière à solliciter les structures. Les grandeurs de P„, PQ et P7 ;i\ Ci ont été représentées par des vecteurs donnant des courbes 11, 12 et 13, qui indiquent une poussée résultante de pointe de plus de 30.000 lcg/m de surface frontale projetée lorsque les ondes prototypes 17 ont une amplitude de 9 mètres» Les composantes de pression hydrostatique et dynamiques sont concentrées sur la section centrale de la tour, ;comme le montre la Fig. 8, tandis que la composante de force de traînée est relativement uniforme sur toute la largeur. ;Des essais similaires effectués avec une maquette de tour 14 constituée d'une coque et présentant les mômes dimensions que la tour pleine, avec une épaisses de paroi représentant 90 cm et avec une paroi cylindrique percée de conduits transversaux 18 ,de guidage de jets ayar la forme représentée sur les Fig. 5» 6 et 7» ont donné det poussées totales de pointe, pour une onde correspondante, de l'ordre d'un cinquième ou moins des composantes de poussée exercées sur les tours cylindriques pleines des essais précédents. L'importance de l'amélioration obtenue peut être mise en évidence en examinant les groupes de vecteurs désignés respectivement par P„ perf, P„ perf et ;Li 1"V. ;P^ perf, délimités par les courbes en tiret 11', 12' et 1j et dont les grandeurs sont comprises entre 20 et 12 '/j des grandeurs des vecteurs correspondant.- à la maquette pleine En outre, on a observé qu'il se formait sur l'avant des tours 10, une réflexion augmentant la hauteur de l'onde'17 d'environ kO à la crête, de façon à produire une crête telle que celle indiquée en 17'» tandis que la réflexion provoquée par là paroi perforée 14 est inférieure à 10'^ pour un pourcentage d'ouvertures d'environ ko /o. ;En référence 'aux Fig. 9 et 10, une forme de réalisation de tour marine suivant l'invention, désigné dans son ensemble par la référence numérique 14, comprend •une structure en béton armé présentant une paroi formant coque 19, épaisse, cylindrique et orientée verticalement, trois cloisons séparatrices verticales 20, réparties ;angulairement ,à intervalles égaux et une colonne tubulaire centrale de diamètre réduit 21. La structure s'appuie sur le fond de la mer 16, et, lorsque le fond de la mer n'a pa la résistance voulue, un rideau de pieux 22 est prévu au-dessous de la mer et les bords inférieurs 23 do la paroi' 1 et des cloisons séparatrices 20 sont convenablement élargis •» de manière à avoir par exemple une largeur de 3 mètr ou plus. ;Il est prévu un pont 24, de préférence solidaire des extrémités supérieures de la paroi de coque et des bords supérieurs des cloisons séparatrices 20, de manière à entretoiser ces éléments sous la forme d'un ensemble unitaire rigide. Une superstructure 25 supportée par le pont peut comporter par exemple des éléments de travail et d'habitation, ainsi qu'un derrick 26 et le volume de stockage nécessaire pour des accessoires, des matériaux, des tubes de forage, des cuvelages, des treuils d'entraînement et de traction} permettant d'exécuter les opérations de forage. ;Bien que la superstructure représentée su: les dessins porte un mât de forage permettant de forer et d'exploiter les puits de pétrole en pleine mer, il va de soi que la tour peut être utilisée dans tout autre but désiré et peut supporter un pont de grandes dimensions (non représenté) ou des bâtiments en hauteur. ;Chacune des cloisons séparatrices, ainsi que la paroi de coque, ont avantageusement une épaisseur d'environ $0 cm, cette épaisseur pouvant être portée jusqu'à environ 120 cm, notamment vers leurs extrémités inférieures. Ces éléments verticaux sont percés régulière ;ment de conduits cylindriques transversaux 18 do guidage de jets, qui sont avantageusement répartis sur la totalité de la surface verticale avec un espaccmont poraottant d'obtenir des portions de paroi verticales non percées formant des segments cylindriques 27 qui servent d'élément, porteurs de charges. Lorsque les diamètres des conduits de guidage de jets sont de l'ordre de 90 cm, et lorsque les conduits sont espacés d'un peu moins de 1,50 mètre de cent; à centre dans une direction quelconque, on obtient un pour-centâge d'ouvertures d'environ 50 fo* Pour obtenir des pourcentages d'ouvertures inférieurs, l'écartement 'de centre à centre peut être augmenté corrélativement. On peut obtenir des surfaces intérieures lisses pour les conduits en utilisant des garnitures tubulaires qui sont engagées dans des ouvertures circulaires ménagées dans la paroi lors de la coulée du béton, ces garnitures étant figurées par les tubes 28 qui sont convenablement bloqués en position dans ces ouvertures. Bien qu'on puisse utiliser des conduits 18 présentant un diamètre légèrement inférieur ou supérieur à 90 cm, on a trouvé que le rendement de la conversion de la pression hydraulique en énergie cinétique par écoulement d'eau de mer sous forme de jets est optimal avec des conduits dont le diamètre et la longueur sont très proches de 90 cm.

On obtient une réduction intéressante de la poussée lorsque le pourcentage d'ouvertures est diminué à 20 /S, bien que la réflexion de la houle soit bien supérieure et que la tour nécessite beaucoup plus de matériaux pour sa réalisation. La paroi peut être perforée de manière à obtenir un pourcentage d'ouvertures atteignant 60 fi,

avant que le rendement de la conversion de la pression hydraulique en énergio cinétique d'écoulement sous forme . de jets laisse à désirer. Une paroi très perforée est en outre relativement moins robuste et nécessite'un renforcement plus important. La réduction optimale de la poussée de pointe de la houle semble être obtenue, pour line houle de période assez longue, lorsque le pourcentage d'ouvortur est proche de 40

Le diamètre de la colonne centrale 21 peu être aussi réduit que voulu» et il peut être de l'ordre de 2,40 ou 3 mètres de façon à permettre l'exécution d'une ou plusieurs opérations de forage et/ou d'exploitation de puits de pétrole. Par exemple, lorsqu'un forage 29 a été terminé, on peut effectuer une opération de forage d'un trou 30 permettant d'atteindre une couche de terrain 31 ©n un point espacé d'une certaine distance de la base du puit 29» Un tampon en béton plein 32 constitue un socle et une obturation de fond pour la colonne 21, le tampon étant traversé de part en part par un trou dans lequel le cuvela est scellé, à la manière usuelle, de telle sorte que la chambre 33 existant à l'intérieur de la colonne soit maintenue sèche.

On peut supprimer les cloisons séparatric 20 dans des tours de diamètre inférieur à environ 24 mètre mais, dans de plus grandes tours, ces éléments remplissent deux fonctions utiles. Dans des tours présentant un diamèt compris entre 30 et 90 mètres ou plus, les parois courbes et relativement minces 19 sont raidies et supportées par un nombre approprié de cloisons, de façon à permettre aux tours de résister à des poussées de la houle, tandis que

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les bords svipérieurs dos cloisons assurent 1 • entre toise-ment et le soutien du pont 2k et contribuent à absorber le. charges concentroos créées par les réservoirs à bouo et le. empilages de tubes de forage qui sont utilisés dans uno opération de forage de puits de pétrole. En outro, los cloisons séparatrices 20 subdivisent l'espace annulaire 35 de manière que los jets multiples traversant la .chambre soient déviés après avoir parcouru .une distance d'au moins 9 à 12 mètres à partir de la paroi de la coque 19» en facilitant leur étouffement par mise en turbulence. Les conduits de guidage de jets 18 dirigent les jets radiale-ment vers l'intérieur lorsque la crête de la vague arrive sur la paroi 19, comme indiqué schématiquement sur la Fig. 10, ces jets pouvant persister sur des distances atteignant trente fois leur diamètre ou davantage, à partis des conduits de guidage respectifs. Le passage' libre de l'eau dans la chambre sous la forme de ces jets combinés est modifié par les cloisons séparatrices perforées qui dissipent l'énergie d'écoulement horizontal sous la forme d'un système turbulent sans que son effet atteigne pratique ment la partie arrière 36 de la tour. Chaque chambre intermédiaire créée entre les cloisons séparatrices joue le rôle d'une chambre d'équilibrage qui contribue à produire un déphasage entre le niveau dans la chambre et le niveau d'e; à l'extérieur de la paroi de la coque, de façon comparable à ce qui est décrit dans le brevet américain N° 3» 118.282.' La tour marine suivant l'invention n'est pas cependant destinée à établir des déphasages importants entre des niveaux variables verticalement sur des côtés opposés d'une paroi avant perforée, ce qui est le cas de l'invention

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mentionnée, du fait qu'il est intrinsèquement incapable d'emmagasiner temporairement une grande quantité d'eau ds une chambre d'équilibrage, en l'absence d'une paroi arriè pleine. Du fait qu'une pression hydrostatique considérabl ment élevée serait créée dans une tour raidie par des clc sons séparatrices pleines, il est essentiel que les paroi d'entretoisement circonférentielles ou les .parois radiale soient perforées de manière à contribuer à la déviation e à la dissipation des jets en vue d'obtenir la réduction, optimale de poussée jusqu'à une valeur à laquelle les tou suivant l'invention peuvent résister.

Dans des mesures réelles effectuées sur modèles réduits de tours, on a trouvé que la présence de cloisons séparatrices perforées ne produisait pas d'augme tation.de la poussée totale pour une houle dont la périod est comprise entre cinq et quinze secondes et que, en out l'incorporation de telles cloisons séparatrices permettai de réduire la poussée totale de pointe exercée par une houle de longueur plus importante se propageant avec une amplitude plus grande. Dans un cas, un essai effectué ave une onde prototype d'une amplitude de 6 mètres a mis en évidence une poussée de 7 7^ inférieure à celle mesurée poi une coque cylindrique perforée non pourvue de cloisons séparatrices.

La tour pjeut avoir une hauteur quelconqu< à condition que le diamètre et la charge de plate-forme soient en relation correcte l'un par rapport à l'autre, comme cela sera mis en évidence dans la suite. Lorsque la tour a ixn diamètre d'environ 42 mètres et qu'elle est con; truite en béton armé, en comportant au.moins une^partie d€

paroi supérieure qui n'a pas une épaisseur supérieure à 90 cm et qui est perforée do manière à avoir un pourconta d'ouvertures de 40 c/ot le poids de la structure est suffis pour résister au moment de renversement maximum, même lor qu'on néglige les charges du pont, dos cloisons separatrii et de la plate-forme» En conséquence, des tours de grand diamètre peuvent être transportées en toute sécurité sous la forme de corps flot teint s jusque1 sur le lieu d'installation, puis ils sont immergés en position, sans risque de chavirement sous l'action d'une forte houle avant le montage d'une superstructure»

En référence à la Fig. 11, la tour représentée a une hauteur II qui est un multiple de son diamètre D. Elle est soumise à une force de poussée T dirigée horizontalement et constituant la résultante des forces exercé sur la distance supérieure de 0,4 longueur d'onde, a une profondeur d'environ 30 pieds (1 pied = 30 cm) ou moins, en dessous du niveau moyen de la mer. Pour une houle de 30 pieds d'amplitude, conformément aux essais sur modèles réduits, la poussée peut être prise égale à 12 tonnes par pied de diamètre de tour pour des tours ayant un diamètre supérieur à 33 mètres. Le moment de renversement M peut

X

par conséquent être exprimé par la relation suivante : .

M = 24.000 D (il - 30) pound feet (4)

A

(l pound foot - 0,14 kgm)

Le moment dû à la gravité agissant sur le corps est le produit du poids de la structure (diminué de la poussée de l'eau), y compris toutes les charges de la plate-forme et des superstructures, appliqué au centre de gravité G, par la distance D/2, qui est la distance horizon-

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taie qui sépare G d'un axe transversal 37 situé au fond de la mer et autour duquel la tour basculerait, ce produit étant représenté par dans la relation :

Kq = \i. D/2 pound feet (5)

Pour la structure décrite, le poids ¥ osi égal à 327 (il) (D), et par conséquent la relation (5) peui s'écrire :

Mg = 163 (n)(o2).

En divisant la relation (4) et la relatit (5) par D, on peut comparer les moments opposés de façon plus significative^,.' de la manière suivante :

24.000(11) - 720.000 par rapport à 163 (h)(d).

. En supposant que D a une valeur d'enviror 145 pieds, on voit que la structure aura un moment dû à 1e gravité bien supérieur au moment de renversement, indépendamment de sa hauteur II'. Il est également évident que des tours relativement élancées peuvent être montées en eau assez profonde, même lorsque leur diamètre n'est pas supérieur à 18 mètres, à condition que le chargement de la toi par des superstructures telles que des bâtiments, des routes, des plate-formes de forage, des surfaces d'atterrissage et des pylônes d ' observation augmentent le poids 1. de la tour de façon suffisante. On est assuré d'obtenir de structures stables simplement par addition de trois cloisc séparatrices telles que décrites plus haut dans des piliez présentant des diamètres supérieurs à 33 mètres.

On peut choisir des configurations d'ouve tures telles que celles représentées sur les Fig. 12a., 12t et 12c_ de manière à obtenir un pourcentage de perforations

est évident que la disposition on triangle do la Fig. "12a permet d'obtenii" le. plus grand pourcentage d'ouvertures et lorsque la disposition est telle que lo triangle formé par jonction des axes de trois conduits adjacents aient un côt vertical, désigné par 39 s on obtient des partios 27 qui constituent des segments cylindriques pleins. Un pourcenta d'ouvertures plus petit peut être obtenu en déformant le triangle de manière que le sommet 3-8 soit espacé des extré mités de la base verticale 39 d'une distance supérieure à longueur de la base, comme indiqué sur la Fig. 12b. La disposition en carré de la Fig. 12_c peut également être utilisée et on peut obtenir un pourcentage d'ouvertures de

40 fo pour une résistance de parois portantes encore correc

En référence à la Fig. 13» on peut agence des tours marines de grand diamètre, par exemple supérieur à 100 mètres, pour porter de très lourdes charges de super structures telles que des hôtels, des immeubles d'habitatio des immeubles de bureaux ou des usines au-dessus du niveau de la mer, en utilisant, outre la paroi de coque perforée 19, une paroi intérieure concentrique 40 écartée intérieurement de la paroi extérieure d'une distance supérieure à 18 mètres. Les parois concentriqtxes sont reliées ensemble par des cloisons verticales transversales 20 réparties à intervalles appropriés, par exemple tous les 45 mètres de circonférence de la paroi extérieure. La chambre centrale

41 située à l'intérieur1 de la colonne 40 peut être divisée par d'autres cloisons dans- le cas où son diamètre est si grand que le fond 24 doit être soutenu en des points inter médiaires.

Une variante de construction telle que ce

i"oprosentée sur la Fig. 1 4 permet d'éliminer la paroi do coque en utilisant un tube cylindriquo vertical en acier constitué de tôles à la manière d'une coque de navire, ce tube étant appuyé sous la forme d'une colonne verticale 42 sur vxne assise 43 formée au fond de la mer. La colonne est renforcée par des montants verticaux 44 répartis sur la circonférence de la colonne, ainsi, qu'on outre, par des éléments périphériques de rigidité 45 espacés verticalemenl La colonne est perforée de trous 46, disposés suivant une certaine configuration comme indiqué ci-dessus, chaque trot présentant un orifice constitué par une extrémité 47 d'un tube en acier 48 et présentant une longueur comprise entre 90 et 120 cm, de façon à former des conduits de guidage de jets transversaux orientés vers l'intérieur dans la colonne Un revêtement anti-corrosion approprié 49, qui peut être également ion enduit de propreté, est déposé sur toutes les surfaces métalliques.

Bien que la description qui précède se rapporte principalement à des ouvertures circulaires et à des conduits cylindriques de guidage de jets, il va de soi que l'invention n'est pas limitée à des conduits de section circulaire. Les perforations peuvent être de profil elliptique, ovale, carré ou rectangulaire, sans sortir du cadre de l'invention, et bien que le profil cylindrique soit celu qui permet d'obtenir l'économie optimale de la matière et le meilleur rendement.

Claims (1)

1. - 28 -

   -RESUME. -

   L'invention a pour objet un ouvrago marin tel qu'une tour, destiné à ôtre établi en eau profonde, remarquable notamment par les caractéristiques suivantes, considérées séparément ou on combinaisons :

   1 - il comprend une colonne verticale tubulaire à paroi en forme do coque, présentant un diamètr d'au moins 15 mètres, appuyé sur le fond de la mer et dépassant au-dessus du niveau des hautes eaux, la colonne portant à sa partie supérieure une plate-forme ou pont, ladite paroi de la coque étant perforée d'un grand nombre de conduits transversaux de guidage de jets répartis unifo mément sur toute la surface de la paroi de manière qu'envi ron 20 à 60 fi de la surface totale de la colonne laissen passer l.'eau de mer;

   2 - lesdits conduits de guidage de jets occupent environ 40 fj de la surface de paroi et présentent des diamètres de section droite et des longueurs compris chacun entre 90 et 120 cm;

   3 - l'épaisseur de la paroi de la coque est comprise entre 90 et 120 cm et le pourcentage des ouvertures ménagées dans cette paroi est compris entre 20 ' et 60 fi au-dessus•d'au moins les 45 mètres supérieurs de la colonne ;

   4 - la chambre délimitée à l'intérieur de la colonne est recouverte par une plate-forme reliée avec le bord supérieur de la colonne et elle est /divisée par plusieurs cloisons séparatrices verticales liées solidaire' ment avec la paroi de la coque, lesdites cloisons étant perforées d'un grand nombre de conduits transversaux et

   ayant mômo hautour quo la colormo;

   5 - lo pourcentage cl ' ouvorturoa ost do l'ordre do 40 c/o et la paroi do la coque ainsi quo los cloi ■sons séparatrices sont porforées jusqu'à une profondeur égale au moins à cinq fois l'amplitude de la houle la plus grande à laquelle est exposée la tour;

   6 - la tour comporte un corps extérieur ei forme de coque dont l'épaisseur de .parois est comprise • entre 90 et 120 cm, une colonne centrale de môme hauteur que le corps et présentant une dimension transversale qui est une petite fraction de la dimension de la tour, la paroi de la coque et la paroi de la colonne délimitant ent; elles un espace annulaire dont la"dimension radiale est au moins égale à 15 mètres, ainsi que plusieurs cloisons sépa ratrices verticales de m6nie hauteur que le corps et relian la colonne avec la paroi du corps, ladite paroi du corps et chacune des cloisons séparatrices étant perforées d'un grand nombre de conduits transversaux de guidage de jets répartis uniformément sur leur surface de manière à avoir un pourcentage d'ouvertures compris entre environ 20 et 60

   7 - les conduits ont une longueur au moin suffisante pour obliger l'eau de mer à former des jets sortant des conduits à peu près suivant leurs axes, la longueur ne dépassant pas 1,4 fois le diamètre;

   8 - il est prévu une ossature d'entretois ment ajourée pour relier la paroi du corps avec ladite colonne centrale;

   9 - l'ossature cl• entretoisement comporte trois cloisons de séparation verticale, planes, réparties angulairement et pourvues d'ouvertures similaires aux

   - 30 -

   ouvertures ménagées dans la paroi du corps, les -bords supé rieurs des cloisons séparatrices ' étant situées dans le mêm plan que le bord supérieur de la paroi du corps;

   10 - l'ossature d'entretoiseaent comprond des poutres verticales réparties autour du pilior à l'into rieur de celui-ci, ainsi qu'une série d'éléments annulaire espacés verticalement ;

   1 1 - le pilier est construit en béton arm et comprend une colonne extérieure tubulaire verticale s'appuyant sur le fond de la mer, délimitant un volume fer et dont le bord supérieur est situé au-dessus du niveau de hautes eaux, une .colonne centrale élancée dont l'extrémité inférieure est appuyée sur le fond de la mer et dont l'int rieur débouche à-l'air libre, plusieurs colonnes séparatri ces planes divisant ledit volume en compartiments égaux et étant liées solidairement avec lesdites colonnes, la colon: extérieure présentant une épaisseur de parois comprise ent: 90 et 120 cm dans la zone des niveaux supérieurs de la mer la colonne extérieure et les cloisons séparatrices étant chacune perforée d'un grand nombre de conduits transversau: de guidage de jets, uniformément' répartis et reliant le volume fermé avec la mer, la section totale des conduits correspondant à environ bO de la surface des éléments perforés et chaque conduit ayant une section de passage

   2

   comprise entre 0,65 et 1,11 m ;

   12 - les perforations s'étendent, au-dessous du niveau de la mer, sur une distance égale à

   . environ cinq fois l'amplitude de la plus grande houle en eau profonde à laquelle la tour peut être exposée ;

   13 - la- partie inférieure de la colonne

   - 31 -

   extérieure augmente d'épaisseur en fonction de la profondeur et est supportée par une fondation sur le fond de la mer ;

   14 - ladite fondation se compose do range 5 de pieux enfoncés au-dessous du n,ivoau du fond do la nor.

   - 31 pages - de la Société dite

   Par Pr°^ralion

   CANADIAN PATENTS ANB-Ij^VELOEMENT LIMITED,

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