A geotecnia do Pré-Sal

Fundações de Plataformas de Produção em Águas Profundas

-A Engenharia Geotécnica no Pré-Sal-

Francis Bogossian

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SUMÁRIO

INTRODUÇÃO

ESTRUTURAS PARA PRODUÇÃO EM ÁGUAS PROFUNDAS

AS INVESTIGAÇÕES GEOTÉCNICAS

O PROJETO DE FUNDAÇÕES

CONSIDERAÇÕES FINAIS

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INTRODUÇÃO

O cenário de descobertas de óleo e gás em águas profundas no Brasil, vemdesafiando a engenharia brasileira a ter soluções cada vez maisinovadoras, seguras e sustentáveis para a exploração e produção das suasriquezas.

À medida em que a exploração de petróleo foi avançando para águas cadavez mais profundas e distantes, as Plataformas de Produção Fixas foramsendo substituídas por Plataformas de Produção Flutuantes.

A descoberta, em 2007, da área de Tupi, hoje denominado de Lula,, comgrande reserva de petróleo leve em águas profundas e a confirmação dopotencial da camada pré-sal a cada novo poço perfurado, colocam aPetrobras entre as grandes detentoras de reservas de petróleo no mundo.

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A camada pré-sal, que possui 800 km de extensão e 200 km de largura,necessita de um rigoroso estudo geológico-geotécnico paraimplantação das grandes plataformas de produção.

Os estudos que vêm sendo realizados indicam grande complexidade sobo ponto de vista geológico-geotécnico (geohazard), não só para afundação dessas plataformas, definição das rotas dos dutos marítimos eestabilidade dos poços e reservatórios, como também para as questõesambientais.

Estes estudos constam de uma abrangente campanha de sondagensexecutadas com navio geotécnico com posicionamento dinâmico,unidade de sondagem subsea , ensaios in situ e ensaios geotécnicos delaboratório.

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Serão apresentados o estado da arte das investigações geotécnicasoffshore com ênfase nas campanhas para os campos de pré-sal, osprimeiros resultados de ensaios DSS cíclicos em amostras de argila marinhade um campo desta região e os procedimentos a serem utilizados noprojeto de fundações.

A exploração de petróleo em águas profundas requer a utilização de umaengenharia multidisciplinar. Para contextualização do estudo de fundaçõesdas plataformas de produção flutuantes, apresentamos um panorama dasestruturas necessárias, desde a superfície do mar até o subsolo marinho.

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SUMÁRIO

INTRODUÇÃO





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PLATAFORMAS DE PRODUÇÃO FLUTUANTES PARA ÁGUAS PROFUNDAS

Alguns dos principais tipos de plataformas de produção flutuantes

a) Plataformas Semissubmersíveis - SS

Originalmente eram utilizadas somente para a exploraçãodo petróleo, começaram a ser utilizadas como unidadesde produção no início dos anos 2000.

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c) Plataformas do tipo SPAR- Buoysb) TLP-Tension Leg Platform

Permite a utilização na superfície doconjunto de válvulas que regula aprodução (árvore de natal seca).Lâminas d’água até 1500 m.

Permite também a utilização de árvore denatal seca. Além disso, a parte superior dosdutos de produção (risers) fica protegidadas ondas. Utilizada em lâminas d’água até2500 m.

Cabos de amarração

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Risers

Risers

d) Plataforma de Produção Flutuante tipo FPSO – (Floating Production, Storage and Offloading System - Sistema Flutuante de Produção, Armazenamento e Escoamento de Óleo e Gás) – pode ser denominado também de Navio-Plataforma

FPSO “Cidade de Angra dos Reis” - Petrobras

FPSO “Cidade de São Vicente” - Petrobras

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Estas plataformas do tipo FPSO são consideradas a solução maisadequada para a produção de óleo e gás nas águas profundas, onde seencontram as maiores reservas do Brasil, como por exemplo as regiõesmais remotas do pré-sal brasileiro.

Cabos de amarração

Dutos de escoamento de óleo e gás (risers)

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Possuem alta estabilidade, grande porte e capacidade de movimentação pararedução dos esforços nas suas estruturas de produção (risers, cabeça de poço,árvore de natal etc.) .

Suportam altos carregamentos promovidos pelas forças ambientais, tais comoventos, ondas e correntes marinhas

Têm capacidade de produzir, processar e armazenar óleo e gás, permitindotambém o seu escoamento para navios de transporte em regiões que ainda nãodispõem de redes de dutos submarinos.

Assim como as plataformas anteriores, são fixadas no leito marinho atravésde sistemas de ancoragem.

Como foi dito, as plataformas de produção flutuantes do tipo FPSO são asmais adequadas e portanto as mais utilizadas para a produção de petróleoem águas profundas no Brasil.

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São compostos de cabos de amarração e âncoras para fixação ao leito marinho.Podem ser instalados em catenária, tensionados a 45º (tipo taut leg) ou tensionados a90º (tipo tendões) .

SISTEMAS DE ANCORAGEM

Cabos de Amarração em Catenária

Utilizado em lâminas d’ água de até 500 m

O seu comprimento, de cerca de 3 vezes a lâmina d’água, e o respectivo peso, praticamente inviabilizam o seu uso para águas profundas

Âncora naval convencional para resistir apenas a esforços horizontais.

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Cabos de Amarração Tensionados a 45º - (Taut Leg )

São os sistemas de ancoragem mais usados em águas profundas, acima de 500 m, pelos motivos a seguir:

Os cabos de amarração que têm comprimento de cerca de 1,3 vezes a lâmina d’água são tensionados a 45º com o leito marinho

Oferecem maior rigidez ao sistema de ancoragem

Possibilitam melhor arranjo em relação às diversas

linhas de dutos e estruturas subsea já existentes

no leito marinho.

As âncoras devem resistir às componentes

vertical e horizontal da força de ancoragem.

Âncora ou fundação da plataforma13

Cabos de amarração tensionados a 90º (Tendões )

Utilizados em Plataformas tipo TLP

Garantem a rigidez da estrutura e

deslocamento mínimo para acomodar risers

verticais e sistema de completação seca

(na superfície)

As ancoragens devem resistir somente

à força vertical de tração.

Em ambos os casos, tendões ou taut-leg , as ancoragens/âncoras são especiais e agora designadas como as fundações da plataforma

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a) Estacas de Sucção

PRINCIPAIS TIPOS DE FUNDAÇÕES DE PLATAFORMAS DE PRODUÇÃO FLUTUANTES

São três os elementos de fundação mais utilizados para suportar os grandesesforços verticais e horizontais impostos pelas plataformas de produção flutuantes:

São estacas formadas por um cilindro oco de 12 a 30 m de altura e cerca de 6 m dediâmetro, de ponta aberta. São posicionadas verticalmente no leito marinho e cravadaspelo diferencial de pressão hidrostática, produzidos por uma bomba de sucção que éacoplada no seu topo na fase de instalação.

VÁLVULA PARA ACOPLAMENTO DA BOMBA DE

SUCÇÃO PARA A INSTALAÇÃO

OLHAL PARA O CABO

DE AMARRAÇÃO

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b) Âncoras Especiais do tipo VLA –Vertical Load Anchor

São âncoras desenvolvidas com formato adequado para suportar grandes esforçosverticais, além dos esforços horizontais. São cravadas através de arraste no solo marinhoatingindo grandes profundidades de enterramento. Em função do seu processo decravação não pode ser instalada em áreas com grande concentração de estruturassubsea.

Delmar systems

Omni-max Delmar

Stevmanta, VryhofBruce Anchor

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c) Estacas torpedo

Tecnologia desenvolvida pela Petrobras sendo a mais utilizada para águas profundas noBrasil por sua facilidade de instalação, padronização e custo.São estacas em formato cilíndrico de ponta fechada com aletas, preenchidasinternamente com sucata de aço para lastro a baixo custo. Sua cravação é feita porgravidade. Dimensões: 15 a 22 m e Peso: entre 95 e 120 t

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SUMÁRIO

INTRODUÇÃO





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AS INVESTIGAÇÕES GEOTÉCNICAS EM ÁGUAS PROFUNDAS

Constam de Investigações Geotécnicas de Campo e Laboratório.As INVESTIGAÇÕES GEOTÉCNICAS DE CAMPO são realizadas a partir de naviogeotécnico com posicionamento dinâmico capazes de operar em águas até 3000 m.

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Ocean Discovery – Gardline

Wimpey Sealab- Wimpey

Fugro Explorer

a) Down hole: ensaios CPT eamostragem com push sampler(argilas) e hammer sampler(areias e argilas rijas) todosrealizados por dentro de colunade perfuração.

b) Seabed: ensaios CPT e Piston Corer realizados a partir do piso marinho.

INVESTIGAÇÕES GEOTÉCNICAS DE CAMPO

São realizadas a partir dos navios geotécnicos e constam basicamente da realizaçãode ensaios in situ do tipo CPT e amostragem com amostradores especiais.

Ensaios CPT no Modo Seabed

Amostragem com Jumbo Piston Core JPC

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c) Unidade de Sondagem Submarina (Seabed Drill Rig) :

Nova geração de equipamentos que executam a sondagem , ensaios in situ eamostragem a partir de equipamento assente no piso marinho, controladoremotamente. Não há necessidade de utilização navio geotécnico específico.

Equipamento PROD – Benthic Geotech Esquema de funcionamento do Unidade de Sondagem Submarina21

Deep Water Sampler DWS – a partirde estrutura subsea. Desenvolvidopelo NGI. Amostragem de argilascom alta qualidade

ENSAIOS DE CAMPO : AMOSTRAGEM:

T bar – usadoespecialmente para argilasmoles

OUTROS EQUIPAMENTOS UTILIZADOS EM CAMPANHAS GEOTÉCNICAS

Ball penetrometer

Cone sísmico- Vel. daonda sísmica Vs;parâmetros rigidez eliquefação

Mini-CPT – parâmetros de resistência para rotas de dutos

Vibrocorer – amostragem de areias

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ENSAIOS GEOTÉCNICOS DE LABORATÓRIOA programação dos ensaios deve ser feita criteriosamente de forma a atender aosrequisitos específicos de cada projeto por parâmetros geotécnicos para o tipo deprojeto de fundação a ser utilizado.

Objetivos dos ensaios de laboratório: Caracterização dos solos Definição de parâmetros de

compressibilidade Determinação de parâmetros de resistência

para os diversos caminhos de tensões a queas amostras estarão submetidas

Definição do comportamento cíclico e daresistência ao cisalhamento cíclica

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PROGRAMAÇÃO DAS INVESTIGAÇÕES

Investigações de campo: Ensaios CPT contínuos até 40 m de profundidade executados no modo seabed para

determinação da resistência de ponta qc, atrito lateral fs e poropressão u Amostragem com Jumbo Piston Core (JPC) com comprimento de até 21 m e

diâmetro de 100 mm ou preferencialmente com amostrador Deep Water Sampler(DWS) com comprimento de até 25 m e diâmetro de 110 mm.

Em alguns campos de lâmina d’água até 1500 m têm sido realizados ensaios CPT eamostragem com utilização da coluna de perfuração.

Ensaios de Laboratório :

Ensaios de Caracterização e Determinação de Índices Físicos Ensaios para Tixotropia ( ganho de resistência com o tempo) e Sensitividade Ensaios de Adensamento Oedométrico Determinação do k0 e Ensaios Triaxiais CAU de Extensão e Compressão para o K0

determinado Ensaios Triaxiais UU e CIU de Compressão Ensaios de cisalhamento direto simples estático DSS para determinação da

resistência não drenada SuDSS

Ensaios DSS cíclico para estudo do comportamento cíclico das argilas – requisito recente que vamos detalhar mais adiante.

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SUMÁRIO

INTRODUÇÃO





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PROJETO DE FUNDAÇÕES DE PLATAFORMAS DE PRODUÇÃO FLUTUANTES

Estado de tensões no solo decorrente das cargas de ancoragem nas fundações

O diagrama acima representa o estado de tensões de elementos de solo em uma superfíciepotencial de ruptura e os respectivos ensaios que simulam as trajetórias de tensões para esteselementos. O modelo acima é válido para carregamentos estáticos e cíclicos. No caso decarregamentos cíclicos é só inserir um vetor de tensão de sentido oposto ao indicado.O DNV em sua Recommended Practice sobre o tema, utiliza como referência os ensaios DSScíclicos para o estudo do comportamento das fundações sob o efeito dos carregamentoscíclicos.Um dos requisitos que vêm sendo incorporados aos projetos de fundação de Plataformas deProdução Flutuantes em águas profundas, e que irei detalhar, é a utilização dos resultados dosensaios de cisalhamento direto simples - DSS, estáticos e cíclicos.

TRIAXIAL TRIAXIAL

empuxoativo

empuxo passivo

CABO DE AMARRAÇÃO

CARGA P

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COMPORTAMENTO DO SOLO SOB CARREGAMENTO CÍCLICO

As principais cargas cíclicas atuantes nas fundações de plataformas de produçãoflutuantes são aquelas provocadas pelas ondas de uma tempestade. O estudo daresistência ao cisalhamento cíclica é feito a partir dos carregamentos provocados pelasondas de uma tempestade de projeto.

Gráfico tensões e deformações cisalhantes durante o carregamento cíclico (Andersen, 2004).

τcy – tensão cisalhante cíclica

τa – tensão cisalhante estática

γa, γp – deformações cisalhantes

permanentes; por serem praticamente iguais somente γa é considerada nas equações

γcy – deformação cisalhante

cíclica

γ – deformação cisalhante

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RESISTÊNCIA AO CISALHAMENTO CÍCLICA

A resistência ao cisalhamento cíclica τf,cy , é a tensão cisalhante máximadurante o carregamento cíclico (Andersen & Lauritzsen, 1988):

Onde:

τa é a tensão cisalhante estática devida a esforços pré-existentes(protensão do cabo de ancoragem, peso próprio dos elementos defundação, etc) na ruptura

τcy a tensão cisalhante cíclica na ruptura.

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O MODELO DRAMMEN CLAY

Nos anos 80, foi desenvolvido na Noruega um estudo do comportamentocíclico das argilas de Drammen para estudos de fundação de estruturasoffshore, com os seguintes objetivos e resultados:

Entendimento do comportamento do solo quando submetido acombinações de carregamentos estáticos e cíclicos

Definição de parâmetros de projeto para estudos de viabilidade

Verificação da consistência do comportamento de argilas de outraslocalidades

Determinação da resistência ao cisalhamento cíclica τf,cy, de umadeterminada argila, quando se constrói para ela um ábaco semelhanteao da Drammen Clay

Planejamento racional das campanhas de ensaios cíclicos ;29

Os resultados dos ensaiosde cisalhamento diretosimples cíclicos sãoapresentados sob a formado diagrama de ruptura.

Cada ponto da curvarepresenta um ensaio DSScom seu número de ciclosaté a ruptura (Nf) e seumodo de ruptura, pordeformações acumuladase/ou cíclicas.

Convenciona-se que aruptura é definida como onúmero de ciclos para oqual se atinge 15% dedeformação acumulada oucíclica. Diagrama de ruptura - Andersen (1988).

O ÁBACO DA DRAMMEN CLAY - DIAGRAMA DE RUPTURA

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Equipamento para ensaios DSS

Para construção do diagrama de ruptura apresentado anteriormente e determinação dosparâmetros de resistência estática e cíclica da argila a ser estudada, utiliza-se o Ensaio deCisalhamento Direto Simples- DSS.

O ENSAIO DE CISALHAMENTO DIRETO SIMPLES – DSS – DIRECT SIMPLE SHEAR

Detalhe da célula de ensaio

• O ensaio DSS permite a aplicação de inúmeras combinações de tensões cisalhantes estáticas ecíclicas simultaneamente ou não, cobrindo toda a gama de condições que o solo possa vir a sersubmetido•São aplicados níveis de carregamento que reproduzem a tempestade de projeto dentro da faixa desolicitações esperadas•Os resultados destes ensaios passaram a ser requisito de projeto

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METODOLOGIA DO ENSAIO DSS

ENSAIO ESTÁTICO

• Fase de adensamento: até a pressão in situ ou pressão de pré-adensamento.

• Fase de ruptura: Tensão cisalhante horizontal é aplicada com velocidade decarregamento constante em torno de 5% da deformação cisalhante esperada por hora.

Características gerais : • Corpo de prova cilíndrico com

20 mm de altura e 50 mm de diâmetro

• Restrição de deformação radial e cisalhamento a volume constante

Forma de apresentação dos ensaios

Curva tensão cisalhante horizontal τ h

X deformação cisalhante γ.

O τmáx é a resistência ao cisalhamento não drenada Su

DSS.

τmáx= Su DSS

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METODOLOGIA DO ENSAIO DSSENSAIO CÍCLICO• Fase de adensamento : igual à do ensaio estático.• Fase de ruptura: Os níveis de carregamento cíclicos são estabelecidos como

percentagens da resistência ao cisalhamento não drenada SuDSS do ensaio estático

com frequência e amplitudes da tempestade de projeto considerada.• São aplicadas combinações de carregamentos estáticos τa e cíclicos τcy , levando o

ensaio até um dos critérios de ruptura estabelecidos: deformação cisalhante γ de 15%ou ocorrência de 1500 ciclos.

• Tais carregamentos podem ser simétricos (two-way) ou assimétricos (one-way), demodo a reproduzir carregamentos de tração ou compressão.

Forma de apresentação dos ensaios

Tensão cisalhante horizontal τh versus número de ciclos N – (exemplo de ensaio two-way)

Deformação cisalhante γ versus número de ciclos N para cada pacote de ciclos.

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TENTATIVA DE CONSTRUÇÃO DO DIAGRAMA DE RUPTURA PARA UMA ARGILAMARINHA BRASILEIRA

• Campanha de Investigações geotécnicas realizada:

• Amostras de Jumbo Piston Corer de 100 mm diâmetro e comprimento até 21m.

• Foram realizados ensaios de CPTU no modo seabed em pontos adjacentes.

• Ensaios de laboratório incluíram caracterização, adensamento oedométrico eensaios triaxiais de compressão e extensão.

• Ensaios DSS estáticos e cíclicos

Características das amostras ensaiadas:

O perfil geotécnico até a profundidade de 20 m abaixo do leito marinho consistede uma argila siltosa com pouca areia fina, cinza, normalmente adensada, comSu = 25 kPa.

O teor de umidade médio e de 88%, LL= 92% e IP = 50%

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Resultados plotadossob a forma dediagrama de ruptura .

Linhas cheias:Resultados dos ensaiosÁrea 1

Linhas tracejadas:Diagrama da DrammenClay

Estes resultados sãorelativos aos primeirosensaios executadospara argilas marinhasestudadas nos mesmosmoldes da DrammenClay.

RESULTADOS DOS ENSAIOS DSS CÍCLICOS REALIZADOS – TENTATIVA DE CONSTRUÇÃO DO DIAGRAMA DE RUPTURA E COMPARAÇÃO COM A DRAMMEN CLAY

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COMPARAÇÃO COM OUTRAS ARGILAS

O gráfico abaixo apresenta uma comparação entre a curva normalizada das tensões

cisalhantes em que a ruptura ocorreu após 10 ciclos (Nf =10 ) para a argila estudada e outras argilas de outras localidades.

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DIMENSIONAMENTO DE FUNDAÇÕES DE PLATAFORMAS FLUTUANTES

Para cada um dos tipos de fundação apresentados são adotadas as seguintesrecomendações e normas para o seu dimensionamento :

Estacas de sucção:

• - DNV RP- 303 - Geotechnical Design and Installation of Suction Anchors in Clay

- API RP 2SK - Design and Analysis of Stationkeeping Systems for Floating Structures

- Modelos baseados no Método dos Elementos Finitos também são recomendadospelas normas acima.

Âncoras tipo VLA : DNV RP- 302- Design and Installation of Plate Anchors in Clay

Estacas torpedo: Não há uma norma específica para este tipo de fundação. Normasutilizadas:

- API-RP-2A-Recommended Practice for Planning, Designing and Constructing FixedOffshore Platforms

- API RP 2SK - Design and Analysis of Stationkeeping Systems for Floating Structures

- Vários modelos numéricos têm sido aplicados baseados em Elementos Finitoscomo o proposto por Costa, Rachel G. B. (2008).37

UTILIZACAO DOS RESULTADOS DOS ENSAIOS DSS NO PROJETO DEFUNDAÇÕES ESTACAS DE SUCÇÃO – CAPACIDADE DE CARGA CÍCLICA

A capacidade de carga cíclica é levada em consideração nos procedimentos de cálculocitados anteriormente. As recomendações DNV RP 302 e RP 303 seguem oprocedimento resumido a seguir, onde se utiliza os resultados dos ensaios decisalhamento direto cíclico:

Procedimento recomendado:

O Diagrama de Ruptura é construído a partir da realização de ensaios DSSestáticos e cíclicos conforme procedimentos descritos;

Define-se as cargas de projeto atuantes nos cabos de ancoragem e que sãotransmitidas para as fundações da plataforma ;

De posse dessas cargas, determina-se o Número de Ciclos Equivalente Neq, que é onumero de ciclos de uma onda máxima constante equivalente às ondas datempestade de projeto;

Com Neq assim calculado, obtém-se a resistência ao cisalhamento cíclica a partirdo Diagrama de Ruptura

Com a resistência ao cisalhamento cíclica obtida calcula-se a parcela dacapacidade de carga sob carregamentos cíclicos utilizando-se o método deAndersen e Lauritzsen, 1988.

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SUMÁRIO

INTRODUÇÃO





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A busca pelo petróleo tem levado à sua exploração em regiões marítimascom condições ambientais e geológicas cada vez mais extremas edistantes, com elevados níveis de solicitação e aumento da vida útil dasplataformas.

Uma vez que estas instalações são muito recentes, considero ser de grandeimportância o acompanhamento do desempenho destas estruturas, tantona fase de construção quanto ao longo da sua vida útil, para validação emelhoria dos métodos de cálculo, materiais, e equipamentos, além dagarantia de sua segurança, proteção ao meio ambiente e continuidade daprodução de petróleo.

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Technology

A geotecnia do Pré-Sal