Calibration of the macroelement approach for an innovative cross-shaped foundation for offshore applications

More and more often, nowadays, we talk about construction in marine or offshore environment, from Oil&Gas to structures for the production of energy from the wind, to deepwater fields for the production of Oil&Gas. Geotechnical engineering is involved in this challenge of creating structures at sea in very difficult and particular soils to open for the achievement of new global energy goals. Geotechnical engineering in particular is therefore constantly developing in the research and study of new increasingly efficient solutions for all applications, such as the one analyzed in this thesis, concerning the validation of the design of foundations lying on seabed characterized by extremely soft soils in complex and variable load conditions. The thesis, starting from the analysis carried by Nicolini & Castelletti (2017) for Cathie Associates, aims to provide a geotechnical study relating to a new type of foundation, suitable for certain types of soils and conceived for being built in modules, and on the behavior that this foundation has when subjected to certain load conditions. The Cross-Shaped plate foundation is then introduced and presented, which is able to provide a structural contribution adequate to the needs and an optimal response with the ground. In this thesis, a model for this particular type of foundation is designed and calibrated, assuming its operation as an anchor, i.e. for predominantly tensile, upward inclined loads.. It may be a future development to think of extending this approach by also assuming operation of the structure as a deep foundation. The main feature of this new structure, still under study, experimentation and development, lies in its ability to be assembled with other elements of the same type in order to form a 'macro foundation'. This type of foundation is currently designed for anchor operation, but other types of uses, new and for diverse applications may be envisaged, such as its use as a foundation for data centers or deepwater modular production systems (Figure 1). It was decided to approach the problem by mean the macroelement approach, in the light of the theoretical aspects introduced by Nova & Montrasio (1991) and the method applied by Galli & Mortara (2021).

Sempre più spesso, al giorno d'oggi, si parla di costruzioni in ambiente marino o offshore, dall'Oil&Gas alle strutture per la produzione di energia dal vento, ai campi in acque profonde per la produzione di Oil&Gas. L'ingegneria geotecnica è coinvolta in questa sfida di creare strutture in mare in terreni molto difficili e particolari da aprire per il raggiungimento dei nuovi obiettivi energetici globali. L'ingegneria geotecnica in particolare è quindi in continuo sviluppo nella ricerca e nello studio di nuove soluzioni sempre più efficienti per tutte le applicazioni, come quella analizzata in questa tesi, riguardante la validazione della progettazione di fondazioni adagiate su fondali marini caratterizzati da terreni estremamente soffici in condizioni di carico complesse e variabili. La tesi, partendo dall'analisi svolta da Nicolini & Castelletti (2017) per Cathie Associates, si propone di fornire uno studio geotecnico relativo ad una nuova tipologia di fondazione, adatta a determinate tipologie di terreni e concepita per essere realizzata in moduli, e sul comportamento che tale fondazione ha quando è sottoposta a determinate condizioni di carico. Viene quindi introdotta e presentata la fondazione a piastra incrociata, che è in grado di fornire un contributo strutturale adeguato alle esigenze e una risposta ottimale con il terreno. In questa tesi, viene progettato e calibrato un modello per questo particolare tipo di fondazione, assumendo il suo funzionamento come un ancoraggio, cioè per carichi prevalentemente di trazione, inclinati verso l'alto. Può essere uno sviluppo futuro pensare di estendere questo approccio assumendo anche il funzionamento della struttura come una fondazione profonda. La caratteristica principale di questa nuova struttura, ancora in fase di studio, sperimentazione e sviluppo, sta nella sua capacità di essere assemblata con altri elementi dello stesso tipo in modo da formare una "macro fondazione". Questo tipo di fondazione è attualmente progettato per il funzionamento ad ancora, ma si possono prevedere altri tipi di utilizzo, nuovi e per diverse applicazioni, come ad esempio l'utilizzo come fondazione per data center o sistemi di produzione modulare in acque profonde (Figura 1). Si è deciso di affrontare il problema con l'approccio dei macroelementi, alla luce degli aspetti teorici introdotti da Nova & Montrasio (1991) e del metodo applicato da Galli & Mortara (2021).