Uma abordagem de simulação CEL para nivelamento por penetração de fundações multi-balde incorporando o método da analogia da temperatura

Mantendo Torres Marinhas em Pé e Alinhadas

Parques eólicos e plataformas offshore dependem de fundações robustas ancoradas em sedimentos macios do leito marinho. Quando essas fundações se inclinam durante a instalação, sua resistência e segurança diminuem; corrigir essa inclinação no mar é caro e difícil de testar. Este estudo demonstra como simulações por computador podem prever de forma econômica e confiável como um tipo especial de fundação, composto por vários grandes “baldes”, assenta e se nivela no leito marinho, incluindo como a água do mar se move através da areia durante esse processo.

Por que Fundações Multi-Balde Importam

Em vez de cravar muitos tubos longos no leito marinho, os engenheiros podem usar fundações multi-balde, que se parecem com um conjunto de latas invertidas conectadas por uma estrutura. Esses sistemas são atraentes porque são mais rápidos de instalar, às vezes podem ser reutilizados e perturbam menos o fundo do mar que métodos tradicionais. Porém, condições desiguais do leito ou variações na resistência do solo podem fazer a fundação inteira inclinar enquanto afunda. Normas para estruturas offshore limitam essa inclinação a alguns graus, então os instaladores devem controlar cuidadosamente como cada balde é puxado para dentro do leito por sucção, um vácuo suave aplicado no interior dos baldes. Até agora, a maior parte das orientações sobre como fazer isso vinha de experimentos em tanques pequenos e demorados.

Usando Fluxo como Calor em uma Caixa de Areia Digital

Simular esse processo é complicado porque o solo ao redor dos baldes sofre grandes deformações enquanto a água do mar percola pelos poros ao mesmo tempo. Ferramentas numéricas padrão têm dificuldades quando a malha do solo se estica e se deforma demais, e muitas não tratam diretamente o escoamento de água com grandes deformações. Os autores usam uma técnica chamada método Euleriano-Lagrangiano acoplado (CEL), na qual o solo é permitido “fluir” através de uma grade fixa enquanto os baldes de aço se movem dentro dela. Para capturar o movimento da água sem elementos fluidos especiais, eles exploram uma coincidência matemática: as equações que descrevem a percolação estacionária através do solo têm a mesma forma das equações para difusão de calor em um sólido. Tratando a pressão da água como se fosse temperatura, e o fluxo como se fosse fluxo de calor, eles conseguem rastrear a percolação usando o módulo de transferência de calor do software.

Testando a Analogia e o Modelo

Antes de confiar nesse atalho, a equipe o verifica em dois problemas clássicos: água fluindo através de uma coluna alta de areia e água movendo-se ao redor de uma parede impermeável enterrada no solo. Em ambos os casos, as simulações baseadas em “temperatura” coincidem com cálculos convencionais de percolação em termos de tensões, variação de pressão e padrões de fluxo, mostrando que a analogia é válida para fluxos saturados lentos. Em seguida, eles constroem uma versão virtual detalhada de uma fundação de quatro baldes testada anteriormente em um tanque laboratorial. Ajustando apenas alguns parâmetros do solo dentro de limites realistas, a simulação reproduz a profundidade medida sob o peso próprio, a força adicional necessária para empurrar a fundação até uma profundidade alvo e quanto da inclinação é corrigida quando uma sucção suave é aplicada ao balde mais elevado.

Olhando Dentro do Leito Marinho Durante o Nivelamento

Com confiança no modelo, os autores usam a analogia da temperatura para espiar o solo durante o nivelamento, algo impossível de observar em laboratório. Eles congelam o movimento dos baldes em vários momentos-chave e calculam o padrão de percolação estacionária ao redor de um par de baldes. Os resultados mostram que as alterações na pressão de poro concentram-se sob e nas imediações do balde onde a sucção é aplicada, espalhando-se mais profundamente para baixo do que lateralmente. As maiores velocidades da água ocorrem na borda do balde, especialmente ao longo da parede interna, enquanto o fluxo na área central dentro do balde é muito mais lento. À medida que os baldes penetram mais profundamente, essas velocidades de percolação diminuem gradualmente, sugerindo que um embutimento maior permite uma sucção um pouco mais forte sem desencadear a falha do solo.

O Que Isso Significa para o Projeto Offshore

Em termos simples, o estudo oferece uma forma rápida e prática de “ensaio virtual” de estratégias de nivelamento para fundações multi-balde em computador, em vez de depender apenas de caros testes em tanques. Dentro de suas limitações — condições lentas e saturadas e um modelo de solo simplificado — a abordagem pode prever quanto uma fundação inclinada se moverá quando a sucção é ajustada e onde na areia circundante a percolação é mais intensa. Isso fornece aos engenheiros uma ferramenta para refinar planos de instalação, reduzir o risco de inclinação excessiva ou erosão local do solo e entender melhor como esses agrupamentos de baldes interagem com o leito marinho à medida que estruturas offshore, como parques eólicos, avançam para águas mais profundas.

Citação: Gao, K., Cheng, Z., Yu, K. et al. A CEL simulation approach for penetration-leveling of the multi-bucket foundation incorporating the temperature analogy method. Sci Rep 16, 16165 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-45440-1

Palavras-chave: fundações eólicas offshore, fundação multi-balde, percolação do solo, simulação numérica, engenharia do leito marinho