Esta tese aplica o conceito de energia complementar para a determinação da capacidade de carga última de estaca cravada no ensaio de carregamento dinâmico de energia crescente. O ensaio de carregamento dinâmico com impactos de energia constante só permite obter a resistência estática mobilizada do modelo de CASE ou de SMITH com base na teoria da equação da onda e no Pile Driving Analyzer. A aplicação de impactos de energia crescente mostra que a curva de resistência estática - deslocamento dinâmico apresenta: a) trecho linear crescente seguido de trecho que se curva até que a tangente se torna vertical ou b) trecho crescente quase linear até um pico de resistência, seguido de uma curva de descarga até um determinado valor que corresponde à tangente vertical ou, c) trecho linear crescente seguido de trecho curvo cuja tangente não se verticaliza e onde a resistência volta a crescer. A ruptura do sistema estaca - maciço de solos é caracterizada pela energia complementar que passa em um máximo sempre que a resistência mobilizada atinge um pico. No pós-ruptura o excesso de energia aplicada e o excesso de trabalho das forças de amortecimento do impacto, em relação ao pico máximo, crescem linearmente com o nível de energia cinética aplicada. / This thesis suggests how to evaluate the ultimate bearing capacity of driven piles by using dynamic load tests with increasing energy. The dynamic load test with constant energy blows only allows the determination of the mobilized static resistance (CASE and SMITH\'s model), by using the wave equation theory and the Pile Driving Analyzer. The application of increasing energy blows shows that this static resistance: a) increases with increasing energy and then becomes constant or; b) increases with increasing energy up to a peak resistance and thereafter first decreases and then becomes constant or, c) starts to increase with increasing energy, then remains constant and after some blows starts to increase again. lt is shown that the rupture of the pile-soil system is characterized by the kinetic complementary energy reaching an upper limit when the impact mobilizes the maximum static pile capacity. All the energy or work done by damping forces, in excess of this maximum or peak situation, increases linearly with increasing energy.

Neste trabalho é apresentada uma formulação híbrida do Método dos Elementos de Contorno/Método dos Elementos finitos à análise da interação placa-estaca-solo. Nesta formulação a placa é modelada pelo método dos elementos finitos, utilizando os elementos DKT (Discrete Kirchhoff Theory) e HSM (Hybrid Stress Model); e o solo é modelado pelo método dos elementos de contorno como um meio elástico semi-infinito. A estaca é representada por apenas um elemento, com 3 pontos nodais definidos ao longo de seu fuste e a tensão de cisalhamento ao longo da mesma é aproximada por um polinômio do segundo grau. A tensão normal à seção da extremidade inferior da estaca é suposta constante e um ponto nodal é definido no centro desta seção. A interface placa-solo é dividida em elementos de contorno triangulares coincidentes com a divisão dos elementos finitos da placa; e admite-se que a tensão de contato varie linearmente no domínio de cada elemento. As tensões de contato são eliminadas nos dois sistemas de equações, provenientes do MEF e do MEC, para obter o sistema final de equações governantes do problema. Após a resolução deste sistema são obtidos os deslocamentos nos nós e a partir deles são calculadas as tensões de contato placa-solo e a carga absorvida por cada estaca. Além disso, esta formulação também permite a análise de blocos de estacas com ou sem contato entre o bloco e o solo. Vários exemplos envolvendo a interação placa-solo, estaca-solo e placa-estaca-solo foram analisados e os resultados obtidos estão de acordo com os fornecidos por outras formulações. / This work presents a hybrid Finite Element/Boundary Element formulation for the analysis of plate-pile-soil interactions problems. In this formulation the plate is modeled by finite elements using DKT (Discrete Kirchhoff Theory) and HSM (Hybrid Stress Model) elements and the soil is modeled as an elastic half space by the boundary element method. The pile is represented by only one element, with 3 nodal points, and shear force along the pile is approximated by a second degree polynomial. The pile-tip stress is assumed to be constant over the cross-section and a further nodal point is located there. The interface plate-soil is divided in a triangular boundary elements mesh coincident with that used in the finite element of the plate and the subgrade traction is assumed to vary linearly across each element. The subgrade tractions are eliminated from the two system of equation obtained with FEM and BEM resulting in the governing system of equation for plate-pile-soil interactions problems. By solving this set of equations the nodal displacements, the load on the piles and the subgrade tractions are calculated. Besides, this formulation allows also analysis several piles groups with and without ground-contacting rigid and flexible caps. Numerical results are presented for plate-soil, pile-soil and plate-pile-soil interactions. In all the results agree closely with those from much more elaborate analysis.

Para uma análise mais exata do sistema estrutural, é necessário um estudo do comportamento interativo entre as diversas partes que o compõe, entre eles, destaca-se a interação entre os elementos de fundação e o maciço de solos. Neste trabalho foram desenvolvidas formulações numéricas para a análise da interação estaca-solo via acoplamento entre diferentes métodos numéricos: método dos elementos de contorno, método dos elementos finitos e método das diferenças finitas. As estacas podem estar submetidas a carregamentos horizontais, verticais e momentos aplicados em seu topo. Nestas formulações foram utilizadas, além das equações integrais de deslocamentos, as equações de suas derivadas, levando a um grau maior de singularidade, porém permitindo a adoção de aproximações mais refinadas para os deslocamentos e tensões ao longo da estaca. Todos os deslocamentos e suas derivadas referentes à estaca foram compatibilizados com os correspondentes do solo. Desenvolvidas as formulações, feito o devido acoplamento entre eles, foram analisados exemplos, que foram comparados com os resultados obtidos por outros pesquisadores, demonstrando sua validade. / For a more accurate analysis of the structural system, it is necessary to study the interactive behavior between the various parts that compose it, among them, there is the interaction between the foundation elements and massive soil. In this work, numerical formulations were developed for the analysis of pile-soil interaction by coupling between different numerical methods: the boundary element method, finite element method and finite difference method. Piles can be subjected to horizontal loads, vertical and moments applied on its top. In these formulations were used in addition to the displacement integral equations, the equations of their derivatives, leading to a higher degree of uniqueness but allowing the adoption of more sophisticated approaches to displacements and contact tractions along the pile. All displacements and their derivatives relating to the pile were matched with the corresponding soil. Developed formulations made due coupling between them were analyzed examples, which were compared with results obtained by other authors, demonstrating its validity.

A utilização de estacas helicoidais como fundação de linhas de transmissão de energia elétrica tem aumentando significativamente no Brasil. No entanto, em alguns casos de obra, a camada de solo adequada para se instalarem as hélices da estaca encontra-se em profundidade economicamente inviável para o uso deste tipo de fundação. Esta foi a razão que motivou a presente pesquisa, que tem como objetivo avaliar soluções para a instalação de estacas helicoidais mais curtas, ancoradas em solo de capacidade inferior à necessária para atender às cargas de projeto. Nesta dissertação, foram avaliadas duas soluções alternativas para o aumento de capacidade de carga de fundações por estacas helicoidais, para os casos de carregamento de tração e compressão. A primeira alternativa verificada foi a injeção de calda de cimento em torno das hélices da ponta da estaca. A segunda solução testada foi o preenchimento com argamassa em torno da haste da estaca acima das hélices. Foram realizadas na presente pesquisa nove provas de carga (cinco de tração e quatro de compressão): três em estacas helicoidais convencionais, quatro em estacas helicoidais com injeção de calda de cimento e duas em estacas helicoidais com fuste de argamassa. Após a realização de provas de carga nas estacas, estas foram exumadas para se verificar a forma da coluna de argamassa e as formas de bulbos resultantes das injeções realizadas com calda de cimento. A partir dos resultados dos ensaios, foi verificado que a capacidade de carga da estaca á tração pode ser aumentada usando-se as alternativas testadas. Porém, são necessários mais ensaios para avaliar a eficiência destes procedimentos em diferentes condições de solo e configuração de estacas. / The use of helical piles as foundation for transmission lines has increased significantly in Brazil. However, in some sites, the soil layer suitable for installing the pile helices are considerably deep and it is economically unviable to use this type of foundation. This reason motivated the current study, which aims to evaluate solutions for the installation of helical piles anchored in soil with low capacity. In this research, it was evaluated two alternative solutions to improve the helical pile capacity. The first alternative is injecting a water/ cement mixture which is delivered to the ground throught holes, placed between the upper and bottom helices. The second alternative solution is helical piles with a mortar shaft. Nine pile load tests were performed for the present investigation (five in tension and four in compression): three on conventional helical piles, four on helical piles with injection, and two on helical piles with mortar shaft. After that, the helical piles were exhumed for the verification of the shaft shape and the forms of the bulbs resulting from injections performed with cement mixture. The results of these tests indicated that the uplift capacity of helical piles can be increased by using the alternatives tested. However, more tests are needed to evaluate the effectiveness of these procedures, in different soil conditions and pile configurations.

Onshore wind turbine foundations are mainly subjected to large overturning moments. The wind action imposes cyclic and dynamic loading conditions which occur in extreme and service scenarios. Deep foundations, when used, transfer this large overturning moment through a pile group which combines the axial and lateral resistance of all piles. Several authors noticed that cyclic axially loaded piles could have their resistance reduced due to shaft friction degradation. Considerable efforts have been made to understand this degradation phenomenon. However, the design and performance of cyclic axial loaded piles require greater advances. Therefore, this research sought to assess the shaft friction degradation of axially loaded piles in wind turbine deep foundations, especially for those located in Brazil. Several issues related to the main objective of this study had to be addressed because onshore wind turbine foundations are an area of recent research, especially in Brazil. The first stage of this research explored the key aspects of onshore wind turbine foundations in Brazil and compared them with the worldwide status. The main reason to explore this subject is that several authors consider onshore wind turbine foundations a well-understood topic; however, limited data from actual situations have been published, especially in developing countries where wind energy projects have recently started. Thus, a survey on Brazilian energy companies and foundation designers was conducted, and the first Brazilian database of wind turbine foundations was created. This database contains data from more than three thousand Brazilian wind turbine foundations. The key aspects, types and dimensions of these foundations were summarized. Worldwide, concrete gravity foundations are the most commonly used foundation type for onshore wind turbines. In Brazil, 43.3% of the wind turbines had shallow foundations, essentially concrete gravity, and 56.7% had deep foundations, mostly continuous flight auger piles. The foundation type was chosen according to the local foundation expertise and geotechnical conditions, which included soil type, water table level, soil layer resistance, the extent of porous soil layers and bedrock depth. This first stage of the research identified that Brazilian wind turbine foundations are significantly different from other countries. Approximately 70% of Brazilian wind turbine deep foundations used continuous flight auger piles, most of them embedded in sandy soils. Therefore, experimental investigations of the sand-concrete interface response under monotonic and cyclic loading are essential. The second and third stages of this research sought to investigate the sand-concrete interface response based on this recent insight. The second stage assessed the sand-concrete interface response through monotonic interface direct shear tests under different confinement conditions. The role of surface structural characteristics, confinement condition, sand mean diameter, particle morphology, sand gradation and relative density were evaluated. A nonlinear conceptual model of the interfacial-to-internal friction angle ratio was proposed according to normalized roughness and normalized waviness. Additionally, multiple regression was used to estimate the sand-concrete interface strength by the effect of constant normal stiffness. The results were essential to understand and to predict the sand-concrete interface response of concrete piles under static axial loading. The third stage explored the shaft friction degradation of cyclic axial loaded piles through sand-concrete and sand-steel cyclic interface direct shear tests. In geotechnical engineering practice, field and experimental tests are usually performed to evaluate the number of cycles until failure occurs under constant cyclic amplitude. According to this approach, cyclic failure can either occur quickly or not at all. From a practical viewpoint, the cyclic test times are unpredictable, which makes these tests difficult to plan and to perform. Therefore, a new approach based on increasing cyclic amplitude is proposed to overcome the conventional method. A simple cumulative damage model established a relationship between the cyclic loaded tests under constant and increasing cyclic amplitudes. The new approach provides additional insights into the cyclic interfacial response, such as the effect of previous cycles, the cyclic amplitude at failure and the displacement development throughout cycling. This new approach can be effortlessly extended to other experimental and field investigations. From a practical viewpoint, this new approach can reduce the cost and duration of projects. The author believes that this dissertation brought breakthroughs to the wind energy companies and to the geotechnical engineering community. However, further studies on onshore wind turbine foundations are still required. / As fundações de torres eólicas onshore são submetidas a grandes momentos de tombamento. A ação do vento impõe carregamentos cíclicos e dinâmicos que ocorrem em condições operacionais e extremas. Fundações profundas, quando usadas, transferem esse momento de tombamento através de um grupo de estacas que, por sua vez, são submetidas a esforços axiais e laterais. Muitos estudos observaram que estacas submetidas ao carregamento cíclico axial estão sujeitas à degradação do atrito lateral. A fim de compreender essa degradação, diversas pesquisas foram realizadas. No entanto, o dimensionamento e desempenho de estacas submetidas ao carregamento cíclico axial requer maiores avanços. Dessa forma, esta pesquisa buscou avaliar a degradação do atrito lateral em estacas de torres eólicas, principalmente aquelas localizadas no Brasil. Da mesma forma, foram abordados assuntos relacionados ao objetivo principal deste estudo uma vez que pesquisas sobre fundações de torres eólicas onshore ainda são incipientes, especialmente no Brasil. A primeira etapa da pesquisa explorou as principais características das fundações de torres eólicas onshore no Brasil e comparou-as com a prática internacional. Investigou-se este assunto uma vez que diversos autores consideram as fundações de torres eólicas onshore um tópico já compreendido; entretanto, a quantidade de informações e dados publicados são ínfimos, especialmente em países em desenvolvimento onde os projetos eólicos iniciaram recentemente. Por essa razão, realizou-se uma pesquisa com as empresas e projetistas do setor a fim de criar o primeiro banco de dados brasileiro sobre fundações de torres eólicas onshore. Esse banco de dados possui mais de três mil fundações cadastradas. Os principais aspectos, tipos e dimensões dessas fundações foram apresentados. Internacionalmente, o tipo de fundação mais empregado para torres eólicas onshore são fundações superficiais de gravidade. No Brasil, 43.3% das torres eólicas apresentam fundações superficiais, essencialmente fundações de gravidade, e 56.7% das torres eólicas apresentam fundações profundas, principalmente por grupo de estacas hélice continua. O tipo da fundação foi determinado com base na expertise local e condições geotécnicas, incluindo o tipo de solo, nível de água, resistência do solo, espessura de camadas porosas e profundidade do topo rochoso. Identificou-se, através da primeira etapa, que as fundações de torres eólicas onshore no Brasil são significantemente diferentes de outros países. Aproximadamente 70% das fundações profundas são por grupo de estacas hélice contínua, sendo na maior parte em contato com solos arenosos. Desta forma, há necessidade de realizar investigações experimentais da interface areia-concreto. A segunda e terceira etapas desta pesquisa concentraram-se no comportamento estático e cíclico da interface areia-concreto. A segunda etapa avaliou o comportamento estático da interface areia-concreto através de ensaios de cisalhamento direto em diferentes condições de confinamento. Foram avaliadas as influências das características da superfície sólida, diâmetro médio dos grãos, morfologia dos grãos, distribuição granulométrica e densidade relativa. Um modelo não linear do ângulo de atrito na interface de acordo com a rugosidade e ondulação normalizadas foi proposto. Além disso, empregou-se uma regressão múltipla para estimar a resistência da interface areia-concreto de acordo com a constante de rigidez. Os resultados foram essenciais na compreensão e previsão do comportamento estático da interface de estacas de concreto. A terceira etapa explorou a degradação do atrito lateral em estacas através de ensaios de cisalhamento direto cíclicos na interface areia-concreto e areia-aço. Usualmente, campanhas experimentais são conduzidas para avaliar o número de ciclos até ruptura com uma amplitude cíclica constante. A ruptura geotécnica pode ocorrer rapidamente ou nunca ocorrer; e, desta maneira, a duração dos ensaios é imprevisível, dificultando planejamento e execução das obras. Por essa razão, uma nova abordagem foi proposta baseada em amplitudes cíclicas crescentes. Um modelo de dano acumulado estabeleceu a relação entre os ensaios com amplitude cíclica constante e cíclica. A nova abordagem fornece informações adicionais do comportamento cíclico da interface, como o efeito de ciclos anteriores, amplitude cíclica na ruptura e o acúmulo de deslocamento permanente. Essa nova abordagem pode ser facilmente aplicada em outras investigações experimentais e provas de cargas cíclicas. Do ponto de vista prática, essa abordagem pode reduzir o custo e tempo de projetos, além de melhorar a previsão do desempenho dessas fundações. Espera-se que essa pesquisa tenha trazido avanços para as empresas do setor e comunidade geotécnica. Contudo, novas pesquisas sobre fundações de torres eólicas onshore ainda são necessárias.

O objetivo desta dissertação consiste em aprofundar o entendimento dos mecanismos que controlam o atrito lateral sob arrancamento de estacas instaladas por fluidização em areia. A técnica de instalação é estudada como uma alternativa para a utilização de estacas torpedo na fixação de plataformas offshore. Trabalhou-se em laboratório com o arrancamento de estacas metálicas circulares em modelo reduzido. Foram utilizados três diâmetros de estacas modelo, simulando três diferentes escalas: 14 mm (1:76), 16,2 mm (1:67) e 21,3 mm (1:50). Foram realizados 8 ensaios de arrancamento (24 horas após a fluidização) em estacas modelo instaladas por fluidização em solo arenoso com densidade relativa de 50% e submetido à sobrecarga de 2,236 kPa. Foram também realizados 17 ensaios de arrancamento em estacas modelo pré-instaladas (sem fluidização) em areia com densidade relativa de 30%, simulando uma instalação sem perturbação do solo, uma vez que esta é a densidade relativa aproximada que a areia atinge após o processo de fluidização. Os resultados foram comparados com pesquisas anteriores de arrancamento de estacas instaladas por fluidização em areia. Para um aumento médio de 2 vezes a tensão vertical efetiva nas estacas modelo instaladas por fluidização com sobrecarga, observa-se um ganho médio de 1,8 na resistência. O coeficiente de empuxo lateral de serviço para estes ensaios não apresentou diferenças significativas em relação ao mesmo tipo de ensaio sem sobrecarga. As estacas instaladas por fluidização com sobrecarga e estacas pré-instaladas (sem perturbação) apresentam valores de constantes e independentes das profundidades instaladas, com respectivas médias de 0,15 e 0,31. O valor de parece aumentar com o tempo para as estacas fluidizadas (efeito setup) devido à reconstituição das tensões radiais. Os valores de estacas cravadas em areia densa diminuem seu valor com o aumento da profundidade instalada (e da tensão efetiva média atuante), por restrição de dilatação, tendendo ao valor de encontrado para ensaios pré-instalados realizados neste trabalho. / The main goal of this study is to deepen the understanding of the shaft friction behavior under tension loads of piles installed by fluidization in Osório sand. The installation technique is studied as an alternative for the use of torpedo piles in offshore platforms anchoring. This work was done in laboratory with metallic circular piles in reduced model. Three diameters of model piles were used, simulating three different scales: 14 mm (1:76), 16,2 mm (1:67) and 21,3 mm (1:50). Eight pullout tests (24 hours after fluidization) were carried out on model piles installed by fluidization in sandy soil with a relative density of 50% and subjected to a surcharge of 2,236 kPa. Eighteen pullout tests were performed on pre-installed (non-fluidized) model piles in sand with a relative density of 30%, simulating an installation without soil disturbance, since this is the approximate relative density reached after the process of fluidization. The results were compared with previous studies of pullout resistance of fluidized piles in sand. For an average increase of 2 times the vertical effective stress in the model piles installed by fluidization with surcharge, an average increase of 1,8 times is observed in the pullout resistance. The lateral earth pressure coefficient on the pile shaft for these tests did not show significant differences in relation to the same type of test without surcharge. For tests installed by fluidization and pre-installed tests (without soil disturbance), remains constant and independent of the installed depths, with respective averages of 0,15 and 0,31. The value seems to increase with time for fluidized tests (setup effect) due to the reconstitution of the radial tensions. The values for pullout tests in driven model piles in dense sand decrease their value with the increase of the installed depth (and the increase of the vertical effective stress), by restriction of the expansive behavior, tending to the value found for pre-installed tests carried out in this work.

Esta tese aplica o conceito de energia complementar para a determinação da capacidade de carga última de estaca cravada no ensaio de carregamento dinâmico de energia crescente. O ensaio de carregamento dinâmico com impactos de energia constante só permite obter a resistência estática mobilizada do modelo de CASE ou de SMITH com base na teoria da equação da onda e no Pile Driving Analyzer. A aplicação de impactos de energia crescente mostra que a curva de resistência estática - deslocamento dinâmico apresenta: a) trecho linear crescente seguido de trecho que se curva até que a tangente se torna vertical ou b) trecho crescente quase linear até um pico de resistência, seguido de uma curva de descarga até um determinado valor que corresponde à tangente vertical ou, c) trecho linear crescente seguido de trecho curvo cuja tangente não se verticaliza e onde a resistência volta a crescer. A ruptura do sistema estaca - maciço de solos é caracterizada pela energia complementar que passa em um máximo sempre que a resistência mobilizada atinge um pico. No pós-ruptura o excesso de energia aplicada e o excesso de trabalho das forças de amortecimento do impacto, em relação ao pico máximo, crescem linearmente com o nível de energia cinética aplicada. / This thesis suggests how to evaluate the ultimate bearing capacity of driven piles by using dynamic load tests with increasing energy. The dynamic load test with constant energy blows only allows the determination of the mobilized static resistance (CASE and SMITH\'s model), by using the wave equation theory and the Pile Driving Analyzer. The application of increasing energy blows shows that this static resistance: a) increases with increasing energy and then becomes constant or; b) increases with increasing energy up to a peak resistance and thereafter first decreases and then becomes constant or, c) starts to increase with increasing energy, then remains constant and after some blows starts to increase again. lt is shown that the rupture of the pile-soil system is characterized by the kinetic complementary energy reaching an upper limit when the impact mobilizes the maximum static pile capacity. All the energy or work done by damping forces, in excess of this maximum or peak situation, increases linearly with increasing energy.

Na prática de fundações por estacas helicoidais submetidas a esforços de tração (também conhecidas como ancoragens helicoidais) frequentemente são observadas discrepâncias entre valores de capacidade de carga previstos por métodos teóricos e medidos em provas de carga. Entre outros fatores, estas diferenças ocorrem pelo fato de nenhum dos métodos teóricos existentes considerarem adequadamente o efeito da instalação no comportamento deste tipo de ancoragem. Durante a penetração por rotação das hélices da estaca/ancoragem no terreno, os parâmetros de resistência e de rigidez do solo penetrado, e as tensões radiais em torno da estaca são modificados. O nível de degradação do solo que suportará as cargas aplicadas na ancoragem é dependente do tipo e características do solo, e do número e geometria das hélices. Diante deste cenário de incertezas provenientes do efeito da instalação, duas distintas abordagens probabilísticas são apresentadas nesta dissertação. A primeira abordagem tem o intuito de verificar o efeito da variabilidade de distintas variáveis influentes no comportamento de ancoragens helicoidais. Para este fim, foi utilizado o método de expansão em Polinômio de Caos, baseado na modelagem numérica de ancoragens helicoidais em areia, calibrada com os resultados medidos em modelos testados em centrifuga. Foi verificado nesta parte o nível de influência de cada parâmetro de entrada do solo no comportamento carga x deslocamento da ancoragem. No segundo enfoque, foi proposto e avaliado um modelo probabilístico para simular a curva carga x deslocamento, obtida em provas de carga. Nesta parte, foi realizada uma análise de confiabilidade para verificação do estado limite de serviço de ancoragens helicoidais baseada em resultados de provas de carga executadas no Brasil. São também apresentadas nesta análise as incertezas provenientes da variabilidade do fator de torque utilizado na verificação da capacidade de carga durante a instalação da ancoragem. / Discrepancies between predicted and measured results of uplift capacity of helical piles (or helical anchors) have been commonly observed in the practical experience. Among other factors, these differences occur because the existing theoretical methods do not consider adequately the installation effect on the behavior of this type of anchor. During the anchor installation, the penetration by rotation of the helical plates into the ground modifies the soil strength and stiffness parameters, and the radial stresses around the pile. The degradation degree of the soil penetrated is dependent on the type and characteristics of the soil, and also on the number and geometry of helices. Against this background of uncertainty due to the installation effect, two different probabilistic approaches are presented in this dissertation. The first approach is used to verify the effect of the variability of different influential variables on the behavior of helical anchors. For this purpose, the probabilistic method named Sparse Polynomial Chaos Expansion was used, based on the numerical modeling of helical anchors in sand, calibrated with measured results obtained from reduced models tested in centrifuge. As a result, the level of influence of each soil input parameter on the anchor load-displacement behavior is presented. In the second approach, a probabilistic model to simulate the load-displacement curve obtained in load tests was proposed and evaluated. For this part, a reliability analysis was performed to check the serviceability limit state of helical anchors, based on the results of field load tests performed in Brazil. In addition, the uncertainties arising from the variability of the torque factor were evaluated. The torque factor is frequently used to verify the uplift capacity of helical anchors during installation.

A utilização de estacas helicoidais como fundação de linhas de transmissão de energia elétrica tem aumentando significativamente no Brasil. No entanto, em alguns casos de obra, a camada de solo adequada para se instalarem as hélices da estaca encontra-se em profundidade economicamente inviável para o uso deste tipo de fundação. Esta foi a razão que motivou a presente pesquisa, que tem como objetivo avaliar soluções para a instalação de estacas helicoidais mais curtas, ancoradas em solo de capacidade inferior à necessária para atender às cargas de projeto. Nesta dissertação, foram avaliadas duas soluções alternativas para o aumento de capacidade de carga de fundações por estacas helicoidais, para os casos de carregamento de tração e compressão. A primeira alternativa verificada foi a injeção de calda de cimento em torno das hélices da ponta da estaca. A segunda solução testada foi o preenchimento com argamassa em torno da haste da estaca acima das hélices. Foram realizadas na presente pesquisa nove provas de carga (cinco de tração e quatro de compressão): três em estacas helicoidais convencionais, quatro em estacas helicoidais com injeção de calda de cimento e duas em estacas helicoidais com fuste de argamassa. Após a realização de provas de carga nas estacas, estas foram exumadas para se verificar a forma da coluna de argamassa e as formas de bulbos resultantes das injeções realizadas com calda de cimento. A partir dos resultados dos ensaios, foi verificado que a capacidade de carga da estaca á tração pode ser aumentada usando-se as alternativas testadas. Porém, são necessários mais ensaios para avaliar a eficiência destes procedimentos em diferentes condições de solo e configuração de estacas. / The use of helical piles as foundation for transmission lines has increased significantly in Brazil. However, in some sites, the soil layer suitable for installing the pile helices are considerably deep and it is economically unviable to use this type of foundation. This reason motivated the current study, which aims to evaluate solutions for the installation of helical piles anchored in soil with low capacity. In this research, it was evaluated two alternative solutions to improve the helical pile capacity. The first alternative is injecting a water/ cement mixture which is delivered to the ground throught holes, placed between the upper and bottom helices. The second alternative solution is helical piles with a mortar shaft. Nine pile load tests were performed for the present investigation (five in tension and four in compression): three on conventional helical piles, four on helical piles with injection, and two on helical piles with mortar shaft. After that, the helical piles were exhumed for the verification of the shaft shape and the forms of the bulbs resulting from injections performed with cement mixture. The results of these tests indicated that the uplift capacity of helical piles can be increased by using the alternatives tested. However, more tests are needed to evaluate the effectiveness of these procedures, in different soil conditions and pile configurations.

Neste trabalho é apresentada uma formulação híbrida do Método dos Elementos de Contorno/Método dos Elementos finitos à análise da interação placa-estaca-solo. Nesta formulação a placa é modelada pelo método dos elementos finitos, utilizando os elementos DKT (Discrete Kirchhoff Theory) e HSM (Hybrid Stress Model); e o solo é modelado pelo método dos elementos de contorno como um meio elástico semi-infinito. A estaca é representada por apenas um elemento, com 3 pontos nodais definidos ao longo de seu fuste e a tensão de cisalhamento ao longo da mesma é aproximada por um polinômio do segundo grau. A tensão normal à seção da extremidade inferior da estaca é suposta constante e um ponto nodal é definido no centro desta seção. A interface placa-solo é dividida em elementos de contorno triangulares coincidentes com a divisão dos elementos finitos da placa; e admite-se que a tensão de contato varie linearmente no domínio de cada elemento. As tensões de contato são eliminadas nos dois sistemas de equações, provenientes do MEF e do MEC, para obter o sistema final de equações governantes do problema. Após a resolução deste sistema são obtidos os deslocamentos nos nós e a partir deles são calculadas as tensões de contato placa-solo e a carga absorvida por cada estaca. Além disso, esta formulação também permite a análise de blocos de estacas com ou sem contato entre o bloco e o solo. Vários exemplos envolvendo a interação placa-solo, estaca-solo e placa-estaca-solo foram analisados e os resultados obtidos estão de acordo com os fornecidos por outras formulações. / This work presents a hybrid Finite Element/Boundary Element formulation for the analysis of plate-pile-soil interactions problems. In this formulation the plate is modeled by finite elements using DKT (Discrete Kirchhoff Theory) and HSM (Hybrid Stress Model) elements and the soil is modeled as an elastic half space by the boundary element method. The pile is represented by only one element, with 3 nodal points, and shear force along the pile is approximated by a second degree polynomial. The pile-tip stress is assumed to be constant over the cross-section and a further nodal point is located there. The interface plate-soil is divided in a triangular boundary elements mesh coincident with that used in the finite element of the plate and the subgrade traction is assumed to vary linearly across each element. The subgrade tractions are eliminated from the two system of equation obtained with FEM and BEM resulting in the governing system of equation for plate-pile-soil interactions problems. By solving this set of equations the nodal displacements, the load on the piles and the subgrade tractions are calculated. Besides, this formulation allows also analysis several piles groups with and without ground-contacting rigid and flexible caps. Numerical results are presented for plate-soil, pile-soil and plate-pile-soil interactions. In all the results agree closely with those from much more elaborate analysis.