Finite element modeling of partially embedded pipelines in clay seabed using Coupled Eulerian

Finite element modeling of partially embedded pipelines in clay seabed using Coupled Eulerian–Lagrangian method

Sujan Dutta

Vertical seabed penetration and lateral movement of deep-water offshore pipelines are simulated using the Coupled Eulerian–Lagrangian (CEL) approach in Abaqus finite element (FE) software. Abaqus CEL has been used in some previous studies to simulate large-deformation behavior of offshore pipelines; however, the effects of strain rate and strain-softening on undrained shear strength (s u ) have not been considered. In this study, the effects of these factors are critically examined. The available built-in models in Abaqus CEL cannot account for these factors directly, especially the strain rate; therefore, the development of user subroutines is required. In the present study, a simple but realistic soil constitutive model (published by Zhou and Randolph in 2007) that considers the effects of strain rate and strain-softening on s u is implemented in Abaqus CEL. The effects of FE mesh size and shear band formation on penetration resistance are discussed based on a comprehensive FE simulation. Lateral analyses are performed for “light” and “heavy” pipes in clay seabed having a linearly increasing undrained shear strength profile for smooth and rough pipe–soil interface conditions. The FE results are compared with previous theoretical, numerical, and centrifuge test results. Based on the present FE analyses, it is shown that, similar to the remeshing and interpolation techniques with small strain (RITSS) technique developed at the The University of Western Australia, the Abaqus CEL can successfully simulate the response of partially embedded pipelines in deep-water clay seabed, provided strain rate and softening dependent clay models are implemented. A methodology to implement such a model using Abaqus user subroutine is also presented.

La pénétration verticale et les mouvements latéraux des tuyaux placés en eaux profondes sur le fond marin sont simulés à l’aide de l’approche Lagrangienne-Eulérienne couplée (LEC) dans le logiciel d’éléments finis (EF) Abaqus. L’approche LEC d’Abaqus a été utilisée dans des études antérieures pour simuler le comportement en grande déformation de tuyaux en mer, cependant les effets du taux de déformation et de l’adoucissement des déformations sur la résistance au cisaillement non drainé (s u ) n’ont pas été considérés. Dans cette étude, les effets de ces facteurs sont évalués de façon critique. Les modèles intégrés dans Abaqus LEC ne peuvent considérer ces facteurs directement, particulièrement le taux de déformation, alors le développement de sous-routine est nécessaire. Dans la présente étude, un modèle constitutif simple mais réaliste du sol (publié par Zhou et Randolph en 2007) qui considère les effets du taux de déformation et de l’adoucissement des déformations sur s u est intégré dans Abaqus LEC. Les effets de la taille du maillage des EF et de la formation de bandes de cisaillement sur la résistance à la pénétration sont discutés à partir d’une simulation complète par EF. Des analyses latérales sont réalisées pour des tuyaux « légers » et « lourds » placés dans le fond marin fait d’argile, et dont le profil de résistance au cisaillement non drainé augmente linéairement pour des conditions d’interface tuyau/sol lisses et rugueuses. Les résultats d’EF sont comparés avec des résultats antérieurs provenant d’analyses théoriques, numériques et d’essais par centrifugeuse. Grâce aux analyses par EF réalisées dans ce projet, il est démontré qu’Abaqus LEC peut simuler adéquatement le comportement de tuyaux partiellement enfouis dans de l’argile en eau profonde lorsque le taux de déformation et les modèles d’adoucissement de l’argile sont intégrés. Ces résultats sont similaires à ceux obtenus avec la technique RITSS développée à l’Université de Western Australia. Une méthodologie pour intégrer un tel modèle avec une sous-routine dans Abaqus est aussi présentée. [Traduit par la Rédaction]