Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / A presente dissertação apresenta um estudo do comportamento de um muro de gravidade flexível submetido a carregamentos sísmicos. A influência do carregamento sísmico, e mais precisamente da variação da aceleração horizontal de pico é avaliada num estudo paramétrico, através da análise dos resultados obtidos para os deslocamentos e acelerações horizontais que ocorreram no paramento do muro de gravidade. Optou-se pela análise ao longo do tempo, introduzindo o carregamento sísmico ao modelo numérico do qual fazia parte o muro de gravidade através de 5 históricos temporais de acelerogramas horizontais normalizados em 0,05g, 0,10g, 0,15g, 0,20g e 0,25g. O evento sísmico de origem dos acelerogramas normalizados foi o terremoto ocorrido no Chile em 27 de fevereiro de 2010 e medido na estação em San Jose de Maipo, a 332,7km do epicentro do terremoto. Utiliza-se um software computacional aplicado à Geotecnia, o Plaxis, para a calibração de um modelo numérico em situação estática e posterior desenvolvimento das análises paramétricas em condições sísmicas. As análises realizadas para avaliação do comportamento do muro de gravidade em condição sísmica foram a verificação da influência da variação do acelerograma horizontal normalizada introduzido na base do modelo nos valores das acelerações e deslocamentos horizontais atuantes no muro e a verificação da influência do carregamento sísmico em comparação com a situação estática, comparando-se os valores dos deslocamentos horizontais obtidos na análise estática e nas análises dinâmicas. Os fatores que influenciam potencialmente nos resultados numéricos em condições sísmicas foram apresentados, destacando-se os aspectos relacionados à modelagem numérica em condição de sismo. Os modelos constitutivos oferecidos, a possibilidade de incorporação do carregamento sísmico na base do modelo e a possibilidade de consideração do amortecimento visco-elástico de Rayleigh nos materiais são as principais qualidades do Plaxis, utilizado na modelagem numérica. Avaliou-se positivamente a potencialidade do Plaxis, visto que o programa mostrou-se uma ferramenta capaz de simular o comportamento de muros de gravidade sujeitos a carregamentos sísmicos.

As lajes dos tabuleiros de pontes de concreto armado, sejam elas maciças ou executadas com pré-lajes, são elementos estruturais suscetíveis à fadiga, devido às ações a que são submetidas. As pré-lajes, pelo fato de serem resultantes da junção de dois concretos diferentes, torna-se ainda mais suscetível à fadiga. Este trabalho apresenta estudos, ensaios e análise de resultados a respeito do comportamento à fadiga das lajes de pontes de concreto, sejam as maciças ou as executadas com pré-laje, armadas com barras ou telas soldadas. Foram realizados ensaios de fadiga de barra ao ar CA50 f10 mm isoladas e em telas para a construção da Curva de Wöhler nas condições brasileiras. Além disso, foram ensaiadas 23 lajes de concreto, sendo 6 lajes maciças e 17 executadas com prélajes, montadas com diversas configurações de armadura, submetidas a ensaios estáticos e dinâmicos. As configurações de armaduras adotadas nas lajes da pesquisa foram baseadas nas utilizadas com freqüência neste tipo de elemento das pontes, escala ½. Um dos principais motivos que levaram ao desenvolvimento desta pesquisa de caráter experimental foi a escassez de dados sobre o comportamento de lajes armadas com barras ou telas soldadas de fabricação brasileira, submetidas a ações cíclicas. Outro motivo foi a carência de estudos a respeito da iteração prélaje x capa. Foi verificado que não houve ruptura nessa região da estrutura devido aos carregamentos cíclicos aplicados no meio do vão. Ficou evidenciado também que as soldas das telas afetam sua resistência à fadiga. / Concrete bridge slabs, massive or pre-slabs, are structural elements susceptible to fatigue, due to loading applied to them. Pre-slabs, result of two different concretes, become even more susceptible to fatigue. This research presents the studies, tests and analysis of the results about the behavior of concrete bridge massive slabs or pre-slabs reinforced with steel bars and welded steel meshes due to fatigue loading. Axial testing in air of CA50 f10 mm in continuous bars and steel meshes were made in order to build the Wöhler Curve to the Brazilian conditions. Besides that, tests were made in 23 concrete slabs, 6 massive slabs and 17 preslabs, with several reinforcements arrangements, submitted to static and dynamic loading. The reinforcement configurations adopted in the slabs were based on the commonly used in these bridge elements in scale ½. One of main reasons that lead this experimental research development was the scarcity of data about the behavior of concrete slabs reinforced with rebars and welded mesh made in Brazil, submitted to cycle loading. Another reason was the lack of studies about the iteration between pre-slab and concrete cover. It was verified that no rupture was found in this region of the structure due to midspan cycle loading. The welding process caused loss of fatigue resistance.

Um ensaio de carga dinâmica pode ser efetuado em tubulões, estacas hélice continua, estacas moldadas in situ ou estacas cravadas. Tal ensaio se baseia na Teoria da Propagação de Onda em estacas e visa avaliar a capacidade de carga estática mobilizada a partir do evento dinâmico. A análise do ensaio é feita mediante um programa (p.e. CAPWAP ou DLTWAVE), computacional que leva em conta tanto os sinais de força e velocidade obtidas em campo e o modelo do sistema estaca-solo Este trabalho apresenta uma metodologia para atualização bayesiana dos parâmetros de Smith da teoria de propagação de onda, levando em conta não só os sinais registrados, mas também a informação geotécnica-probabilista prévia sobre estes parâmetros. Uma aproximação semelhante já foi aplicada pelo orientador da pesquisa à estimativa de parâmetros geotécnicos de rochas a partir de medidas de deslocamento em túneis, e de campos de permeabilidade a partir de observações piezométricas em barragens. A técnica proposta está baseada firmemente em conhecimento empírico geotécnico que fornece o ensaio e erro do procedimento usual de comparação de sinais: a atualização bayesiana permite aos parâmetros afetados por incerteza maior ter um ajuste proporcionalmente maior de acordo com observações. O máximo deslocamento elástico (quake), o fator de amortecimento (damping) e a resistência estática unitária, de cada trecho da estaca, são considerados variáveis aleatórias com distribuições prévias estimadas dependendo do local de cravação da estaca. Discute-se e calcula-se a correlação cruzada entre parâmetros diferentes e autocorrelação ao longo de profundidade da estaca. As observações são escolhidas do sinal calculado por um software de análise de sinais de cravação, em espaços regulares ao longo do tempo. Postula-se um modelo linear de observação, pesquisa-se tal linearidade, também, deriva-se uma matriz de sensibilidade (ligando cada parâmetro a cada observação), e estimam-se também as incertezas nas observações (sinais). O resultado final é uma distribuição de parâmetros de Smith ao longo da profundidade de estacas, atualizada de acordo com as observações. A aproximação proposta é aplicada em sinais de um dos momentos da cravação, no final da cravação (\'end of driving\', EOD). / An dynamic loading test can be performed in concrete piles, bored piles, drilled shafts, auger cast-in-place (continuous flight auger) piles. Such essay bases on the Theory of the Propagation of Wave in piles with the aim of evaluate the capacity of static load mobilized from the dynamic event. The analysis of the test is made by a PC program (p.e. CAPWAP or DLTWAVE), that takes into account the signals of force and velocity obtained in field and the pile-soil model. This work presents a methodology for bayesian updating of Smith\'s parameters, taking into account not just the recorded signals, but also the prior geotechnical-probabilistic information about these parameters. A similar approach has already been applied by the senior author to the estimation of rock geotechnical parameters from displacement measurements in tunnels, and of permeability fields in embankment dams from piezometric observations. The proposed technique is deemed more firmly based on sound geotechnical knowledge than the usual trial and error signal matching procedure: bayesian updating allows for parameters affected by larger uncertainty to undergo proportionately larger adjustment according to observations. Quake, damping and static resistance are considered random variables, with prior distributions assessed from information about the geotechnical characteristics of the soils the pile is driven into. Cross-correlation between different parameters and auto-correlation along pile depth are discussed and estimated. Signals measured at some properly selected times are the chosen observations. A linear observation model, linking observations to parameters, is postulated, linearity is investigated, a sensitivity matrix (linking each parameter to each observation) is derived, and uncertainty in the observations (signals) is estimated. The final result is a distribution of Smith\'s parameters along pile depth, updated in accordance with the observations. The proposed approach is tested in end of driving (EOD) signal.

Incertezas de modelo invadem todos os estágios de uma análise de confiabilidade estrutural, desde a determinação das ações e do próprio sistema estrutural, até o processo pelo qual o efeito destas ações é avaliado. Neste trabalho, o enfoque é dado nesse último tópico, mais especificamente na avaliação das incertezas de modelo mecânico em torres metálicas treliçadas de linhas de transmissão (LT), o qual tem permanecido ignorado nas estimativas de confiabilidade até então, em parte devido a sua natureza elusiva. Logo, o problema consiste em avaliar as incertezas na predição da resposta estrutural, uma vez que todos os parâmetros que definem as ações externas e o próprio sistema são claramente definidos. A principal motivação deste trabalho partiu de um estudo conduzido pela CIGRÉ sobre torres metálicas treliçadas de LT submetidas a cargas estáticas, o qual sugere que as incertezas de modelo neste tipo de estrutura são relevantes e não podem ser desprezadas, podendo influenciar significativamente na estimativa da confiabilidade. Neste trabalho, são avaliados diferentes modelos mecânicos de torres de LT sujeitos a ações estáticas, além de modelos de torres e trechos de LT submetidos à ação dinâmica de ruptura de cabo, adotada por ser um carregamento dinâmico “bem definido”. Na análise estática, são estudados desde modelos simplificados de torres autoportantes, adotados na prática usual de projeto, até modelos mais aprimorados. A dispersão nos resultados numéricos entre os modelos é usada para quantificar as incertezas relacionadas ao modelo mecânico, e os resultados disponíveis de ensaios estáticos em protótipos são utilizados para encontrar os modelos cuja resposta mais se aproxima dos valores experimentais. A resposta dinâmica de torres metálicas treliçadas de LT submetidas à ruptura de cabo, é comparada entre vários modelos, com diferentes graus de sofisticação e detalhe. São estudados desde o modelo usual de análise e projeto de torres para este tipo de carregamento, passando por modelos relativamente simples, com uma única torre sujeita a uma carga variável no tempo, simulando o efeito da ruptura de um cabo, até modelos mais complexos de trechos de LT, os quais incluem várias torres, cabos e cadeias de isoladores. Diversas fontes de incerteza são avaliadas, considerando a influência de fatores relevantes tais como: a discretização dos elementos de cabo, as condições de contorno dos elementos de cabo das extremidades, as leis constitutivas dos elementos de barra e de cabo e o amortecimento estrutural. Por fim, são discutidas e apresentadas possíveis maneiras de considerar explicitamente a incerteza de modelo na estimativa da confiabilidade e em códigos de projeto de estruturas de linhas de transmissão. / Model uncertainties pervade all stages of a structural reliability analysis, from the description of loads and the system itself, to the process by which the effect of loads on the system is evaluated. In this study, attention is focused on the last issue, specifically in the evaluation of model uncertainties on transmission lines (TL) latticed steel towers, which has remained largely ignored in previous developments of structural reliability, in part due to its elusive nature. In essence, the problem consists of evaluating the uncertainty in response predictions, once all parameters that define the external actions and the system itself have been unequivocally prescribed. The main motivation of this thesis was a study conducted by CIGRÉ on TL latticed steel towers subjected to static loads, among other exploratory assessments, which suggests that model uncertainty is a relevant factor and cannot be disregarded, could significantly influence the outcome of reliability assessments. Herein, different mechanical models of TL self-supporting towers subjected to static loads are evaluated, besides the models of towers and TL segments submitted to dynamic load due to cable rupture, adopted by being a “well defined” loading. In the static analysis, from simplified models of self-supporting towers, like adopted in usual practice of project, to more refined models are studied. The dispersion in the numeric results among the models, together with the data of static prototype tests, are used to quantify model uncertainties. The dynamic response of latticed TL steel towers subjected to cable rupture is predicted by use of various models with different degrees of sophistication or detailing. The predictions of the various models are compared with the aim of quantifying model uncertainty. Several uncertainty sources are evaluated, considering the influence of relevant factors such as: the discretization of the cable elements, the boundary conditions of the end cable elements, the constitutive laws of cables and tower members and the structural damping. Finally, possible ways to explicitly consider model uncertainty in reliability assessments and in code formulations are discussed.

Doctoral thesis „Ballistic-proof concretes“ deals with description, design and development of material based on ultra-high performance fibre reinforced cementitious composite with increased ballistic resistance i.e. increased resistance against high-strain rate dynamic loading induced by interaction of high-velocity moving objects. High mechanical properties, essential for such a material, are reached especially by maximal reduction of water-to-binder coefficient using high-range water reducing agents, high-strength aggregates and dense structure by precise selection and dosage of raw materials in the recipe. The main goal is to prepare a methodology for design of such a materials, observation of material behaviour on ballistic loading and quantitative description of material response for protective structures design. Properties of designed materials within this thesis are comparing with properties of commercially available and commonly used cementitious composites in order to create a concept for material limits in the field of ballistic protection. This concept enables to estimate ballistic protection of present or newly-designed materials and structures.

A utilização de métodos de análise apoiados na Teoria da Equação da Onda, a partir da instrumentação de medidas dinâmicas, como controle do comportamento de estacas, tem evoluído continuamente nos últimos anos. Após importantes considerações sobre a prova de carga dinâmica de energia crescente e o mecanismo de transferência de carga, procedem-se análises CAPWAP em um caso real de obra com o objetivo de analisar o comportamento do sistema estaca-solo perante a aplicação de níveis crescentes de energia. São apresentados nesta dissertação, os resultados do comportamento de vários sistemas isolados estaca-solo em maciço de argila mole, submetidos à prova de carga dinâmica de energia crescente. São feitas análises de: transferência de carga, atrito lateral local, quake da ponta, tensões dinâmicas e correlação entre prova de carga estática e dinâmica. / The use of analysis methods to control pile behavior employing the Stress-Wave Theory from results of dynamic pile driving measurements has evolved in recent years. After important considerations about the increasing energy dynamic loading test and the load transfer mechanism, CAPWAP analyses are proceed in a pilework with objective of analyzing the behavior of the pile-soil system before the application of growing levels of energy. Therefore, they are presented in this dissertation, the results of the behavior of several isolated pile-soil systems in soft clay formation, submitted to the dynamic loading test of growing energy. Among the analyses, load transfer diagrams, local friction, quake, dynamic tensions, and the correlation between static and dynamic loading test are presented.

Neste trabalho estudou-se o comportamento de estacas metálicas, do tipo perfil soldado, cravadas na formação Tremembé, na Bacia de Taubaté, em São Paulo. A formação Tremembé é cosntituída por folhelhos pirobetuminosos, cujo mineral predomiante é a montmorilonita. Foram analisados os resultados de provas de carga dinâmica de energia crescente em 14 estacas, sendo que, em todas elas, sistema estaca-solo foi levado à ruptura. Por meio da análise de 101 golpes, examinou-se o comportamento estático, segundo o modelo CAPWAPC, e o comportamento dinâmico do sistema. O comportamento estático foi investigado com base na aplicabilidade das fórmulas dinâmicas para a previsão de resistência. O mecanismo de transferência de carga foi estudado mediante a identificação de formas típicas de curvas de resistência estática mobilizadas pelo fuste e pela ponta, para o caso analisado. O comportamento dinâmico foi investigado na análise da ruptura e pós ruptura do sistema, pela aplicação do Princípio de Hamilton ao impacto do martelo. Verificou-se que o mecanismo de transferência de carga do sistema estaca-solo foi fortemente influenciado pela variabilidade das camadas de solo atravessadas pelo elemento estrutural de fundação. A quebra da estrutura do folhelho pelo processo de cravação também interferiu na transferência de carga. Constatou-se a aplicabilidade do repique como instrumento de controle de cravação de estacas metálicas. / In this work the behavior of steel piles driven in Tremembé formation, in the Taubaté Basin, São Paulo was studied. The Tremembé formation is constituted by bituminous shale, which predominant mineral clayey component is the mo ntmorillonite. The dynamic loading tests results with increasing energy in 14 piles were analyzed, with all of the tests taken to system rupture. Through the analysis of 101 blows it was studied the static behavior, according to the CAPWAPC model, and the dynamic behavior of the system. The use of the dynamic and semi-empiric static formula for resistance prediction was evaluated. The load transfer mechanisms were studied by pattern form of mobilized static resistance curves by the shaft and toe. The application of Hamilton\'s principle to hammer impact allowed to analyze the failure and post failure of the pile-soil system. It was observed that the pile-soil load transfer mechanism was strongly influenced by the resistance variability of crossed soil layers by the structural element of foundation. The material break during the driving process also interfered in load transfer mechanism. The use of rebound as instrument of steel pile driving control shows reliable.

Le renforcement des sols en zone sismique par des colonnes ballastées et/ou des inclusions rigides représente une alternative prometteuse et de plus en plus répandue par rapport aux solutions lourdes de fondations sur pieux. On sait que les pieux subissent, du fait de leur rigidité, des moments très importants au niveau de la liaison chevêtre-pieu. Les inclusions rigides surmontées d'un matelas granulaire permettent de mieux dissiper les efforts inertiels transmis par la superstructure, mais peuvent nécessiter des armatures si ce matelas n'est pas suffisamment épais. On peut penser que la colonne à module mixte (CMM) offre une solution combinant l'effet « matelas » à travers sa partie supérieure en colonne ballastée plus flexible et l'effet stabilisateur de la colonne inférieure. Cette thèse présente dans une première partie l'étude expérimentale réalisée au Laboratoire 3S-R (Grenoble) sur des modèles réduits à l'échelle 1/10 afin d'analyser la réponse de ces systèmes sous différentes charges statiques et dynamiques. Le modèle physique se compose d'une semelle carrée reposant directement sur l'argile renforcée. Le chargement vertical et horizontal, statique et dynamique est appliqué par l'intermédiaire de la fondation. Une instrumentation a été placée au niveau de la semelle pour obtenir la réponse globale du système, ainsi que dans la partie rigide inférieure du modèle pour évaluer la répartition des efforts entre inclusion et partie flexible supérieure. Une attention toute particulière a été donnée à la simulation de l'effet inertiel d'un séisme. Les profils de moments, d'efforts tranchants et de déplacements en fonction de la profondeur déterminés à partir de 20 extensomètres répartis régulièrement sur toute la hauteur de la partie rigide ont permis d'étudier l'influence de la hauteur de la colonne ou du matelas. La comparaison entre les déplacements dynamiques de la semelle et les courbes P-y (pression latérale P fonction du déplacement latéral y de la tête de pieu), permet de quantifier la dissipation de l'énergie dans les différentes parties du système. Les résultats expérimentaux montrent que la partie supérieure souple absorbe l'essentiel de l'énergie inertielle sismique. Une modélisation numérique 3D confirme les tendances observées expérimentalement et souligne l'importance du rôle de la zone de transition entre partie souple et partie rigide. / Along with the increasing need of construction land, numerous soil reinforcement technologies are proposed in order to improve the soil mechanical properties on one hand and overall site response on the other hand. The presented study is carried out in the context of seismic soil reinforcement and its interaction with a shallow footing which undergoes inertial loading. The system is studied mainly through physical modelling when reduced scale models are constructed in order to simulate clay reinforcement, which is composed of a rigid lower part associated to a flexible upper part. The soft upper part offers shear and moment capacity and the rigid lower part gives bearing capacity. In order to design the reinforcement elements, the response of this combined system to different static and dynamic loads must be understood. This thesis presents results from a primarily experimental study performed in Laboratoire 3S-R (Grenoble). Two reduced (1/10) physical models consisting of a group of four rigid inclusions associated to an upper flexible part are studied in clay. Combined vertical and horizontal static and dynamic loading is applied with a shallow foundation model. A parametric study is done, varying the height of the flexible part of the models in order to define its effect on the settlements of the foundation and lateral performance of the rigid inclusion. A special emphasis was given to the study of the inertial effects of seismic type loading. For this purpose, one of the rigid inclusions was instrumented with 20 levels strain gauges measuring flexural strain, used to calculate the bending moment along the pile. This gives pile deflection (y) by double integration and soil reaction (P) by double derivation. P-y curves are thus obtained. The analysis of the dynamic deflection of the rigid inclusion compared to the movement of the foundation allowed an estimation of the energy dissipated. The results indicate that a large amount of the seismic energy is dissipated within the upper flexible part of the models. Even though the scaling laws are not strictly respected, the main objective of the physical modelling was to perform a qualitative study of the soil reinforcement, studying its behaviour under inertial loading and pointing out important mechanisms, which should be taken into account by the current practice.

Neste trabalho estudou-se o comportamento de estacas metálicas, do tipo perfil soldado, cravadas na formação Tremembé, na Bacia de Taubaté, em São Paulo. A formação Tremembé é cosntituída por folhelhos pirobetuminosos, cujo mineral predomiante é a montmorilonita. Foram analisados os resultados de provas de carga dinâmica de energia crescente em 14 estacas, sendo que, em todas elas, sistema estaca-solo foi levado à ruptura. Por meio da análise de 101 golpes, examinou-se o comportamento estático, segundo o modelo CAPWAPC, e o comportamento dinâmico do sistema. O comportamento estático foi investigado com base na aplicabilidade das fórmulas dinâmicas para a previsão de resistência. O mecanismo de transferência de carga foi estudado mediante a identificação de formas típicas de curvas de resistência estática mobilizadas pelo fuste e pela ponta, para o caso analisado. O comportamento dinâmico foi investigado na análise da ruptura e pós ruptura do sistema, pela aplicação do Princípio de Hamilton ao impacto do martelo. Verificou-se que o mecanismo de transferência de carga do sistema estaca-solo foi fortemente influenciado pela variabilidade das camadas de solo atravessadas pelo elemento estrutural de fundação. A quebra da estrutura do folhelho pelo processo de cravação também interferiu na transferência de carga. Constatou-se a aplicabilidade do repique como instrumento de controle de cravação de estacas metálicas. / In this work the behavior of steel piles driven in Tremembé formation, in the Taubaté Basin, São Paulo was studied. The Tremembé formation is constituted by bituminous shale, which predominant mineral clayey component is the mo ntmorillonite. The dynamic loading tests results with increasing energy in 14 piles were analyzed, with all of the tests taken to system rupture. Through the analysis of 101 blows it was studied the static behavior, according to the CAPWAPC model, and the dynamic behavior of the system. The use of the dynamic and semi-empiric static formula for resistance prediction was evaluated. The load transfer mechanisms were studied by pattern form of mobilized static resistance curves by the shaft and toe. The application of Hamilton\'s principle to hammer impact allowed to analyze the failure and post failure of the pile-soil system. It was observed that the pile-soil load transfer mechanism was strongly influenced by the resistance variability of crossed soil layers by the structural element of foundation. The material break during the driving process also interfered in load transfer mechanism. The use of rebound as instrument of steel pile driving control shows reliable.

A utilização de métodos de análise apoiados na Teoria da Equação da Onda, a partir da instrumentação de medidas dinâmicas, como controle do comportamento de estacas, tem evoluído continuamente nos últimos anos. Após importantes considerações sobre a prova de carga dinâmica de energia crescente e o mecanismo de transferência de carga, procedem-se análises CAPWAP em um caso real de obra com o objetivo de analisar o comportamento do sistema estaca-solo perante a aplicação de níveis crescentes de energia. São apresentados nesta dissertação, os resultados do comportamento de vários sistemas isolados estaca-solo em maciço de argila mole, submetidos à prova de carga dinâmica de energia crescente. São feitas análises de: transferência de carga, atrito lateral local, quake da ponta, tensões dinâmicas e correlação entre prova de carga estática e dinâmica. / The use of analysis methods to control pile behavior employing the Stress-Wave Theory from results of dynamic pile driving measurements has evolved in recent years. After important considerations about the increasing energy dynamic loading test and the load transfer mechanism, CAPWAP analyses are proceed in a pilework with objective of analyzing the behavior of the pile-soil system before the application of growing levels of energy. Therefore, they are presented in this dissertation, the results of the behavior of several isolated pile-soil systems in soft clay formation, submitted to the dynamic loading test of growing energy. Among the analyses, load transfer diagrams, local friction, quake, dynamic tensions, and the correlation between static and dynamic loading test are presented.